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 >>>