Monitoring temperatury w pionowym odwiercie pompy ciepła

Istnieją liczne narzędzia do analizy temperatury gruntu [1], prowadzone są symulacje [2] i tworzone modele opisujące wymianę ciepła w wymiennikach gruntowych [3]. Badania eksperymentalne dotyczące zmian temperatury w odwiertach są znacznie rzadsze.

W literaturze można spotkać pomiary niezakłóconych profili temperatury gruntu na dużych głębokościach [4], m.in. przed wykonaniem testu odpowiedzi gruntu [5], brakuje natomiast profili wyznaczonych w trakcie pracy układu, przykładowo w pracy [6] pokazano stanowisko, za pomocą którego można monitorować temperaturę odwiertu pompy ciepła, ale nie zaprezentowano profili temperatury.

W artykule zastosowano następujące oznaczenia:

• CTG (3 m) – czujnik temperatury gruntu (głębokość pomiaru);
• t_z, °C – temperatura zasilania solanki;
• t_p, °C – temperatura powrotu solanki;
• T_zew, °C – temperatura zewnętrzna;
• λ, W/(m · K) – współczynnik przewodzenia ciepła gruntu;
• q, W/mb. – jednostkowa moc odwiertu.

Instalacja pompy ciepła

Zaprezentowane w artykule wyniki opracowano na podstawie badań przeprowadzonych na instalacji pompy ciepła solanka/woda z możliwością regeneracji dolnego źródła.

Instalacja badawcza znajduje się w Świdnicy (50°51” N, 16°29” E). Na stanowisku pracuje pompa ciepła o mocy 17 kW i katalogowym COP równym 4,4 (dla parametrów B0/W35).

Dolne źródło zaprojektowano tak, by umożliwić regenerację odwiertów pionowych poprzez pracę kolektorów słonecznych oraz free cooling realizowany za pomocą systemu ogrzewania podłogowego lub chłodnicy w centrali wentylacyjnej. Uproszczony schemat stanowiska przedstawiono na rys. 1.

Dolne źródło pompy ciepła stanowi pięć odwiertów o długości ok. 80 m każdy. Na rys. 2 pokazano profil geologiczny jednego z odwiertów (wybranego do analiz ze względu na niezakłócone pomiary temperatury ze wszystkich czujników zainstalowanych w odwiercie) wraz z rozmieszczeniem aparatury pomiarowej.

Profile geologiczne wszystkich odwiertów w systemie są bardzo podobne. W trakcie badań mierzony był przepływ oraz temperatura na wejściu i wyjściu z odwiertu. Zastosowano przepływomierze elektromagnetyczne o dokładności pomiaru 1,0% oraz czujniki temperatury o dokładności pomiaru różnicy temperatury 0,02 K.

Sonda pionowa została opomiarowana za pomocą 16 czujników temperatury gruntu Pt 1000, klasy B (dopuszczalne odchylenie ± 0,3 K, niepewność standardowa pomiaru typu B to 0,17 K) rozmieszczonych co 5 m.

Obliczenia średniego ważonego współczynnika przewodzenia gruntu

Na podstawie znajomości profilu geologicznego obliczono średnią ważoną współczynnika przewodzenia ciepła gruntu w odwiercie i wyznaczono obliczeniową wydajność cieplną gruntu [7].

Obliczeń dokonano w dwóch wariantach, przyjmując różne założenia, a projektowe wydajności cieplne gruntu wyznaczono w oparciu o wartości zalecane przez Polską Organizację Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC) oraz austriacką normę SIA 386/4.

W wariancie 1 współczynniki przewodzenia ciepła przyjęto następująco: dla żwiru jako średnią między żwirem suchym a nasyconym, dla szarej gliny zapiaszczonej jako średnią między gliną o wilgotności 10% a wilgotnym piaskiem, dla iłu jak dla iłu wilgotnego, a dla iłów szaroniebieskich z wkładkami granitu założono 10% wkładek.

W wariancie 2 współczynniki przewodzenia ciepła przyjęto: dla żwiru jak dla żwiru nasyconego, dla szarej gliny zapiaszczonej jako średnią między gliną o wilgotności 50% a wilgotnym piaskiem, dla iłu jak dla iłu wilgotnego, a dla iłów szaroniebieskich z wkładkami granitu założono 30% wkładek.

Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 1. Obliczone wartości pokazują, że nawet znając profil geologiczny odwiertu, można uzyskać różne wartości wydajności cieplnej gruntu przyjmowanej do projektowania dolnego źródła ciepła pompy ciepła.

Wyniki pomiarów

Na rys. 3 zaprezentowano profile temperatury odwiertu w istotnych momentach sezonu grzewczego. Profile „start” i „stop” opisują stan odwiertu odpowiednio dla daty początkowej i końcowej opisanej pod każdym z profili.

Punktem odniesienia dla prowadzonych pomiarów był profil „bazowy” temperatury wyznaczony przed uruchomieniem pompy ciepła w sezonie grzewczym 2012/2013. Średnia temperatura odwiertu wynosiła wtedy 11,3°C.

21 listopada 2012 r. pompa ciepła została uruchomiona i pracowała do 22 stycznia 2013 r. Na rysunku widoczne jest wychłodzenie gruntu wynikające z jego obciążenia pracą pompy ciepła (średnia temperatura odwiertu: 7,1°C). 22 stycznia wyłączono pompę ciepła i pozostawiono odwierty bez obciążenia w celu dokonania pomiaru temperatury nieobciążonego odwiertu w połowie sezonu grzewczego.

Pomimo pozostawienia gruntu bez obciążenia przez około trzy tygodnie nie osiągnięto temperatury profilu bazowego. Średnia temperatura odwiertu przed ponownym uruchomieniem pompy ciepła wynosiła 10,5°C. Pompa ciepła pracowała przez kolejne dwa miesiące.

11 kwietnia 2013 r. średnia temperatura odwiertu wynosiła 8,8°C. W kolejnym dniu zakończono sezon grzewczy. Po ponad miesiącu regeneracji (15 maja) temperatura odwiertu wynosiła 10,5°C. Widoczny jest więc mierzalny spadek temperatury dolnego źródła, średnio o 0,8 K na całej długości odwiertu.

Pompa w trakcie eksperymentu pracowała na cele grzewcze budynku CTE w połączeniu z kotłem opalanym biomasą, w związku z czym jej obciążenie nie było duże. W analizowanym sezonie grzewczym pracowała przez ok. 1000 h, co stanowi połowę dopuszczalnego czasu pracy pompy ciepła solanka/woda.

Rys. 4 przedstawia temperaturę solanki (na wlocie i wylocie z odwiertu) zestawioną z temperaturą w odwiercie (na głębokości: 3 m, 8 m, 13 m, 33 m, 63 m i 78 m) oraz temperaturą zewnętrzną dla okresu 1–14 marca 2013.

Widoczne jest, że temperatura na poziomie 3 m pod ziemią nie zapewnia uzysku energii z odwiertu – jest co prawda wyższa niż temperatura wlotowa, ale niższa niż wylotowa. Pierwsze kilka metrów odwiertu stanowi w badanej instalacji obszar neutralny. Na głębokości 8 i 13 m następuje już podgrzewanie czynnika roboczego – temperatura odwiertu jest wyższa zarówno od temperatury wlotowej, jak i wylotowej solanki.

Rys. 5 prezentuje zmiany jednostkowej mocy cieplnej odwiertu dla okresu 1–14 marca 2013. Obserwować można zakres zmienności chwilowej mocy pobieranej z odwiertu. W cyklu osiągane są wartości 30–40 W/mb., ale średnia moc to ok. 25 W/mb. Na wartość rzeczywistej mocy uzyskiwanej z odwiertu ma wpływ jego struktura geologiczna, ale i średnia długość cyklu pracy pompy ciepła oraz przerwy pomiędzy cyklami.

Rys. 6 pokazuje cykle pracy pompy ciepła dla jednej doby. Widoczne są na nim cykle krótkie, w których daje się uzyskać moc maksymalną ok. 35 W/mb., oraz rzadsze i dłuższe z wyższą maksymalną mocą jednostkową, ok. 38 W/mb.

Obliczone zgodnie z wytycznymi PORT PC wydajności cieplne z odwiertów dobrze korespondują z maksymalnymi mocami obserwowanymi podczas badań.

Obliczenia wykonane według zaleceń austriackiej normy SIA 386/4 są bliższe wartościom średnim uzyskiwanym w cyklu pracy pompy ciepła.

Podsumowanie

W analizowanym sezonie grzewczym zaobserwowano wychłodzenie odwiertu o 0,8 K, przy niezbyt intensywnej eksploatacji (50% zalecanego maksymalnego czasu pracy). Potwierdza to zasadność projektowania źródeł w oparciu o szacowany pobór energii, a nie jedynie maksymalną moc chłodniczą

Zbyt długa eksploatacja pompy ciepła może bowiem doprowadzić do znacznego obniżenia temperatury gruntu wokół odwiertów dolnego źródła.

Obliczone zgodnie z wytycznymi PORT PC wydajności cieplne odwiertów korespondują z maksymalnymi mocami obserwowanymi podczas badań. Widać jednak, że długość cyklu pracy pompy ciepła przekłada się na efektywną moc pobieraną z odwiertu.

Przed rozpoczęciem projektowania większej instalacji z pompą ciepła zasadne jest wykonanie testu odpowiedzi gruntu ze względu na znaczące różnice w wynikach obliczeń w zależności od przyjętych założeń oraz metody obliczeniowej.

Badania wykonano przy współpracy Centrum Technologii Energetycznych w Świdnicy, firm Viessmann oraz Aspol, dzięki finansowaniu z dotacji celowej na dofinansowanie zadania badawczego związanego z rozwojem młodych naukowców (zlecenie nr B20035)

Literatura

1. Katsura T., Nagano K., Takeda S., Method of calculation of the ground temperature for multiple ground heat exchangers, „Applied Thermal Engineering” No. 28 (2008).
2. Stachel, A., Szaflik W., Variation in the ground-temperature profile while absorbing the heat by means of the vertical heat exchanger, „Acta Mechanica Slovaca” No. 3 (2001).
3. Wołoszyn J., Gołaś A., Modelling of a borehole heat exchanger using a finite element with multiple degrees of freedom, „Geothermics” No. 47 (2013).
4. Rybach L., Sanner B., Ground-Source Heat Pump Systems – The European Experience, GHC BULLETIN (2000), Vol. 21, No. 1.
5. Sanner B., Mands E., Sauer M., Grundmann E., Technology, development status, and routine application of Thermal Response Test, Proceedings of the European Geothermal Congress, 2007.
6. Karaback R., Acar S.G., Kumsar H., Gökgöz A., Kaya M., Tülek Y., Experimental investigation of the cooling performance of a ground source heat pump system in Denizli, Turkey, „International Journal of Refrigeration” No. 34 (2010).
7. Lachman P. red., Wytyczne projektowania, wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła: Cz. 1. Dolne źródła pomp ciepła, Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła, Kraków 2013.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!