Przegląd rozwiązań systemowych
Sondy gruntowe
Zaprojektowanie i wykonanie instalacji do pozyskiwania ciepła z wykorzystaniem sondy gruntowej musi zostać przeprowadzone zgodnie z dyrektywą VDI 4640 (Termiczne wykorzystanie gruntu) oraz wg aktualnego stanu techniki, przy przestrzeganiu obowiązujących przepisów prawnych.
W przypadku pomp ciepła sprzężonych z ziemią żąda się wysokiej przewodności cieplnej gruntu, aby ciepło z niego mogło dobrze przenikać do kolektora. Możliwości przenoszenia ciepła przez dany materiał w warunkach stacjonarnych charakteryzuje jego współczynnik przewodnictwa cieplnego λ (jednostka: W/m K). Sondy gruntowe pozyskują energię cieplną z istniejącego geotermicznego strumienia ciepła (płynącego w kierunku od wnętrza ziemi ku jej powierzchni) oraz z przepływającej wody gruntowej. Jedynie do głębokości ok. 10 – 15 m pewne znaczenie posiada promieniowanie słoneczne oraz woda infiltracyjna, względnie woda deszczowa. Sondy gruntowe zwykle mogą osiągać głębokości od 10 m do 120 m. Ten typ kolektora szczególnie doskonale nadaje się do stosowania przy pobieraniu ciepła z działki o małej powierzchni, na której nie ma miejsca na założenie kolektora gruntowego płaskiego. Dla domu jednorodzinnego o powierzchni mieszkalnej 150 m2 i zapotrzebowaniu na moc grzewczą 8 kW potrzebny jest pionowy wymiennik gruntowy o długości ok. 110 m (dla współczynnika λ=3,5 skała o dużej przewodności) System przewodów rurowych odwiertu rozmieszcza się pionowo w ziemi, w odwiertach o głębokości do 120 m. W razie potrzeby całą długość sondy można podzielić na kilka odwiertów.
Sondy gruntowe rozmieszcza się pionowo w odwiercie.
Na zamieszczonym powyżej rysunku pokazano instalację z sondą gruntową.
1. Zawór odcinający
2. Termometr
3. Manometr
4. Zbiornik wyrównawczy solanki z zaworem bezpieczeństwa
5. Wymiennik w postaci podwójnej U-rurki (2 obiegi na odwiert), głębokość odwiertu w zależności od właściwości podłoża, zgodnie z dokonanym doborem wymiarów
6. Głowica do zmiany kierunku z przewodami kolektora, zespawana fabrycznie, długość ok. 150 cm, średnica ok. 10 cm. Średnica odwiertu ok. 115 –220 mm. Dodatkowy obciążnik stalowy, służący do wprowadzania kolektora do odwiertu, długość ok. 50 – 120
cm, średnica ok. 8 cm
a) Zasilanie/powrót ze spadkiem w kierunku od pompy ciepła do sondy gruntowej, w podłożu piaszczystym ułożone na głębokości ok. 1 m; odpowietrznik kolektora przy pompie ciepła
b). Minimalna odległość od fundamentu budynku powinna wynosić 2 m
c),d) Rura okładzinowa, stosowana w przypadku luźnego materiału, o długości ok. 6 – 20 m, średnica ok. 17 cm Podsypka z piasku kwarcowego, wypełniająca pustą przestrzeń otworu plus specjalny wypełniacz np. (bentonit).
W praktyce w jednym odwiercie można łączyć kilka sond, aby przy zachowaniu tej samej długości przewodów rurowych w obiegu solanki uzyskać mniejsze głębokości odwiertów.
Jeśli sonda będzie zbyt mała, to może to skutkować niskimi temperaturami solanki. Długoterminowo, w czasie od jednego do drugiego okresu grzewczego, temperatura solanki może się wskutek tego obniżać.
Wykonanie lub pogłębianie odwiertu wymaga wykonania projektu odwiertu oraz zgłoszenia planowanych prac właściwemu organowi administracji geologicznej. Ponadto należy uwzględnić następujące cele ekonomiczno i wodne:
– Ciecz nośnika ciepła musi spełniać wymagania normy VDI 4640, Część 1
– Płuczki wiertnicze nie mogą zawierać substancji zagrażających wodzie
– Nie można dopuścić do zwarcia 2 lub więcej warstw wodonośnych wody gruntowej (poprzez zespojenie strefy zalegania wody)
– W wysoce bogatych w wodę pitną warstwach wodonośnych wody gruntowej zakładanie sondy gruntowej z reguły jest zakazywane
Prawo górnicze
Przy poszukiwaniu i pozyskiwaniu ciepła w ziemi do głębokości 99 m przepisy prawa górniczego nie znajdują zastosowania. Obowiązują przepisy prawa geologicznego. Od 100 m poczynając mają zastosowanie postanowienia prawa górniczego w odniesieniu do poszukiwania i pozyskiwania ciepła w ziemi.
Materiały specjalne
Do wykonywania sond gruntowych i przewodów rurowych układanych w ziemi należy stosować materiały z polimerów węglowodorowych, takie jak:
– polietylen (PE-HD)
– polipropylen (PP -używany na rozdzielacze)
– polibutylen
Medium przenoszące ciepło
Media przenoszące ciepło nie mogą powodować zanieczyszczeń wody gruntowej albo ziemi w przypadku wystąpienia przecieków. Należy wybierać substancje nie trujące i podlegające rozkładowi biologicznemu. Zwykle stosuje się następujące środki przeciwzamarzające:
– Etanodiol (stosowany synonim: glikol etylenowy, C2H6O2) – maks. 30%
– 1 ,2 – Propandiol (stosowany synonim: glikol propylenowy, C3H8O2) – maks. 33%
– Etanol (stosowany synonim: alkohol etylowy, C2H5OH) – maks. 60%
Pozyskiwana ilość ciepła
tabela 1
Przedstawione dane obowiązują przy następujących warunkach:
Odstęp między dwiema sondami gruntowymi wynosi przynajmniej 5 m (do 50 m. głębokości), 7 m (50-70 m. głębokości), 9 m (70-120 m. głębokości). Kolektor wykonany jako sonda gruntowa w postaci podwójnej U-rurki. Maksymalna głębokość sondy gruntowej wynosi ok. 120 m.
Podane wartości mogą się wahać w pewnych granicach w zależności od stopnia popękania gruntu, jego zwietrzenia, itp. Podane wartości opierają się na założeniu, że współczynnik efektywności pompy ciepła COP wynosi 4
Przykład obliczeniowy
Dobrać pompę ciepła i sondę gruntową dla domku jednorodzinnego 4-ro osobowego o powierzchni 200m2. Zużycie ciepłej wody o temp. 45°C na osobę 80l/dobę. Grunt – wilgotne gliny. Instalacja grzewcza podłogowa z temperaturą zasilania 35/30C. Zasilanie bez przerw w sieci.
1. zapotrzebowanie na moc cieplną przyjęto 50W/m2, stąd moc obliczeniowa pompy ciepła wyniesie;
Q = 10+4×0,5 = 12,0kW gdzie 10 kW moc obliczeniowa na potrzeby c.o.
2. Zakładamy średnią temperaturę dolnego źródła ciepła na poziomie +5°C. (w praktyce z badań przeprowadzonych w kraju wynika, że średnia temperatura w sondach gruntowych w przebadanych 41 instalacjach wyniosła 7,1°C).
Na podstawie wykresu dobrano pompę VWS 101/2 firmy Vaillant o mocy grzewczej około 12kW dla temperatury zasilania 35°C. Pobór mocy wyniesie 2kW. Sprawność COP dla ww. warunków wyniesie 12/2 = 6. Moc chłodnicza wyniesie 12x(1-1/6) = 10kW.
3. Czas pracy pompy
Aby obliczyć czas pracy pompy w ciągu roku należy przyjąć temperaturę graniczną w pomieszczeniach. temperatura ta zależy od stopnia efektywności energetycznej budynku i dla budynków nowych dobrze ocieplonych waha się pomiędzy 12-16°C, a dla budynków pasywnych spada nawet do 8°C. Przyjęto +16C. Dla tej temperatury średnia roczna ilość godzin pracy ogrzewania odczytana z tabeli dla miasta Lublin wyniesie 1781h stąd:
czas pracy na potrzeby c.o. = 10/12 x 1781 = 1484h
czas pracy pompy na potrzeby ciepłej wody użytkowej można wyliczyć na podstawie tabeli
Tabela 2
W naszym przypadku czas pracy wyniesie:
= 4x160x2/12 = 107h
Łączna ilość godzin pracy pompy ciepła
= 1484+107 = 1591h
Średnia moc chłodnicza z sondy gruntowej odczytana z tabeli 1 dla mokrych glin wnosi 35-50W/m. Przyjęto 42,5 W/m stąd długość sondy wyniesie:
10000W/42,5W/m = 235m
Przyjęto dwie sondy gruntowe o długości 120m.
4. Prace wiertnicze
Kompetentny zakład wykonujący prace wiertnicze powinien posiadać odpowiednie kwalifikacje i uprawnienia zgodnie z obowiązującym prawem geologicznym i górniczym. W każdym przypadku należy wykonać projekt prac wiertniczych w uzgodnieniu ze zleceniodawcą. Przedsiębiorstwo wiertnicze opracowuje projekt wykonawczy robót, który podlega zgłoszeniu do właściwego organu administracji geologicznej. Organ administracji geologicznej w ciągu 30 dni może wydać decyzję określającą warunki lub ograniczenia dla projektowanych prac. Po 30 dniach oczekiwania i po zgłoszeniu do urzędu administracji państwowej (dodatkowo 14 dni) prace wiertnicze można rozpocząć. Po zakończeniu prac należy sporządzić dokumentację geologiczną i przekazać ją organowi administracji geologicznej.
Przy budowie stanowiska wiertniczego należy wykonać następujące przedsięwzięcia przygotowawcze:
— Dojazd wiertnicy musi być zamocowany oraz należy uwzględnić promień obrotu. Orientacyjnie wymagana szerokość dojazdu dla wiertnicy:
– przynajmniej 1.5 m dla wiertnic osadzonych na małych pojazdach gąsienicowych
– przynajmniej 2.5 m dla wiertnic osadzonych na samochodach ciężarowych
–Zapotrzebowanie na miejsce dla wiertnicy, ewentualnie również dla stawu lub wanny na płuczkę oraz na pozostałe materiały:
– przynajmniej 6 m x 5 m dla wiertnic osadzonych na małych pojazdach gąsienicowych
– przynajmniej 8 m x 5 m dla wiertnic osadzonych na samochodach ciężarowych
–Przyłącze do elektrycznej sieci zasilającej 3×400 V
–Przyłącze zimnej wody
–Schemat wiertni z naniesionymi przewodami elektrycznymi, przewodami doprowadzającymi wodę oraz przewodami odprowadzającymi ścieki, jak również z zaznaczonymi pozostałymi przeszkodami znajdującymi się w ziemi.
Dane te mogą się znacząco różnić w zależności od sposobu i techniki wykonywania wierceń i należy je traktować tylko jako zgrubne wstępne oszacowanie. Idealnym rozwiązaniem jest wykonywanie prac wiertniczych jednocześnie z budową surowego stanu budynku. W sytuacji, gdy domy są już gotowe, to należy je ewentualnie zabezpieczyć przed zanieczyszczeniami
–Budowa sondy gruntowej
Sondę gruntową oraz jej zasilanie i powrót należy założyć w odległości przynajmniej 70 cm od przewodów rurowych doprowadzających wodę i odprowadzających ścieki oraz od innych przewodów zasilających. W przypadku krzyżowania się z przewodami zasilającymi przewód kolektora należy izolować w strefie skrzyżowania. Sondy gruntowe są dostarczane na miejsce budowy w stanie wstępnie zmontowanym i powinno się z nimi obchodzić bardzo ostrożnie, aby zapobiec wszelkim ewentualnym ich uszkodzeniom. Należy ponadto przestrzegać następujących wskazówek i wytycznych:
– Aby ułatwić przenoszenie sondy, należy ją wcześniej napełnić wodą
– Stosując odpowiednie oprzyrządowanie (wciągarka itp.) wprowadzić sondę do odwiertu bez używania siły
– Aby solidnie zamknąć pierścieniową szczelinę należy wprowadzić do odwiertu razem z sondą przewód rurowy na podsypkę
– Po umieszczeniu sondy w odwiercie należy sprawdzić ciśnienie oraz przepływ
– Przed napełnieniem odwiertu podsypką zamknąć końcówki sondy odpowiednimi kołpakami
– Aby zapewnić swobodny przepływciepła należy zespolić pierścieniową przestrzeń odwiertu (swobodna przestrzeń między ścianką odwiertu i sondą). Można to uczynić wykorzystując przewód rurowy na podsypkę i zespajać odwiert od dołu do góry. Jako podsypka zespalająca sprawdziła się, z powodu dobrego przewodnictwa cieplnego, mieszanina bentonitu (materiał ilasty), cementu hutniczego, piasku i wody. W zależności od właściwości gruntu można też stosować dodatki w postaci mączki kwarcowej, piasku kwarcowego, lub też wyłącznie tylko sam drobny żwir, albo wypłukiwany z odwiertu materiał Jeśli materiał podsypki rozpoczyna wypływać z wylotu odwiertu, to jest to znak, że odwiert został całkowicie napełniony Ciśnieniowa kontrola działania powinna zostać przeprowadzona przy ciśnieniu 6 barów (czas trwania próby 60 minut, wstępne obciążenie 30 minut, maksymalny spadek ciśnienia 0.2 bara)
– Wszystkie obiegi należy połączyć równolegle. Sposób wykonania połączenia wg systemu Tichelmanna lub z wykorzystaniem kombinacji rozdzielaczy i kolektorów zbiorczych pokazano na rys.
Obiegi glikolu można przyłączać do pompy ciepła wykorzystując odpowiednią kombinację rozdzielacza i kolektora zbiorczego lub według tak zwanego systemu Tichelmanna.
Zalety przyłączenia kolektorów gruntowych z wykorzystaniem kombinacji rozdzielacza i kolektora zbiorczego:
– poszczególne obiegi można napełniać glikolem pojedynczo, wykorzystując odpowiednio zawory odcinające przy różnych długościach obiegów można nastawiać natężenie przepływu solanki za pomocą regulatorów przepływu (z rotametrami)
Zalety przyłączenia kolektorów gruntowych z wykorzystaniem systemu Tichelmanna:
– mniejsze koszty w porównaniu z przyłączaniem za pomocą kombinacji rozdzielacza i kolektora zbiorczego
– brak konieczności stosowania studzienki, gdyż trójniki/łuki wraz z odnogami pozostają na stałe w ziemi
Jednakże stosowanie systemu połączeń Tichelmanna zaleca się tylko wtedy, gdy ilość obiegów nie jest większa od 4.
Źródło:
– instsani.pl
