Fundamenty palowe – jako elementy instalacji pozyskującej energię cieplną z gruntu w instalacjach pomp ciepła – termopale

Tematyka wykorzystania elementów konstrukcyjnych budowli w postaci fundamentów jako odbiorników ciepła naturalnego jest w Polsce mało znana, lecz w obliczu zwiększających się gwałtownie kosztów energii konwencjonalnej oraz skutków ubocznych, z całym kompletem problemów związanych z efektem cieplarnianym i zanieczyszczeniem środowiska, szeroko badana w krajach wysoko rozwiniętych.

Fot. 1 Urządzenie wiertnicze – Nordmeyer DSB2/10 (fot. archiwum Mostmarpal)

Podstawą wykorzystania fundamentów głębokich jako elementów odbiorowych energii cieplnej gruntu jest znikomy koszt wyposażenia ich w odpowiednią instalację w stosunku do całościowych kosztów ich realizacji. Potrzeba zagospodarowania wciąż nowych lokalizacji, często geotechnicznie trudnych, zwiększa zakres stosowania fundamentów przenoszących obciążenia na warstwy położone na znacznej głębokości. Z punktu widzenia fizyki cieplnej gruntu im głębiej – tym lepsze warunki do pozyskiwania energii odnawialnej, jaką oferuje nam natura. Zastosowanie zatem głębokich fundamentów jako czynników, które mogą dawać dodatkowe korzyści w późniejszym funkcjonowaniu obiektu jako całości, wydaje się być naturalnym procesem.

Na świecie prace badawcze nad niniejszym zagadnieniem prowadzone są od wielu lat, USA, Japonia czy Niemcy wdrożyły już całe systemy pozyskiwania ciepła z zastosowaniem fundamentów głębokich. Wiodące w tym zakresie są kraje, w których ze względu na ukształtowanie geologiczne, położenie w strefach oddziaływań sejsmicznych oraz wysoki rozwój techniki na szeroką skalę stosowano już głębokie fundamentowanie obiektów. Nadanie im zatem dodatkowych cech użytkowych (odbiorników ciepła) było naturalnym następstwem postępu technicznego w ramach danej technologii.

Rys. 1 Przykładowy schemat budynku posadowionego na palach z wykorzystaniem ich jako czynnika wspomagającego ogrzewanie budynku pompą ciepła zasilaną pionowymi odwiertami głębokimi

Rys. 2 Na przykładzie pali wielkośrednicowych przedstawiono poniżej sposoby rozwiązania różnych układów montażu rurek do szkieletu stalowego

Zasada działania systemu pobierającego energię cieplną z gruntu w przypadku technologii głębokiego fundamentowania jest bardzo prosta. Nie odbiega ona w zasadzie od powszechnie stosowanej metody wykorzystującej pompy ciepła z dolnym źródłem jego poboru z głębokich odwiertów pionowych. Różnica polega na znacznie mniejszym poziomie zagłębienia w gruncie. Zmniejszenie głębokości odwiertów skutkuje obniżeniem sprawności pojedynczego przewodu wymiennika ze względu na mniejsze różnice między temperaturą powietrza a temperaturą ośrodka (gruntu), czyli parametru podstawowego odpowiedzialnego za poziom efektywności danego systemu. Jednocześnie dużo większa liczba elementów koniecznych do wykonania (kilkadziesiąt pali kontra przeważnie kilka sztuk odwiertów głębokich) rekompensuje w pewnym stopniu spadek sprawności układu. Natomiast brak znacznych dodatkowych kosztów, poza koniecznością montażu rurek z czynnikiem grzejnym na szkielecie stalowym elementów fundamentowych, przemawia za korzystaniem z tego typu rozwiązania. Możliwym i często stosowanym rozwiązaniem jest połączenie dwóch współpracujących układów: głębokie fundamenty plus dodatkowe odwierty pionowe znacznych głębokości. Poprawia to znacznie moc grzewczą całego układu.

Zasadność zastosowania rozpatrywanego rozwiązania zwiększa się znacznie w przypadku budowli o znacznych gabarytach oraz wymagających solidnego posadowienia, których część jest posadowiona poniżej poziomu terenu. Doskonałym przykładem są tutaj wieżowce.

Kolejnym przykładem, gdzie wykorzystuje się poza walorami konstrukcyjnymi fundamentów głębokich ich wartość energetyczną, jest zastosowanie systemu pozyskiwania ciepła w obiektach mostowych. Takie rozwiązanie stosowane jest za naszą zachodnią granicą na szeroką skalę, dając bardzo wymierne korzyści w eksploatacji obiektów.

Rys. 3a Przykład wykorzystania głębokiego posadowienia obiektu w celu maksymalnego wykorzystania potencjału cieplnego podłoża

Rys. 3b Przykład wykorzystania instalacji do podgrzewania płyty pomostu obiektu mostowego

W tym przypadku wykorzystuje się ciepło gruntowe w okresie zimowym jako system odladzający jezdnię na obiektach mostowych, gdzie zjawisko zalodzenia występuje najczęściej. Ponadto utrzymanie w skali całego roku zbliżonego bilansu cieplnego obiektu wpływa korzystnie na wydłużenie czasu jego eksploatacji.

Tab. 1 Specyficzne moce poboru pionowych wymienników ciepła dla 1800 i 2400 rocznych godzin pracy

Źródło: firma Haka.Gerodur – www.hakagerodur.ch

Tab. 2 Mikropale energetyczne: zestawienie wartości teoretycznych i pomierzonych

We wszystkich wymienionych przykładach można oczywiście wykorzystać zjawisko sprzężenia zwrotnego, tj. wzajemnego oddziaływania fundament – budowla, a także w kierunku przeciwnym budowla – fundament.

1. Okres zimowy:

Pozyskiwanie ciepła z gruntu o wyższej temperaturze niż temperatura powietrza i przekazywanie go jako czynnika grzejnego do budowli.

2. Okres letni:

a) wykorzystanie niższych temperatur podłoża względem powietrza i poprzez system wymiany powietrza schładzanie pomieszczeń;

b) odbiór energii z otoczenia (wysoka temperatura powietrza, oddziaływanie promieniowania słonecznego) przez budowlę i przekazanie jej do części fundamentowej. Następuje wówczas magazynowanie energii cieplnej w tzw. akumulatorze ziemnym i przez podniesienie temperatury otoczenia fundamentu korzystniejszy bilans cieplny przy pozyskiwaniu ciepła w okresie zimowym.

Fot. 2 Wykonanie dolnego źródła pod biurowiec w Warszawie (fot. archiwum Mostmarpal)

Fot. 3 Próba szczelności instalacji sondy pionowej za pomocą pompki Rottenberga (fot. archiwum Mostmarpal)

Przedstawione procesy są oczywiście zależne od faktycznych uwarunkowań gruntowych, w jakich przychodzi realizować dane przedsięwzięcie.

W skrócie ujmując, można powiedzieć, że grunty nawodnione, gdzie następuje ciągła wymiana temperatury między gruntem a wodą w nim występującą, nadają się świetnie do pozyskiwania ciepła w okresie zimowym oraz w celach schładzania instalacji w okresie letnim. Sprawność instalacji znacznie wówczas wzrasta. Jednak grunty te mają mniejsze zastosowanie jako magazyny ciepła, a tym samym wykorzystanie dobrych cech cieplnych części naziemnej jest w tym przypadku gorsze.

Odmienna sytuacja ma miejsce w gruntach skalistych. Tutaj efekt magazynowania ciepła ma sens, natomiast stopień wychładzania się gruntu w procesie pozyskiwania z niego ciepła można określić jako niekorzystny.

Nie ma obecnie dostępnych na naszym rynku informacji szczegółowych co do rzeczywistych mocy cieplnych dla konkretnych rozwiązań fundamentów. Określając więc możliwy uzysk mocy cieplnej dla danej geologii, kierować się można rozwiązaniami dostępnymi dla pionowych wymienników ciepła. Istotne w tym przypadku jest uwzględnienie problematyki związanej z bezpośrednim oddziaływaniem temperatury zewnętrznej powietrza na ośrodek gruntowy – stosunkowo niewielkie głębokości posadowienia pali. Pomiary dokonywane na istniejących już instalacjach pozwalają postawić tezę, że faktyczny spadek mocy oscyluje na poziomie od –40% do –60% w stosunku do pionowych wymienników ciepła w danym ośrodku gruntowym.

Oczywiście przytoczone przykłady otwierają jedynie rozległą tematykę własności cieplnych gruntu, a każda kolejna tego typu inwestycja powinna być rozpatrywana indywidualnie. Jednak proces weryfikacji i gromadzenia wszelkich danych związanych z zagadnieniem powinien być stale kontrolowany, poszerzany i ujednolicany w celu stworzenia procedur umożliwiających potencjalnemu inwestorowi zastosowanie gotowych rozwiązań, a przez to poprawę fizyki cieplnej budowli oraz zwiększenie zaangażowania energii czystej, odnawialnej w stosunku do konwencjonalnych źródeł energii.

Rys. 4 Schemat ideowy mikropala energetycznego z głowicą

Rys. 5 Przemieszczenie głowicy mikropala pod wpływem cyklicznych obciążeń termicznych

Paletę rozwiązań technicznych dla formy dolnego źródła ciepła (energii) w kategorii konstrukcji dwufunkcyjnych uzupełniają mikropale energetyczne (geotermalne).Zyskujące na popularności mikropale jako alternatywne równoprawne elementy posadowienia, ze względu na filozofię pracy opartą na grupowości, doskonale wpasowują się w ideę aktywnych energetycznie fundamentów. Zaletą technologii jest jej efektywność i łatwość instalacji. Fundamenty mikropalowe projektowane są zazwyczaj jako grupa współpracujących pojedynczych elementów, zapewniając tym samym dostęp do odpowiedniej liczby możliwych do zabudowania wymienników. Rozwiązanie oparte jest na systemie mikropali samowiercących CFG i w zakresie wykonawstwa proces instalacji nie odbiega właściwie od procedury wykonania klasycznego mikropala CFG. Wykorzystuje się ten sam sprzęt wiertniczy, zestaw iniekcyjny i ten sam komplet elementów tworzących mikropal. Jego wykorzystanie do przekazywania energii górotworu wymaga uzbrojenia w dodatkowy przewód, który zainstalowany współosiowo do rurowego zbrojenia tworzy wraz z nim zamknięty obieg krążenia medium. Ta prosta idea i kilka dodatkowych akcesoriów, w które trzeba wyposażyć mikropale, pozwalają niskim nakładem dodatkowej pracy i kosztów przekształcić fundament w dolne źródło ciepła. Zakres zastosowań jest szeroki i pokrywa się częściowo z polami stosowania pali energetycznych dużych średnic, jednak wiele cech typowych dla technologii mikropali – jak możliwość operowania na ograniczonej przestrzeni lub w trudno dostępnym terenie – stwarza dodatkowe możliwości. Wzmocnienie posadowienia z wykorzystaniem mikropali wykonywane przy naprawie bądź modernizacji obiektu pozwala przy tej okazji na jego dozbrojenie w instalację geotermalną. Mikropale ponadto doskonale sprawdzają się jako elementy posadowienia wykonywane na terenach, gdzie wprowadzenie pali dużych średnic może być problematyczne, czy to ze względu na warunki w podłożu wymagające udarowych technik wiercenia (flisz) czy też z powodu dostępu palownicy.

Z technicznego punktu widzenia technologia mikropali energetycznych CFG jest gotowa do użycia. Rozwiązanie konstrukcyjne jest sprawdzone, a poprawność i skuteczność funkcjonowania mikropali obciążonych termicznie zweryfikowana w programie badawczym [1]. Określone w jego trakcie charakterystyki pracy mikropali energetycznych okazały się niezwykle korzystne. Wyniki badań wykazały, że osiągnięte kluczowe wartości parametrów cieplnych są wyższe od zakładanych dotychczas i podawanych do stosowania przy projektowaniu klasycznych otworowych wymienników, np. według niemieckich wytycznych dotyczących płytkiej geotermii VDI 4640. Badania porównawcze w tych samych warunkach wykazały efektywność mikropali energetycznych wyższą o ok. 30% w stosunku do klasycznych sond otworowych.

Fot. 4 Wiercenie mikropala energetycznego

Fot. 5 Próbne obciążenia mikropala energetycznego

Wykonano również symulacje funkcjonalności instalacji geotermalnej z wyko­rzystaniem mikropali energetycznych na tle klasycznych sond otworowych. Ustalono, że w założonym okresie eksploatacyjnym temperatura przepływającego medium spada z początkowych 8,2^o do 4,5^o, podczas gdy dla sond temperatura ta spada aż do 2,1^o. Wyniki testu wskazują na długoletnią sprawność układu i znaczne ograniczenie efektu przemarzania ośrodka. W trakcie badań zweryfikowano pozytywnie również nośność mikropali oraz szczelność układu po obciążeniu.

Biorąc pod uwagę korzyści ekonomiczne, idea podwójnego wykorzystania pali/mikropali wydaje się bardzo obiecująca. Stopień zaawansowania technologicznego termopali już teraz pozwala na efektywne wykorzystanie elementów posadowienia do celów pozyskiwania i magazynowania energii. Do właściwego i bezpiecznego korzystania niezbędny jest jednak odpowiedni aparat projektowy.

Projektowanie fundamentów energetycznych to zagadnienie interdyscyplinarne, łączące przynajmniej cztery branże, w najogólniejszej charakterystyce:

– Geologa – do określenia przydatności i charakterystyki geotermalnej podłoża.

– Architekta – do określenia zapotrzebowania obiektu na moc (ciepło/chłodzenie), głównych założeń co do sposobu jego realizacji, wyposażenia itp.

– Projektanta systemów pomp ciepła – do określenia wszystkich parametrów i szczegółów systemu pozyskiwania energii z gruntu.

– Konstruktora – do określenia zakresu obciążeń, warunków użytkowalności, szczegółów posadowienia.

Fot. 6 Próba ciśnienia i szczelności

O ile projektowanie pali nie stanowi obecnie większego problemu, o tyle zagadnienia projektowe związane z połączeniem obciążeń konstrukcyjnych i termicznych nieco sprawę komplikują. Wpływ obciążeń termicznych, w dodatku cyklicznych, może mieć znaczący wpływ na konstrukcję i sposób funkcjonowania pala energetycznego. W dodatkowych analizach należy uwzględnić m.in.: wpływ grzania i chłodzenia na parametry wytrzymałościowe ośrodka gruntowego; osiowe i radialne rozszerzanie (i kurczenie) materiału pala oraz wpływ tego zjawiska na nośność i przemieszczenia; dodatkowe naprężenia wywołane zmianami termicznymi; wpływ cykliczności zmian termicznych na pale i ich współpracę z gruntem.

Większość z tych zagadnień jest obecnie przedmiotem badań i analiz, świadomość sposobu funkcjonowania fundamentów energetycznych jest coraz większa, a tym samym również dostępne narzędzia projektowe stają się coraz doskonalsze. Ostrożnie można przyjąć, że pomimo złożoności projektowej zagadnienia technologia jest bezpieczna w stosowaniu. Potwierdzają to obiekty już wykonane z funkcjonującymi sprawnie palami energetycznymi. Obiekty te, opomiarowane ogromną liczbą różnych czujników, są żywymi modelami, dostarczającymi coraz to nowszych informacji o pracy konstrukcji w pełnej skali.

mgr inż. Piotr Rychlewski

mgr inż. Witold Jurasz

mgr inż. Jakub Sierant

Literatura

1. AIF Kooperationsprojekt – KU 0503801A T7, IBH – Herold&Partner Ingenieure, 2009.

2. Thermal Pile Design, Installation & Materials Standards, GSHP Association, 2012.

3. Richtlinienreihe VDI 4640 Thermische Nutzung des Untergrunds.