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

Metody wyznaczania parametrów gruntu do projektowania pionowych wymienników dla pomp ciepła solanka/woda

Methods for determining ground parameters for designing vertical ground heat exchangers for brine/water heat pumps
W artykule przedstawiono metodę wyznaczania parametrów gruntu do projektowania instalacji pionowych gruntowych wymienników ciepła do pomp ciepła dzięki zastosowaniu testu odpowiedzi termicznej gruntu.
W artykule przedstawiono metodę wyznaczania parametrów gruntu do projektowania instalacji pionowych gruntowych wymienników ciepła do pomp ciepła dzięki zastosowaniu testu odpowiedzi termicznej gruntu.
Fot. archiwum redakcji RI

Dla prawidłowego zaprojektowania wymiennika gruntowej pompy ciepła konieczna jest znajomość właściwości termicznych gruntu. Testy odpowiedzi termicznej opracowane w Europie przekształciły się w rutynowe narzędzie do projektowania dolnych źródeł gruntowych pomp ciepła na całym świecie. Warunkiem uzyskania prawidłowego wyniku jest duża dokładność wykonywania pomiarów temperatury, staranna konfiguracja sprzętu testowego oraz odpowiednio dobrany czas trwania testu.

W artykule:

• Uproszczone metody wyznaczania parametrów gruntu
• Odwiert pilotażowy
• Test odpowiedzi termicznej
• Przebieg testu TRT

streszczenie

W artykule przedstawiono metodę wyznaczania parametrów gruntu do projektowania instalacji pionowych gruntowych wymienników ciepła do pomp ciepła dzięki zastosowaniu testu odpowiedzi termicznej gruntu. Pozwala ona na wyznaczenie przewodności cieplnej gruntu oraz oporu cieplnego odwiertu, będących najważniejszymi parametrami uwzględnianymi przy projektowaniu dolnego źródła tego rodzaju. W artykule przedstawiono przykładowe wyniki testu oraz najbardziej powszechną metodę analizy danych bazującą na modelu nieskończonego liniowego źródła ciepła. Omówiono również wyniki pomiaru niezakłóconej temperatury gruntu. Wskazano na wady i zalety testu oraz zakłócenia mające istotny wpływ na wynik pomiarów. Zaprezentowano możliwe kierunki rozwoju metod testowania parametrów gruntu.



abstract

The article presents a method for determining ground parameters for designing vertical heat exchangers using the Thermal Response Test method. It allows to determine the thermal conductivity of the ground and the thermal resistance of the borehole, which are the most important parameters taken into account when designing the ground heat source parameters. The authors presented examples of tests results and the most common method of data analysis, which is based on the infinite linear heat source model. The undisturbed ground temperature measurement results were also discussed. The test’s advantages, disadvantages and disturbances that have a significant impact on the results have been emphasised. Possible directions of development of ground source parameters testing methods were presented.

Liczba montowanych pomp ciepła z gruntowym pionowym wymiennikiem ciepła w Polsce stale rośnie. Aby przynosiły one oczekiwany efekt energetyczny i nie oddziaływały negatywnie na środowisko, konieczne jest jednak ich uważne projektowanie. Dla prawidłowego zaprojektowania wymiennika gruntowej pompy ciepła konieczna jest znajomość właściwości termicznych gruntu.

Jednym z najważniejszych parametrów gruntu jest jego przewodność cieplna. Parametr ten zależy od rodzaju grup petrologicznych gruntu na danym terenie oraz gęstości i wilgotności, dlatego jego wyznaczenie jest zagadnieniem trudnym, a ryzyko możliwości popełnienia błędu jest bardzo duże.

Większość narzędzi pozwalających na symulację pracy wymiennika pompy ciepła wymaga wprowadzenia, oprócz przewodności cieplnej, dodatkowych parametrów, m.in. pojemności cieplnej, dyfuzyjności cieplnej, temperatury powierzchni gruntu, poziomu jego wilgotności, ciepła właściwego czy niezakłóconej temperatury gruntu. Obecnie nie ma narzędzi, które pozwoliłyby na szybkie i tanie wyznaczenie tych parametrów, dlatego naukowcy cały czas pracują nad metodą testowania gruntu, która umożliwi obliczenie jego wszystkich parametrów cieplnych.

Należy pamiętać, że grunt jest formą niejednorodną, jego parametry zmieniają się wraz z głębokością, a przepływ ciepła nie odbywa się tylko na drodze przewodzenia – może mieć na niego wpływ obecność wód gruntowych czy adwekcja (ruch poziomy).

Posiadanie prawidłowych informacji o parametrach gruntu umożliwia zaprojektowanie dolnego źródła w sposób odpowiadający potrzebom pompy ciepła i środowiska naturalnego.

W małych układach gruntowych pomp ciepła (PCG) parametry te są zwykle szacowane na podstawie danych literaturowych. Jednak w przypadku dużych instalacji należy je wyznaczać dokładnie, np. mierzyć w miejscu planowanej instalacji.

Obecnie jako metodę stosowaną rutynowo do projektowania większych instalacji PCG, umożliwiającą wymiarowanie instalacji w oparciu o wiarygodne dane, wykorzystuje się test odpowiedzi termicznej gruntu (TRTThermal Response Test).

Uproszczone metody wyznaczania parametrów gruntu

Punktem wyjścia do projektowania gruntowego wymiennika ciepła dla pomp ciepła o małych mocach (np. instalacji zasilających domy jednorodzinne i małe obiekty mieszkalne czy usługowe) są założenia przyjęte na podstawie wytycznych producentów oraz danych literaturowych [1, 2]. Są to metody obarczone dużym błędem, o czym pisano w artykule [3].

Nieco dokładniejsze obliczenia można wykonać w sytuacji, gdy znany jest profil geologiczny gruntu. Możliwe jest wtedy obliczenie średniego współczynnika przewodzenia ciepła gruntu [λ, W/(m·K)], który posłuży do wyznaczenia jednostkowego uzysku ciepła (qv, W/m2).

Dla małych systemów pomp ciepła wykonanie odwiertu pilotażowego dla uzyskania dokładnej informacji o profilu geologicznym jest nieopłacalne.

W przypadku braku danych na temat rodzaju gruntu na terenie, którego dotyczy projekt instalacji, przyjęcie wartości współczynnika przewodzenia ciepła odbywa się na podstawie map geologicznych dostępnych np. w Centralnej Bazie Danych Geologicznych.

Należy zwrócić uwagę, że taka metoda pozyskiwania danych daje bardzo niepewne wyniki. Brak precyzji w przyjmowaniu rodzaju gruntu oraz jego wilgotności może prowadzić do znaczących niedokładności w obliczeniu wartości współczynnika przewodzenia ciepła, a to właśnie na tej podstawie możliwe jest odczytanie jednostkowej wydajności cieplnej gruntu (qv).

Istnieją różne wytyczne opisujące zależność jednostkowej wydajności cieplnej gruntu (qv) od wartości współczynnika przewodzenia ciepła gruntu (λ).

Na rys. 1 za wytycznymi PORT PC cz. 1 [2] pokazano zależność qv = f(λ), podawaną przez normę SIA 386/4 i wytyczne VDI 4640 (dla 1800 godzin pracy dolnego źródła z pełną mocą) oraz zalecenia wg B. Sannera (dla 2000 godzin pracy dolnego źródła z pełną mocą).

Rys. 1. Wyznaczenie wartości jednostkowego uzysku ciepła na podstawie średniej wartości współczynnika przewodzenia ciepła według wybranych metod [2]
Rys. 1. Wyznaczenie wartości jednostkowego uzysku ciepła na podstawie średniej wartości współczynnika przewodzenia ciepła według wybranych metod [2]

Skutkiem braku precyzji w przyjmowaniu rodzaju gruntu, jego wilgotności oraz stosowania różnych wytycznych mogą być różnice w wyznaczonej wartości qv, sięgające nawet 50% [3]. Będzie to miało odzwierciedlenie nie tylko w wielkości dolnego źródła, a co za tym idzie kosztach inwestycyjnych, ale również w długofalowej pracy całej instalacji PCG.

Odwiert pilotażowy

Dobrym narzędziem do projektowania sond gruntowych jest otwór pilotażowy.

Wiercenie otworu pilotażowego z odpowiednią kontrolą geologiczną dostarcza wielu informacji dotyczących litologii skał, stopnia uziarnienia gruntu i hydrogeologii. Pozwala to na dobór odpowiedniej techniki wiercenia, średnicy otworu czy prędkości wiercenia [1].

Odwierty pilotażowe pozwalają również na dokładniejszą ocenę kosztów inwestycyjnych, ponieważ koszty wykonania odwiertów w dużym stopniu zależą od jakości gruntu na danym terenie.

Dane dotyczące profilu geologicznego mogą służyć do odczytania wartości współczynników λ dla poszczególnych warstw gruntu z literatury, obliczenia średniej wartości λ oraz odczytania, według wybranej normy, wartości jednostkowego uzysku ciepła z badanego odwiertu. Przykład takich obliczeń autorzy przedstawili w artykule [3].

Na podstawie informacji z przykładowego odwiertu pilotażowego ustalono warstwy gruntu oraz ich przewodność cieplną.

Należy tutaj podkreślić brak informacji o poziomie nasycenia poszczególnych warstw. W przytoczonej analizie autorzy porównali wyznaczoną przewodność cieplną dla gruntu średnio nasyconego oraz nasyconego – uzyskali różnice w wynikach rzędu 30%.

Wartości przewodności cieplnej gruntu o różnym stopniu nasycenia można znaleźć w literaturze. Na przykład przewodność cieplna suchego piasku wynosi 0,4 W/(m K), a dla nasyconego osiąga 2,4 W/(m K) [2].
Różnica w jednostkowym uzysku ciepła (qv) dla suchego i nasyconego piasku wynosi ok. 20 W/m. Przyjęcie niewłaściwych założeń może powodować znaczne wychłodzenie dolnego źródła w pierwszych latach funkcjonowania systemu.

Zatem podstawowym problemem w analizie danych uzyskanych z odwiertu pilotażowego jest brak znajomości poziomu wilgotności gruntu.

Podkreślić należy, że odwiert pilotażowy może również służyć do montażu wymiennika w celu wykonania testów TRT (testów odpowiedzi termicznej), co w pewien sposób eliminuje ten problem, choć niestety nie rozwiązuje go całkowicie. Również TRT ma w tym zakresie pewne obwarowania.

(...)

Literatura

1. Szulgowska-Zgrzywa M., Stefanowicz E., Konfiguracja odwiertów oraz obciążenie cieplne i chłodnicze obiektu a parametry pracy dolnego źródła pompy ciepła glikol/woda, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2017.
2. PORT PC, VDI 4650 Wytyczne projektowania, wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła. Cz. 1. Dolne źródła ciepła, wyd. 1/2013.
3. Stefanowicz E., Fidorów-Kaprawy N., The influence of the ground parameters’ assumptions on the low enthalpy heat pump’s energy source simulation’s results, E3S Web of Conferences, Vol. 17, 00087, 2017.
4. Spitler J.D., Gehlin S.E.A., Thermal response testing for ground source heat pump systems – An historical review, „Renewable and Sustainable Energy Review” 50, 2015, p. 1125–1137.
5. Ingersoll L.R., Plass H.J., Theory of the ground pipe source for the heat pump, ASHRAE, Trans. 54, 1948, p. 339–348.
6. Sanner B, Hellstrom G., Spitler J., Gehlin S., Thermal Response Test – Current Status and World-Wide Application, World Geothermal Congress, 2005.
7. Skouby A., Thermal Conductivity Testing, „The Source” 11–12, 1998.
8. Spitler J.D., Rees S., Yavuzturk C., More Comments on In-situ Borehole Thermal Conductivity Testing, „The Source” 3–4, 1999.
9. Smith M., Comments on In-Situ Borehole Thermal Conductivity Testing, „The Source” 1–2, 1999.
10. Luo J., Tuo J., Huang W., Zhu Y., Jiao Y., Xiang W., Rohn J., Influence of groundwater levels on effective thermal conductivity of the ground and heat transfer rate of borehole heat exchangers, „Applied Thermal Engineering” Vol. 128, 2018, p. 508–516.
11. Austin W.A., Yavuzturk C., Spitler J. D., Development of an in-situ system for measuring ground thermal properties, ASHRAE Transactions 106(1), 2000, p. 365–379.
12. Gehlin S., Thermal response test, in-situ measurements of thermal properties in hard rock, Licentiate Thesis, Lulea University of Technology, Department of Environmental Engineering, Division of Water Resources Engineering, 1998:37.
13. Kavanaugh S.P., Xie L., Martin C., Investigation of methods for determining soil and rock formation thermal properties from short-term field tests, ASHRAE 1118-TRP, 2001.
14. Smith M., Perry R., In-situ testing and thermal conductivity testing, Proceedings of the Geoexchange Technical Conference and Exposition, Oklahoma State University, Stillwater, Oklahoma, May 16–19, 1999.
15. Beier R.A., Smith M.D., Minimum duration of in-situ tests on vertical boreholes, ASHRAE Transactions 109(2), 2003, p. 475–486.
16. Signorelli S., Bassetti S., Pahud D., Kohl T., Numerical evaluation of thermal response tests, “Geothermics” 36, 2007, p. 141–166.
17. Acuña J., Mogensen P., Palm B., Distributed thermal response test on a u-pipe borehole heat exchanger, „Applied Energy” 109, 2009.

Czytaj też: Czynniki robocze dolnych źródeł gruntowych pomp ciepła >>>

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!

[energia, pompy ciepła, gruntowe pompy ciepła, pionowe wymienniki ciepła]

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:
   16.07.2018
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
10/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 10/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Ogrzewanie obiektów przemysłowych
  • - Wentylacja domów jednorodzinnych
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