W pracy przedstawiono metodę poprawy warunków wymiany ciepła w sondzie gruntowej typu U, stosowanej w sprężarkowych pompach ciepła. Zaprezentowano, sprawdzoną w warunkach rzeczywistych, nową technologię ułożenia sondy gruntowej. Zaproponowano modyfikacje konstrukcyjne. Przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych, rozkładu temperatury i wydajności cieplnej. Wyniki porównano z danymi literaturowymi przedstawianymi przez producentów i instalatorów sond gruntowych.

Podstawą przeprowadzenia analiz nowatorskiego rozwiązania dolnego źródła ciepła i przeprowadzenia badań eksperymentalnych stał się konkretny problem techniczno-inwestycyjny. W celu zasilenia monowalentnej pompy ciepła, zamontowanej w wolnostojącym domu jednorodzinnym, zlokalizowanym w miejscowości Mysłakowice, (około 110 km na południowy zachód od Wrocławia), w odpowiednią ilość ciepła, postanowiono zbudować wymiennik gruntowy. Wielkość powierzchni i kształt działki uniemożliwiał budowę wymiennika poziomego.

Z drugiej strony teren leżący na granicy Przedgórza Sudeckiego i Sudetów Środkowych wpływa na brak możliwości zainstalowania dolnego źródła ciepła w postaci sond pionowych, gdyż lita skała granitowa w tym miejscu zaczyna się na głębokości około 6÷8,5 m poniżej powierzchni gruntu. Badania georadarowe oraz wykonane pomocnicze odwierty pionowe, potwierdziły obecność litych skał granitowych na głębokości 7 m, ale jednocześnie umożliwiły określenie przepływu wód gruntowych. Odwierty wskazały pierwszy poziom występowania wody już na poziomie około 1,8 m poniżej poziomu gruntu, natomiast największe natężenie przepływu zanotowano na głębokości około 3,2÷5 m poniżej poziomu gruntu (rys. 1.).

W tej sytuacji, w pierwszej fazie projektu, zdecydowano się na budowę tzw. sond gwiaździstych i analizę rozwiązania geotermalnego systemu bezpośredniej wymiany ciepła.

Rys. 1. Profil geologiczny badanego terenu. Rozmieszczenie przepływu wód gruntowych

Geotermalny system bezpośredniej wymiany ciepła – sondy gwiaździste (ang. Direct Exchange Geothermal System)

W typowej gruntowej pompie ciepła czynnik pośredniczący (solanka, glikol) krąży w obiegu sondy (obieg czynnika wymuszany pompą) i oddaje ciepło pobrane z gruntu w parowaczu pompy ciepła czynnikowi chłodniczemu (freon). Wymiana ciepła w parowaczu wymaga odpowiedniej różnicy temperatury (ΔT ≈ 3÷6 K), jako siły napędowej procesu i zaprojektowanie temperatury odparowania czynnika chłodniczego na poziomie o tyle niższym od temperatury solanki opuszczającej wymiennik gruntowy. Biorąc pod uwagę, że każde obniżenie temperatury parowania czynnika chłodniczego powoduje obniżenie współczynnika efektywności obiegu termodynamicznego o około 3% [3]. Powoduje to znaczne obniżenie końcowej wartości COP pompy ciepła.

W pierwszej fazie projektowania poddano szczegółowej analizie zaproponowany w literaturze [5] system bezpośredniego odparowania składający się z sond wykonanych z metalu (miedzi) rozłożonych gwiaździście. To co zdecydowało o rozważeniu tego wariantu to kątowe poprowadzenia odwiertu, które przy danej długości sondy umożliwia wykonanie płytszych odwiertów a w przypadku natrafienia na warstwę wodonośną zapewnia lepszą wymianę ciepła z gruntem. Czynnik roboczy pompy ciepła krąży, odparowując bezpośrednio w sondzie gruntowej. Rury plastikowe PE [7] klasycznych sond gruntowych zastąpiono miedzianymi o bardzo dobrej przewodności cieplnej (Ra = 0,0025 K·m/W [10]), co gwarantuje obniżenie oporu cieplnego sondy. W analizowanym rozwiązaniu prototypowym, sondy umieszczone są w odwiertach diagonalnych (o kącie nachylenia 30°, długości 22 m [5] i średnicy 76 mm. Jako czynnika chłodniczego użyto czynnika R407C obojętnego, nie wchodzącego w reakcję z miedzią.[5]). Parametry czynnika termodynamicznego krążącego w obiegu dobrano tak, aby do sondy dopływał po zdławieniu dwufazowy czynnik chłodniczy o bardzo małym stopniu suchości x = 0,2÷0,25 – praktycznie ciecz. Kiedy ciekły czynnik chłodniczy wpływa do sondy, naturalne siły grawitacji, powodują, że spływa on w dół, ogrzewa się i odparowuje. Następnie jako para o dużym stopniu suchości x ≈ 1 – praktycznie gaz (lżejszy od cieczy) wznosi się do kolektora zbiorczego i zasysana jest do sprężarki [5].

Rys. 2. Diagonalny wymiennik ciepła [8]

Problemy jakie pojawiają się podczas eksploatacji takiego rozwiązania [5] to korozja i utlenianie metalowych sond. Użycie sond metalowych jest związane z rodzajem podłoża. Dla gruntu o współczynniku pH > 6 nie ma ryzyka korozji, dla pH poniżej 6 zagrożenie korozją jest poważne. Konieczne jest więc stosowanie anody ochronnej przedłużającej trwałość sondy [9].

Rozwiązanie eksperymentalne

(...)

Badania eksperymentalne

(...)

Wnioski

Jak wynika z przedstawionych informacji, problematyka pozyskania ciepła z gruntu powinna być indywidualnie rozpatrywana dla każdego konkretnego projektu i danych warunków geologicznych.

Porównanie teoretycznych, przyjmowanych do projektowania wartości strumieni ciepła pozyskiwanych w wymiennikach gruntowych pomp ciepła, pionowych i poziomych [3, 8–10] z wartościami uzyskiwanymi w zastosowanym przez NANOTEL S.A. systemie, potwierdza zasadność przyjętego kierunku modyfikacji i ulepszeń tego sposobu instalacji sondy gruntowej.

Przeprowadzone, podczas standardowej eksploatacji pompy ciepła pomiary parametrów pracy wymiennika gruntowego, wykazały średnią moc cieplną dolnego źródła równą 61,68 W/m, oraz maksymalną 70,54 W/m [2].

LITERATURA:

[1] Baza danych geologiczno-inżynierskich wraz z opracowaniem atlasu geologiczno-inżynierskiego aglomeracji wrocławskiej. Ministerstwo Środowiska Rzeczpospolita Polska. Wrocław. Maj, 2009.
[2] B. BIAŁKO: System pompy ciepła współpracującej z dolnym źródłem ciepła o nazwie Źródło Ciepła i Chłodu ZCC Nanoterm. Wrocław. 2011.
[3] M. RUBIK: Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej. MULTIKO Oficyna Wydawnicza. Warszawa. 2011.
[4] S. SANDLER: Projekt pionowego gruntowego wymiennika ciepła do pompy ciepła o wydajności 20 kW. Praca projektowa stopnia inżynierskiego. Politechnika Wrocławska. Wrocław. 2013.
[5] http://www.totalgreenus.com
[6] http://www.muovitech.pl/
[7] Katalog rur HDPE www.aqua.lublin.pl/cenniki/Cennik%20na%20rury%20HDPE.pdf
[8] http://www.geothermalgenius.org
[9] http://www.americandreamgeothermal.com
[10] http://www.geoexchange.org

Bogusław BIAŁKO
Zbigniew KRÓLICKI
Stanisława SENDLER
Bartosz ZAJĄCZKOWSKI
Zakład Chłodnictwa i Pomp Ciepła, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów
Politechniki Wrocławskiej

Autorzy dziękują firmie NANOTEL S.A. Wrocław za możliwość przeprowadzenia badań oraz zgodę na publikacje wyników.

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 05/2014