Załóż konto na portalu i bezpłatnie pobierz wydanie Rynku Instalacyjnego 7-8/2018

Czynniki robocze dolnych źródeł gruntowych pomp ciepła

Working fluids of the ground heat pumps’ lower sources
Zasada działania pompy ciepła
Zasada działania pompy ciepła
Rys.: BWP, PORT PC (archiwum Eksperta Budowlanego)

Głównym powodem stosowania glikolu propylenowego w pionowych sondach gruntowych jest obawa przed zamarzaniem dolnego źródła. Obecnie dostępne są już metody umożliwiające projektantom szczegółową analizę możliwości energetycznych gruntu. Jest to szczególnie ważne przy projektowaniu dużych obiektów o znacznym zapotrzebowaniu na energię grzewczą oraz chłodniczą. Zastosowanie nanofluidów lub wody jako czynnika roboczego pozwala na znaczne ograniczenie kosztów eksploatacji systemu, a w przypadku wody także na oszczędności inwestycyjne oraz wyeliminowanie ryzyka zanieczyszczenia środowiska naturalnego przez stosowane dodatki do glikolu.

streszczenie

W artykule scharakteryzowano właściwości dostępnych na rynku czynników roboczych stosowanych w instalacjach dolnych źródeł pomp ciepła oraz możliwości, jakie niesie za sobą wykorzystanie nowoczesnych cieczy roboczych zwanych nanofluidami.

Omówiono problem zanieczyszczenia wód podziemnych różnymi środkami przeciwzamrożeniowymi, takimi jak glikol propylenowy oraz glikol etylenowy. Przeprowadzono analizę pracy przykładowego dolnego źródła gruntowej pompy ciepła pracującego na różnych czynnikach roboczych.



abstract

In the article, the characteristics of commercially available working fluids used in the installations of the ground heat pumps’ lower sources have been presented and the possibilities offered by the new working fluids called nanofluids have been characterized.

The problem of the groundwater pollution by the various anti-freezing agents, such as the propylene glycol and the ethylene glycol, has been discussed. An operation analysis of the lower source of the ground heat pump was performed assuming the use of various circuit fluids.

 

W artykule:

• Wymagania dotyczące czynników roboczych w pompach ciepła
• Stosowane w praktyce dodatki przecizamrożeniowe i ich biodegradowalność
• Nanofluidy czynnikami roboczymi przyszłości
• Parametry termiczne cieczy roboczych dostępnych na rynku
• Analiza pracy dolnego źródła pompy ciepła w oparciu o różne czynniki robocze
• Analiza kosztów pompowania wody i glikolu propylenowego

W budownictwie, jak i w wielu sektorach przemysłu, dostarczanie i odprowadzanie ciepła jest istotnym zagadnieniem. Ze względu na wzrost zapotrzebowania na energię na świecie i ograniczone zasoby źródeł o wysokiej entalpii niezwykle ważne stało się wykorzystanie niskotemperaturowych źródeł energii oraz intensyfikacja procesu wymiany ciepła.

Znaczącą barierą dla polepszenia wymiany ciepła w wymiennikach są słabe właściwości cieplne konwencjonalnych czynników przenoszących ciepło. Obecnie badacze pracują nad udoskonaleniem czynników roboczych stosowanych w układach niskotemperaturowych źródeł ciepła, sugerując, że poprawa parametrów cieplnych czynnika roboczego wpłynie na jakość wymiany ciepła.

Szczególne znaczenie w wykorzystywaniu energii o niskiej entalpii mają gruntowe pompy ciepła.

Projektowanie gruntowych wymienników dla pomp ciepła stanowi istotną część projektu. Procedura projektowania, wybór metody wiercenia i wypełnienia otworu są w dużej części składowymi kosztów ogólnych całego systemu pompy ciepła. Co ważne, kluczowe jest również zapewnienie optymalnego efektu długoterminowego.

Całkowita długość gruntowego wymiennika ciepła zależy od różnicy pomiędzy temperaturą płynu roboczego a temperaturą gruntu.

Zgodnie z praktyką przyjętą w krajach Europy Środkowej i Północnej (tj. w Niemczech, Norwegii i Szwecji), gdzie klimat jest dość zimny, a temperatura powietrza w sezonie grzewczym osiąga wartości poniżej 0°C, mieszanki przeciwdziałające zamarzaniu są często stosowane w celu zmniejszenia całkowitych kosztów instalacji [1]. Prowadzi to bowiem do większej różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym a gruntem. Stosowanie w tych rejonach płynów przeciw zamarzaniu (z konsekwentną redukcją całkowitej długości wymiennika) umożliwia osiągnięcie minimalnej temperatury czynnika około 0°C lub niższej i teoretycznie zmniejszenie kosztów instalacji pompy ciepła.

Możliwości takie daje stosowanie mieszanin na bazie glikolu. Jednak ze względu na niestabilność zawiesin stałych, wzrost oporów i ryzyko zanieczyszczenia wody gruntowej stosowanie tych cieczy jest problematyczne.

Czynniki robocze

Wymagania dotyczące czynników roboczych w pompach ciepła

Powszechnie stosowane czynniki krążące w dolnym źródle pomp ciepła nazywane są solankami. Nazwa ta powstała, kiedy do napełniania gruntowych wymienników ciepła używano roztworu soli NaCl. Ze względu na ich korozyjny charakter sole te zastąpiono glikolami o różnym stężeniu. Obecnie stosowane są glikole etylenowe oraz propylenowe.

Czynnik roboczy w dolnym źródle gruntowej pompy ciepła powinien spełniać określone właściwości.

Podstawowym parametrem charakteryzującym właściwości czynnika roboczego jest temperatura krzepnięcia. Prawidłowo zaprojektowane dolne źródło pompy ciepła w okresie największego zapotrzebowania nie powinno wychładzać się do temperatury poniżej 0°C.

Należy jednak mieć na uwadze, że zagrożenie zamarznięcia wymiennika, którego projektowanie oparto jedynie na założeniach dotyczących parametrów gruntu, jest bardzo duże. W praktyce stosuje się czynniki, których temperatura zamarzania wynosi ok. –12°C.

Innymi właściwościami charakteryzującymi czynnik roboczy jest lepkość oraz gęstość. Zastosowany czynnik roboczy powinien mieć wartości tych parametrów zbliżone do wody. Mają one bezpośredni wpływ na opory przepływu w dolnym źródle.

Jednym z elementów instalacji dolnego źródła jest parownik. Aby zachować efektywność wymiany ciepła na tym wymienniku oraz odpowiednie opory przepływu, czynnik roboczy nie może mieć właściwości korozyjnych.

[...]

Stosowane w praktyce dodatki przecizamrożeniowe i ich biodegradowalność

Jednym z najczęściej stosowanych dodatków przeciwzamrożeniowych są glikole: etylenowy oraz propylenowy.

Oba te czynniki są wysoko chemicznymi substancjami stosowanymi jako środki ochrony zamrożeniowej przy produkcji polimerów, farb, lakierów oraz innych wyrobów, których produkcja uważana jest za niekorzystną dla środowiska.

[...]

Nanofluidy czynnikami roboczymi przyszłości?

Na świecie cały czas trwają badania nad intensyfikacją wymiany ciepła w gruntowych wymiennikach pomp ciepła, m.in. poprzez zmianę konstrukcji sond pionowych, możliwość ta jest jednak ograniczona ze względu na niewielkie średnice wymienników. Coraz częściej badacze skupiają się więc na poprawie właściwości termicznych czynników roboczych np. poprzez dodanie cząstek stałych do roztworu.

[...]

Analiza pracy dolnego źródła pompy ciepła w oparciu o różne czynniki robocze

Analizę pracy dolnego źródła gruntowej pompy ciepła przeprowadzono w programie Earth Energy Designer (EED).

[...]

Literatura

1. Emmi G., Zarrella S., De Carli M., Dona M., Galgaro A., Energy performance and cost analysis of some borehole heatexchanger configurations with different heat-carrier fluids in mildclimates, „Geothermics” 65, 2017, p. 158–169.
2. Klotzbucher T., Kappler A., Straub K.L., Haderlein S.B., Biodegradability and groundwater pollutant potential of organic anti-freeze liquids used in borehole heat exchangers, „Geothermics” 36, 2007, p. 348–361.
3. Toxicological profile for ethylene glycol and propylene glycol, US Department of Health and Human Services, Agency for Toxic Substances and Disease Registry, Atlanta, GA, USA, 1997, p. 287, published online as pdf.
4. EPA, 2006. Reregistration Eligibility Decision For Propylene Glycol and Dipropylene Glycol, United States Environmental Protection Agency, Washington, D.C. 20460, USA, 287 pp., published online as pdf.
5. Gaston L.W., Stadtman E.R., Fermentation of ethylene glycol by Clostridium glycolicum, sp. nov., „J. Bacteriol.” 85, 1963, p. 356–362.
6. Jaesche P., Totsche K.U., Kögel-Knabner I., Transport and anaerobic biodegradation of propylene glycol in gravel-rich soil materials, „J. Contam. Hydrol.” 85, 2006, p. 271–286.
7. Johnson J.J., Varney N., Switzenbaum M.S., Comparative toxicity of formulated glycol deicers and pure ethylene glycol and propylene glycol, Report submitted to the University of Massachusetts, Amherst, MA, USA, Water Resources Research Center, August 2001, p. 60.
8. Kaplan D.L., Walsh J.T., Kaplan A.M., Gas chromatographic analysis of glycols to determine biodegradability, „Environ. Sci. Technol.” 16, 1982, p. 723–725.
9. Sorensen J.A., Gallagher J.R., Hawthorne S.B., Aulich T.R., Final report (2000-EERC-10-04) for the Gas Industry Groundwater Research Program, Energy & Environment Research Center, University of North Dakota, Grand Forks, ND, USA, 2000, p. 80.
10. McGahey C., Bouwer E.J., Biodegradation of ethylene glycol in simulated subsurface environments, „Water Sci. Technol.” 26, 1992, p. 41–49.
11. Klotzbücher T., Kappler A., Straub K.L., Haderlein S.B., Biodegradability andground water pollutant potential of organic anti-freeze liquids used inborehole heat exchangers, „Geothermics” 36, 2007, p. 348–361.
12. Doneshipour M., Rafee R., Nanofluids as the circuit fluids of the geothermal borehole heat exchangers, „International Communications in Heat and Mass Transfer” 81, 2017, p. 34–41.
13. Fotukian S.M., Nasr Esfahany M., Experimental study of turbulent convective heat transfer and pressure drop of dilute CuO/water nanofluid inside a circular tube, „International Communications in Heat and Mass Transfer” 37, 2010, p. 214–219.
14. S.U.S. Choi, Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles, „Developments and Applications of Non-Newtonian Flows” FED-vol. 231/MD-vol. 66, ASME, New York, 1995, p. 99–105.
15. Szulgowska-Zgrzywa M., Stefanowicz E., Konfiguracja odwiertów oraz obciążenia cieplnego i chłodniczego obiektu a parametry pracy dolnego źródła pompy ciepła glikol/woda, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2017, s. 84–88.
16. Haller M.Y., Dott R., Ruschenburg J., Ochs F., Bony J., The Reference Framework for System Simulations of the IEA SHC Task 44/HPP Annex 38, Part A: General Simulation Boundary Conditions. Technical report, International Energy Agency, 2013.

Czytaj też: Wydajność pracy instalacji z gruntowymi pompami ciepła >>>

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!
Ten artykuł jest PŁATNY. Aby go przeczytać, wykup dostęp.
DOSTĘP ABONAMENTOWY
DOSTĘP SMS
Dostęp za pomocą SMS czasowo zawieszony







Reklamacje usługi prosimy zgłaszać przez formularz reklamacyjny
Masz już abonament - zaloguj się:
:
:
zapomniałem hasła
Nie posiadasz konta - kliknij i załóż »
Nie masz abonamentu - wykup dostęp:
Abonament umożliwia zalogowanym użytkownikom dostęp do wszystkich płatnych treści na naszym portalu.
Dostępne opcje abonamentowe:
Bezpłatny dostęp dla prenumeratorów magazynu (365 dni) - 0,00 zł
Dostęp do treści elektronicznych portalu rynekinstalacyjny.pl dla prenumeratorów miesięcznika "Rynek Instalacyjny", którzy mają opłaconą roczną prenumeratę papierową.
Bezpłatny dostęp dla prenumeratorów magazynu (730 dni) - 0,00 zł
Dostęp do treści elektronicznych portalu rynekinstalacyjny.pl dla prenumeratorów miesięcznika "Rynek Instalacyjny", którzy mają opłaconą 2-letnią prenumeratę papierową.
Pakiet: roczna prenumerata papierowa (10 numerów) + roczny dostęp do portalu - 130,00 zł
Prenumerata + dostęp do treści portalu ► ZAMÓW
Pakiet: dwuletnia prenumerata papierowa (20 numerów) + dwuletni dostęp do portalu - 240,00 zł
Prenumerata + dostęp do treści portalu ► ZAMÓW
Prenumerata edukacyjna - wersja papierowa + NOWOŚĆ: roczny dostęp do portalu - 90,00 zł
dla studentów: prenumerata + dostęp do treści portalu
Prenumerata elektroniczna (30 dni) - 18,00 zł
30-dniowy dostęp do wszystkich płatnych treści portalu
Prenumerata elektroniczna (365 dni) - 98,00 zł
Roczny dostęp do wszystkich płatnych treści portalu
Prenumerata elektroniczna (730 dni) - 180,00 zł
Dostęp dwuletni do wszystkich treści publikowanych w portalu
Bezpłatny dostęp dla prenumeratorów magazynu (30 dni) - 0,00 zł
Bezpłatny dostęp dla prenumeratorów magazynu (30 dni), tylko w ramach promocji redakcyjnych.
Regulamin korzystania z portalu RynekInstalacyjny.pl - zobacz regulamin
Uwagi prosimy zgłaszać na adres:
   30.10.2017
dr inż.  Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa
dr inż.  Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa
Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska więcej »
inż.  Krzysztof  Piechurski
inż.  Krzysztof  Piechurski
Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Wrocławska więcej »
mgr inż.  Ewelina  Stefanowicz
mgr inż.  Ewelina  Stefanowicz
Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Wrocławska więcej »

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie

 


Zdradzamy sposób na projektowanie instalacji najwyższej jakości »

projektowanie

 



Z jakiego powodu tworzywa sztuczne zdominowały rynek wod-kan » Jak bez problemowo przeprowadzić iniekcję mikropali, kotew i gwoździ gruntowych »
bezpieczeństwo instalatora pomoc w projektowaniu
czytam więcej » poznaj go dziś »

 


Czy można dobrze odseparować wodę kanalizacyjną od gruntowej »

innowacyjne projektowanie

 



Poznaj bezpieczne systemy do dezynfekcji wody pitnej i basenowej » Jak zabezpieczyć wentylatory dachowe »
czysta woda wentylator dachowy
wiem więcej » spróbuj już dziś »

 


Przedłuż certyfikat HVAC bez wychodzenia z firmy »

szkolenia hvac

 



Czy łatwo zainstalować podwieszaną toaletę » Z jakego powodu ta pompa wyprzedza przyszłość »
podwieszana toaleta pompy ciepła
wiem więcej » wiem więcej »

 


Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »

Co Szperacz wyszperał ;-)

źle wykonana instalacja

Sztywniactwo i niechlujstwo - zobacz i skomentuj »

Dla tych, którzy szukają bardziej elektryzujących wrażeń Szperacz ma dziś coś specjalnego - rozdzielnia w toalecie.

zaślepka


TV Rynek Instalacyjny


 tv rynek instalacyjny
9/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 9/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Dofinansowanie ogrzewania i fotowoltaiki
  • - Eksploatacja gruntowych pomp ciepła
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright © 2011 - 2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl