Przyczyny i skutki przeciążenia dolnego źródła gruntowej pompy ciepła

Causes and consequences of overloading the ground heat exchanger of the heat pump
Zestawienie parametrów pracy gruntowego wymiennika ciepła w poszczególnych wariantach przyjętych do analizy
Zestawienie parametrów pracy gruntowego wymiennika ciepła w poszczególnych wariantach przyjętych do analizy
Fot. Redakcja RI

Stabilna temperatura gruntu na głębokości poniżej 15 m gwarantuje wydajną i ekonomiczną eksploatację gruntowych pomp ciepła. Wymaga to jednak szczególnej uwagi na etapie projektowania i wykonywania wymienników. Ważny jest zatem świadomy wybór wykonawcy z doświadczeniem oraz aktualną wiedzą wiertniczo-geologiczną. Końcowym ogniwem determinującym poprawną pracę układu jest jego eksploatacja, która w dużej mierze zależy od świadomości właściciela instalacji.

Gruntowe pompy ciepła umożliwiają wykorzystanie energii cieplnej zawartej w płytkich warstwach skorupy ziemskiej. Płytka geotermia stanowi wszechobecne, nieograniczone źródło czystej energii wykorzystujące zaabsorbowaną przez grunt energię słoneczną oraz geotermalną. Prawidłowo zaprojektowane, wykonane i eksploatowane systemy gruntowych pomp ciepła charakteryzują się długim czasem eksploatacji i jej niskimi kosztami – w porównaniu do klasycznych systemów ogrzewania i chłodzenia. Ponadto nie generują niskiej emisji, a w połączeniu z ogniwami fotowoltaicznymi możliwe jest całkowite wyeliminowanie emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Pomimo tych zalet rynek gruntowych pomp ciepła w Polsce jest wciąż stosunkowo niewielki (w 2019 roku 5380 instalacji GPC wg PORT PC [1]), głównie ze względu na wysokie koszty inwestycyjne. Duże przyrosty sprzedaży mają natomiast powietrzne pompy ciepła.

Najbardziej rozpowszechnioną technologią pozyskiwania energii zawartej w gruncie są sondy pionowe, zwykle o konstrukcji w kształcie litery U. Sondy mają zazwyczaj długość od 30 do 200 m, a przestrzeń między rurą i gruntem wypełnia się materiałem na bazie bentonitu o wysokiej przewodności cieplnej, co zapewnia odpowiednią wymianę ciepła między sondą a gruntem oraz zmniejsza ryzyko zanieczyszczenia wód gruntowych czynnikiem roboczym. Najpopularniejszym czynnikiem roboczym jest 15-proc. roztwór glikolu propylenowego – w praktyce rzadko stosuje się inne czynniki [2].

Czytaj też: Jakie dolne źródło pompy ciepła dla konkretnej inwestycji? >>

Stabilna temperatura gruntu na głębokości poniżej 15 m gwarantuje wydajną i ekonomiczną eksploatację. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że systemy takie wymagają szczególnej uwagi na etapie projektowania. Praktyka inżynierska w procesie projektowania gruntowego wymiennika ciepła opiera się na wykorzystaniu wskaźników jednostkowego uzysku ciepła z gruntu dla założonej litologii skał na terenie realizacji zadania projektowego. W przypadku dużych instalacji (powyżej 10 odwiertów) przeprowadza się proces dokładniejszej analizy gruntu, wykonuje odwiert pilotażowy, a nawet test odpowiedzi termicznej (TRT). Żadna z tych metod nie daje pewności co do występujących na danym terenie parametrów geofizycznych, jednak zdecydowanie poprawia dokładność przy projektowaniu gruntowego wymiennika ciepła [3]. Na końcowe efekty energetyczne i ekonomiczne eksploatacji systemu nie wpływają jednak tylko założenia projektowe. W celu zapewnienia dobrych warunków transportu ciepła w odwiercie niezbędne jest również zachowanie jak najwyższej jakości jego wykonania.

Według analizy przeprowadzonej na Uniwersytecie w Siegen wiele firm wiertniczych zastrzega sobie prawo do zmiany istniejących planów, np. dzieląc odwiert na kilka mniejszych, jeżeli ze względu na problemy mechaniczne niemożliwe jest osiągnięcie jego planowanej głębokości. W wielu przypadkach zaniechano nawet dalszego wykonywania odwiertu i zamontowano wymiennik ciepła bez ponownej kalkulacji jego wielkości. Z obserwacji dokonanych przez naukowców z Siegen można wnioskować, że proces kontroli jakości wykonania oraz zachowania wytycznych projektu w przypadku instalacji gruntowych wymienników ciepła jest niewystarczający [4]. Właściwe wykonanie gruntowego wymiennika ciepła zapewnia utrzymanie wysokiego poziomu wymiany ciepła pomiędzy U-rurą i ścianą odwiertu, ochronę warstwy wodonośnej oraz wydajną i ekonomiczną eksploatację. Istotny jest zatem świadomy wybór wykonawcy z doświadczeniem i aktualną wiedzą wiertniczo-geologiczną. Końcowym ogniwem determinującym poprawną pracę układu jest jego eksploatacja, która zależy w dużej mierze od świadomości właściciela instalacji. Tej problematyki dotyczy niniejszy artykuł.

Eksploatacja gruntowej pompy ciepła

Analiza pracy instalacji grzewczej z gruntową pompą ciepła

W przypadku pomp ciepła solanka/woda to dolne źródło ciepła jest elementem wymagającym szczególnej uwagi, nie tylko podczas projektowania i wykonywania, ale również eksploatacji systemu. W trakcie sezonu grzewczego w wyniku zmian zapotrzebowania na energię grzewczą zmienia się również temperatura dolnego źródła ciepła, co może znacząco wpływać na efektywność energetyczną pompy ciepła. Metody pozyskiwania danych do projektowania gruntowych wymienników pomp ciepła przedstawione zostały w poprzednich artykułach [3, 5]. Opisano w nich również skutki przyjęcia niewłaściwych danych do wykonania projektu dolnego źródła ciepła. Niniejszy artykuł ma na celu przybliżenie skutków niewłaściwej eksploatacji gruntowego wymiennika ciepła dla pompy ciepła glikol/woda. Interesujące wyniki dotyczące rzeczywistych skutków przeciążenia dolnego źródła ciepła w instalacji grzewczej zawarto w pracach [6, 7]. Opisana w nich instalacja dolnego źródła pompy ciepła, na której prowadzono pomiary, składa się z pięciu odwiertów o głębokości 78 m każdy. Przeprowadzono testy eksploatacji wymiennika ciepła pod różnym obciążeniem: monitorowano pracę układu na wszystkich pięciu odwiertach (niższe jednostkowe obciążenie gruntu), a następnie pracę układu na trzech odwiertach (wyższe jednostkowe obciążenie gruntu). Wyniki eksperymentu istotne dla opisywanego w niniejszym artykule problemu przedstawiono na rys. 1 i 2. Bardziej szczegółową analizę danych przedstawiono w artykule [6].

Rys. 1. Parametry pracy jednego z odwiertów w trakcie pracy układu z pięcioma odwiertami (niższe obciążenie jednostkowe gruntu)
Rys. 1. Parametry pracy jednego z odwiertów w trakcie pracy układu z pięcioma odwiertami (niższe obciążenie jednostkowe gruntu)
Rys. 2. Parametry pracy jednego z odwiertów w trakcie pracy układu z trzema odwiertami (wyższe obciążenie jednostkowe gruntu)
Rys. 2. Parametry pracy jednego z odwiertów w trakcie pracy układu z pięcioma odwiertami (niższe obciążenie jednostkowe gruntu)

Na rys. 1 przedstawiono stabilną pracę jednego z pięciu odwiertów w styczniu 2015 roku, w trakcie sezonu grzewczego, gdy temperatury powietrza zewnętrznego (Tzew) zmieniały się od –5 do 15°C. W takich warunkach maksymalny jednostkowy uzysk ciepła z gruntu w odwiercie wyniósł średnio dla całego miesiąca qmax = 35 W/mb, a średni ok. qśr = 24 W/mb. Na rys. 2 przedstawiono pracę instalacji dociążonej, tj. zasilanej trzema odwiertami, w ostatnim tygodniu października i trzech tygodniach listopada 2017 r. Temperatura powietrza zewnętrznego (Tzew) wynosiła w tym okresie od 0 do 17°C. Maksymalny jednostkowy uzysk ciepła z gruntu w odwiercie wynosił dla badanego okresu średnio qmax = 65 W/mb, a średni ok. qśr = 40 W/mb. Zauważyć można, że pomimo relatywnie wysokich temperatur długoterminowe utrzymanie współczynnika jednostkowego uzysku ciepła z gruntu na poziomie 60–70 W/mb jest w przypadku tej instalacji niemożliwe. Praca tak dociążonego systemu skutkuje spadkiem temperatury czynnika roboczego o 5 K w trakcie stosunkowo ciepłego miesiąca. W przypadku współpracy układu z pięcioma odwiertami tak znaczny spadek temperatury glikolu nie został zarejestrowany.

Test w warunkach wzmożonego obciążenia układu prowadzono przez ponad trzy miesiące – od września do połowy grudnia. W grudniu, kiedy temperatura powietrza zewnętrznego obniżyła się, podjęto decyzję o zakończeniu testu ze względu na bardzo niskie temperatury czynnika roboczego, spadające poniżej 0°C. Dalsza eksploatacja dociążonego źródła mogłaby skutkować znacznym wychłodzeniem gruntu wokół wymiennika, a tym samym spadkiem efektywności pracy pompy ciepła w całym sezonie grzewczym. Badania te skłoniły autorów do przeprowadzenia dalszych analiz w formie symulacji, których przebieg i wyniki opisano w kolejnym punkcie.

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!

[parametry gruntu, test TRT, pompa ciepła, gruntowy wymiennik ciepła, EED, gruntowa pompa ciepła, ogrzewanie, OZE, odnawialne źródła energii, instalacja grzewcza]

   30.09.2019
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

 


Jak uzyskać do 5000 zł za polecenie instalacji na gaz »

ogrzewanie na gaz


 

Który grzejnik wybrać? Aluminiowy czy stalowy »

grzejniki aluminiowe czy stalowe


 


Zaprojektuj niezawodne instalacje w budynku »

Czy wiesz, jakich błędów unikać przy instalacji? »

zawory antyskażeniowe
jestem na bieżąco » korzystam z udogodnień »

 


 Jak zapewnić skuteczny monitoring parametrów środowiskowych w pomieszczeniach medycznych »

izolacje w instalacji


 


Czy bezdotykowy design stanie się standardem? »

Jak zminimalizować stratę energii w układach wentylacyjnych »
armatura bezdotykowa
jestem na bieżąco » korzystam z udogodnień »

 


Skróć czas montażu i uruchomienia układu mieszającego nawet o 50% »

uklad mieszający projektowanie



Jak zadbać o higienę w miejscach publicznych »

Na której platformie znajdziesz niezbędne narzędzia dla instalatora »
 
jestem na bieżąco » korzystam z udogodnień »

 


Co zrobić kiedy nie możesz pozbyć się wody z wycieku »

wyciek z rury


 


Jaki wybrać płyn do instalcji w przemyśle spożywczym »

Od czego zacząć, gdy chcesz zabezpieczyć hale przemysłowe przed pożarem »
panele fotowoltaiczne ochrona przed pożarem
jestem na bieżąco » korzystam z udogodnień »

 


Jak zabezpieczyć dylatację przed pożarem »

dyletacja

 



Do 77% oszczędności na zużyciu energii »

Z poradnika hydraulika - gdzie kupisz sprawdzony sprzęt »

cichy oszczedny klimatyzator hydraulik
jestem na bieżąco » korzystam z wiedzy »

 


Jakich elemntów potrzebujesz do projektu fotowoltaicznego »

alternatywne zrodla energii


 


Które pompy ściekowe mogą być stosowane na dużej głębokości » Upały dają się we znaki! Co lepsze? Centrala wentylacyjna czy rooftop? »
kanalizacja wentylatory
wiem więcej » poznaj dziś »

 


Czy pompa ciepła się opłaca »

alternatywne zrodla energii


 


Poznaj metody na oszczędność wody »

W czym tkwi sedno w projektowaniu instalacji grzewczej »
produkcja studni wodomierzowych
jestem na bieżąco » korzystam z udogodnień »

 


Co osuszy powierznię do 80 m² »

osuszanie pomieszczeń


 

 


Ekspert Budowlany - zlecenia

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
9/2021

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 9/2021
W miesięczniku m.in.:
  • - Instalacje PV z magazynami energii
  • - Wentylacja obiektów gastronomicznych
Zobacz szczegóły

Bezpłatny newsletter

Mamy dla Ciebie prezent 


Wystarczy,

że zapiszesz się na newsletter,
a otrzymasz link do

e-book

" Kotły na biomasę i biopaliwa "

Zapisuję się »

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