Czynniki robocze dolnych źródeł gruntowych pomp ciepła

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.

Zauważyć należy również, że praca pomp obiegowych zależy od fizykochemicznych właściwości czynnika – chroniących pompę obiegową przed zatarciem.

Kolejną kwestią jest bezpieczeństwo, zarówno użytkownika, jak i środowiska.
Czynnik roboczy powinien być cieczą nietoksyczną, niepalną i w razie jakichkolwiek awarii niemającą negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Zasadniczo jako czynnik roboczy mogłaby być stosowana woda, jednak aby uniknąć jej zamarzania w okresie zimowym, płyny te zawierają dodatki przeciw zamarzaniu.

Aby zapobiec rozwojowi drobnoustrojów i grzybów w przewodach oraz poprawić długotrwałą stabilność tych systemów, dodaje się inhibitory korozji i biocydy (<5% masy) [2].

Związki przeciw zamarzaniu oraz inne dodatki stanowią zagrożenie zanieczyszczenia wód podziemnych. Idealne czynniki robocze stosowane w gruntowych wymiennikach ciepła powinny mieć niską toksyczność oraz łatwo ulegać biodegradacji w warunkach zarówno tlenowych, jak i beztlenowych, bez tworzenia toksycznych i/lub trwałych związków pośrednich.

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.

Substancje te mają szerokie zastosowanie w lotnictwie do odladzania samolotów i pasów startowych – stanowiąc poważne zagrożenie dla okolic lotnisk (oddziaływanie wiatru i innych zjawisk atmosferycznych).

Obie substancje są całkowicie rozpuszczalne w wodzie, a ich współczynniki podziału znikome [3]. Stanowi to poważne zagrożenie dla wód gruntowych poprzez zjawisko bioakumulacji.

Zgodnie z profilem toksykologicznym opublikowanym przez Agencję ds. Substancji Toksycznych i Rejestracji Chorób (ATSDR) oraz Agencję Ochrony Środowiska (EPA – federalną agencję Stanów Zjednoczonych) [4, 5] glikol etylenowy i propylenowy to bezbarwne substancje syntetyczne absorbujące wodę, bezwonne i bezzapachowe.

Glikol etylenowy rozproszony w powietrzu ulega degradacji w ciągu ok. 10 dni, natomiast w wodzie i glebie w okresie od kilku dni do kilku tygodni.

Z kolei glikol propylenowy rozproszony w powietrzu ulegnie degradacji w ciągu 24–50 h, natomiast w wodzie lub glebie – od kilku dni do kilku tygodni.

Należy pamiętać, że substancje te obniżają temperaturę zamarzania cieczy roboczej, ale też znacząco zmniejszają jej przewodność cieplną.

Powszechnie stosowane w przemyśle, ogrzewnictwie i chłodnictwie czynniki robocze mogą przedostać się do środowiska naturalnego m.in. na skutek awarii.

Uważany za toksyczny glikol etylenowy jest coraz częściej zastępowany przez glikol propylenowy – bezpieczniejszy, jednak o znacznie gorszych właściwościach cieplnych.

Naukowcy przeprowadzili szereg badań związanych z biodegradacją glikolu etylenowego oraz propylenowego, zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych [2, 5–10]. Badania literaturowe i eksperymenty z użyciem materiału wodonośnego wykazały, że zarówno glikol etylenowy, jak i propylenowy są łatwo biodegradowalne w wielu środowiskach tlenowych i beztlenowych, w tym w próbkach gleby i warstwie wodonośnej, bez występowania toksycznych lub trwałych organicznych związków pośrednich [2].

Choć brakuje dostępnych danych na temat kinetyki degradacji beztlenowej w wodach gruntowych, nie należy spodziewać się trwałego skażenia – biorąc pod uwagę małe ilości cieczy stosowane w wymiennikach gruntowych zagrożenia dla jakości wód są bardzo niskie.

Należy przeprowadzić dalsze badania dotyczące tożsamości, toksyczności i oddziaływania na środowisko dodatków w mieszaninach przeciw zamarzaniu. Ryzyko środowiskowe jest więc głównie powiązane z dodatkami stosowanymi w płynach zabezpieczających przed zamarzaniem. Szczególnie składniki stosowane jako biocydy lub inhibitory korozji mogą mieć wpływ na mikrobiologię podpowierzchniową oraz w znacznym stopniu hamować biodegradację glikoli [11].

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