Analiza modyfikacji konstrukcyjnych wybranych sond gruntowych do sprężarkowych pompy ciepła
Ocena użytkowników: / 6
SłabyŚwietny 
Data dodania: 13.04.2014  |  Autor: Bogusław BIAŁKO Zbigniew KRÓLICKI Stanisława SENDLER Bartosz ZAJĄCZKOWSKI

W artykule przedstawiono przegląd konstrukcji sond gruntowych stosowanych w sprężarkowych pompach ciepła. Na podstawie sporządzonego modelu obliczeniowego i danych literaturowych, dokonano oceny rozwiązań konstrukcyjnych i ich wpływu na jakość wymiany ciepła z gruntem. Przedstawiono propozycje własnych modyfikacji konstrukcyjnych, rezultaty analiz modelowych i wybrane dane eksperymentalne. Zwrócono uwagę na potrzebę dalszych prac w tym kierunku.

 

 2014-04-26-2

 

 

Pionowe, gruntowe wymienniki ciepła znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie inwestorowi dysponującemu stosukowo niewielkim terenem zależy na wykorzystaniu wszystkich zalet gruntu, jako źródła ciepła. Do zalet tych zalicza się wysoka i stabilna temperaturę źródła, dobre współczynniki wymiany ciepła, możliwość pracy pompy ciepła w systemie monowalentnym [14]. Nie do zaniedbania są też korzyści, czyli stosunkowo niskie opory hydrauliczne czynnika roboczego i mniejsze moce pomp obiegowych.

Firmy instalujące wymienniki gruntowe do pomp ciepła poszukują sposobu maksymalizacji poboru ciepła z gruntu, najczęściej poprzez modyfikację konstrukcji, która jednak nie zawsze przynosi spodziewane efekty. Problem jest o tyle istotny, że źle dobrana sonda czy ich zespół może przyczynić się do nadmiernego termicznego obciążenia gruntu i awarii pompy ciepła [12]. Dzieje się to najczęściej po paru latach i najczęściej po upływie terminu gwarancji. Gdy prześledzi się wpisy użytkowników pomp ciepła na forach internetowych można zauważyć, że staje się to poważnym problemem [5].

 

2014-04-26-1

Rys. 1. Typowa sonda tupu U wg [3, 18]

 

Sondy typu U-rura

W warunkach krajowych najbardziej rozpowszechnionym i zarazem najtańszym rozwiązaniem jest wymiennik typu U-rura, zbudowany z 2 rur polietylenowych (PE) połączonych na dole za pomocą dwóch kolanek. W sondzie przepływa czynnik roboczy – najczęściej solanka lub glikol i pobiera ciepło z gruntu, przepływając przeciwprądowo w dół a następnie w górę. [18, 19].

Wartość strumienia czynnika roboczego jest tak dobierana, aby zapewnić różnicę temperatury na wlocie i wylocie z wymiennika ΔT = 3 K [12]. Najczęściej w typowych sondach pionowych strumień wynosi około 1,8 m3/ h (0,5 l/s) [17], co gwarantuje przepływ turbulentny w rurze i zapewnia dobrą wymianę ciepła. Turbulentny charakter przepływu pozwala zmniejszyć opór cieplny sondy Rbh (wartości Rbh mieszczą się w przedziale 0,118÷0,260 Km/W [1]), ale zwiększa też wartość oporu hydraulicznego, a zatem moc pompy czynnika roboczego i pobór energii. Mniejsze wartości strumienia czynnika i wejście w obszar laminarny przepływu powoduje wzrost oporu termicznego sondy i mniejsze wartości różnicy temperatury czynnika.

Poważnym problemem eksploatacyjnym sond typu U jest występowanie niekorzystnego zjawiska bocznego efektu cieplnego, które polega na tym, że czynnik „zimny” płynący rurą w dół odbiera ciepło nie tylko z gruntu, ale także od czynnika „ciepłego” płynącego rurą wznoszącą, obniżając tym samym temperaturę czynnika na wylocie z wymiennika. Zastosowanie izolacji na jednej z rur, ze względów termodynamicznych jest niekorzystne, ponieważ spowodowałoby sytuację, w której tylko druga z nich wymieniałaby ciepło z otaczającym gruntem Chęć wyeliminowania bocznego efektu cieplnego zaowocowała liczną modyfikacją konstrukcji U-rury a szczególnie różnymi konfiguracjami rozmieszczenia rur wewnątrz sondy, zastosowania podwójnej U-rury itp. [13]. W Tabeli 1. przedstawiono efekty badań eksperymentalnych zależności oporu cieplnego sondy pionowej od konfiguracji rur w sondzie.

 

2014-04-27-1

 

Analiza uzyskanych wartości wskazuje, że najmniejsze wartości zostały uzyskane przy możliwie maksymalnym rozsunięciu rur w sondzie. W praktyce jest to trudne do osiągnięcia na całej długości sondy a zastosowane przekładki dystansowe (rys. 1.) niestety powiększają opór cieplny [1].

Innym poważnym problemem stosowania sond typu U-rura jest konieczność wypełnienia odwiertu materiałem przewodzącym ciepło i minimalizującym obecność powietrza działającego jak izolator. Wypełnienie sondy jest też konieczne ze względu na nacisk górotworu na sondę, który poniżej głębokości 12 m staje się dosyć znaczący [5]. Grozi to przemieszczaniem rur w sondzie a w krytycznych sytuacjach nawet jej zniszczeniem. Stosowane materiały wypełniające: bentonit, bentonit z kwarcem, bentonit z grafitem, piasek kwarcowy, woda [7] zwiększają opór cieplny rury i pogarszają wymianę ciepła.

 

2014-04-27-2

Rys. 2. Współosiowa sonda gruntowa: a) idea konstrukcji; b) przekrój poprzeczny analizowanej współosiowej sondy gruntowej [16]

 

Sondy współosiowe

W sondzie współosiowej CBHE (Coaxial Borehole Heat Exchanger) zimny czynnik roboczy przepływa w dół przez jeden lub większą ilość zewnętrznych kanałów pierścieniowych, odbierając ciepło z gruntu. Na dnie wymiennika płyn przechodzi do kanału wewnętrznego. Od tego momentu ciepły czynnik płynie w górę w kierunku parowacza pompy ciepła (rys. 2.). W konstrukcji współosiowej istnieje możliwość bezpośredniego kontaktu kanałów zewnętrznych ze ścianą odwiertu, a w związku z tym zachodząca wymiana ciepła jest bardziej intensywna (rys. 2a). Zmiana średnic kanałów jest również próbą zmiany charakteru przepływu z turbulentnego na przepływ laminarny, co umożliwiłoby zmniejszenie oporów hydraulicznych i znaczne oszczędności energii na pracę pompy w porównaniu z U-rurą. Niestety w tych konstrukcjach sondy nie dało się wyeliminować efektu bocznej wymiany ciepła, który występuje nawet na większą skalę niż w klasycznej U-rurze [18, 19].

 

Zaizolowana cieplnie sonda pionowa (TIL)

(...)

 

Sonda typu „kapsuła energii”

Ciekawym rozwiązaniem poboru energii z gruntu jest tzw. Kapsuła Energii (Energy Capsule). Jest to opatentowany produkt firmy Pemtec [11], która promuje go pod nazwą Green Collector [11]. W wywierconym otworze pod wymiennik umieszczany jest rękaw z folii PE (grubość 4 mm) zakończony ciężarkiem, którego długość odpowiada głębokości odwiertu.

(...)

 

Trapezoidalny wymiennik gruntowy

(...)

 

Propozycje modyfikacji konstrukcyjnych sond gruntowych

(...)

 

Sonda o zmiennej średnicy

(...)

 

Wnioski

Problematykę pozyskania ciepła z gruntu w żadnym wypadku nie można uznać za całkowicie rozwiązaną. Wielkości natężenia przepływu, oporu cieplnego sondy, oporu hydraulicznego i temperatury wylotowej czynnika roboczego są ze sobą ścisłe powiązane a ich prawidłowe dobranie jest typowym zadaniem optymalizacyjnym, wpływającym bezpośrednio na wartość współczynnika COP pompy ciepła. Ilość typów i odmian konstrukcyjnych sond pionowych wskazuje, że jak dotychczas nie znaleziono jednego optymalnego rozwiązania. Jak wynika też z omówionego przykładu proste rozwiązania są też bardzo skuteczne.

 

Bogusław BIAŁKO
Zbigniew KRÓLICKI
Stanisława SENDLER
Bartosz ZAJĄCZKOWSKI
Zakład Chłodnictwa i Pomp Ciepła
Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów
Politechniki Wrocławskiej

 

LITERATURA:

[1] J. ACUNA: Improvements of U-pipe Borehole Heat Exchangers. KTH School of Industrial Engineering and Management. Sztokholm (Szwecja). 2010.
[2] J. ACUNA, B. PALM: First experiences with coaxial borehole heat exchangers. IIR Conference on Sources/ Sinks alternative to the outside Air for HPs and AC techniques. Padua, Italy. April 5–7, 2011.
[3] Baza danych geologiczno-inżynierskich wraz z opracowaniem atlasu geologiczno-inżynierskiego aglomeracji wrocławskiej. Ministerstwo Środowiska Rzeczpospolita Polska. Wrocław. Maj 2009.
[4] B. BIAŁKO: System pompy ciepła współpracującej z dolnym źródłem ciepła o nazwie Źródło Ciepła i Chłodu ZCC Nanoterm. Wrocław 2011.
[5] http://www.renovationexperts.com/geothermal-heat-pumps.asp.
[6] Information for Evaluating Geoexchage Applications. Geothermal Heat Pump Consortium for New York State Energy Research and Development Authority(NYSERDA). 07/2007.
[7] Geotrainet training manual for designers of shallow geothermal systems. Wykonano w ramach projektu “Geo – Education for asustainable geothermal heating and cooling market. GEOTRAINET. EFG. Brussels 2011.
[8] F. GUILLAUME: Analysis of a Novel Pipe in Pipe Coaxial Borehole Heat Exchanger. KTH School of Industrial Engineering and Management. Sztokholm (Szwecja). 2011.
[9] http://www.intelligentheatandpower.com
[10] http://www.heatflow.und.edu/index2.html
[11] www.pemtec.se
[12] P. PLATELL: Developing work on ground heat exchangers. The Tenth International Conference on Thermal Energy Storage ECOSTOCK Atlantic City US. 2006.
[13] J. LJUNGQVIST, T. VOGEL, L. NIELSEN: A new innovative Ground Heat Exchanger for heating, cooling and energy storage. REHVA Journal. 1/2013.
[14] M. RUBIK: Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej. MULTIKO Oficyna Wydawnicza. Warszawa 2011.
[15] S. SANAYE: Horizontal ground coupled heat pump: Thermaleconomic modeling and optimization. Energy Conversion and Management vol. 51 issue. 12 December, 2010.
[16] S. SANDLER: Projekt pompy ciepła z pionowym, gruntowym wymiennikiem ciepła do ogrzewania domu jednorodzinnego. Praca dyplomowa stopnia inżynierskiego. Politechnika Wrocławska. Wrocław 2013.
[17] http://www.totalgreenus.com
[18] M. WAJMAN: Technical and economical analysis of ground source heat pump systems with BHE in Poland. KTH School of Industrial Engineering and Management. Sztokholm (Szwecja). 2011.
[19] M. WAJMAN: Współczesne rozwiązania konstrukcyjne pionowych sond gruntowych dla sprężarkowych pomp ciepła. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna. 2/2012.
[20] http://wavin.home.pl/cennik/#PE-X
[21] http://www.muovitech.pl/
[22] Katalog rur HDPE www.aqua.lublin.pl/cenniki/Cennik%20na%20rury%20HDPE.pdf

 

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 04/2014

 

 

Reklama

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

  • Pompy ciepła 2010

Reklama
  • omii

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.