Wśród elementów służących do odbioru ciepła z gruntu na znaczeniu zyskują pale energetyczne.
Wysokie ceny energii, wymagania ekologii oraz przepisy prawa (dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady UE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych) sprawiają, że coraz powszechniejsze staje się stosowanie pomp ciepła w instalacjach grzewczych budynków. Pompa ciepła jest urządzeniem pozwalającym na akumulację energii cieplnej z tzw. dolnego źródła o temperaturze kilku stopni Celsjusza i przekazanie jej do instalacji grzewczej o temperaturze kilkudziesięciu stopni. Pompa ciepła składa się z czterech zasadniczych elementów: sprężarki, skraplacza, zaworu rozprężnego i parownika. Pomiędzy tymi elementami w obiegu zamkniętym krąży czynnik chłodniczy. Jego cykliczne parowanie i skraplanie pozwala przez obniżenie temperatury instalacji zasilającej dolnego źródła na podgrzanie wody w instalacji grzewczej. Zasada działania podobna jest do zasady działania lodówki, w której wnętrzu temperatura jest obniżana, a ciepło przekazywane do otoczenia. Pompy ciepła zasilane są energią elektryczną. Stosunek mocy grzewczej pompy do mocy pobieranej z sieci elektrycznej nazywany jest współczynnikiem efektywności pompy ciepła COP. Aby instalowanie pomp ciepła miało sens ekonomiczny, współczynnik COP musi być znacznie większy od jedności. Zwykle wynosi on około 3–4.
Fot. 1 Przykład płyty dennej biurowca z instalacją do odzysku ciepła wykonaną pod płytą
W praktyce stosowanych jest kilka typów dolnych źródeł ciepła. Najprostszym i najtańszym rozwiązaniem jest zastosowanie powietrznej pompy ciepła. Czerpie ona ciepło z powietrza zewnętrznego. Przy dużych spadkach temperatur gwałtownie maleje efektywność pompy ciepła i takie rozwiązanie nie może stanowić podstawowego źródła energii.
Sytuacja staje się znacznie bardziej stabilna, jeśli dolne źródło będzie znajdować się w gruncie. Temperatura gruntu zależna jest od głębokości.W warstwach przypowierzchniowych następuje akumulacja ciepła z promieniowania słonecznego, a temperatura zmienia się w ciągu kolejnych pór roku. Gdy głębokości osiąga pewną wielkość ciepło pochodzi głównie z wnętrza ziemi i nie jest wrażliwe na zmiany powierzchniowe. Temperatura rośnie w sposób trwały wraz z głębokością. Wzrost ten nazywany jest stopniem geotermicznym i wynosi ok. 2–3 stopnie na każde 100 m głębokości. Zależy on jednak od wielu czynników, np. przewodnictwa cieplnego skał, warunków tektonicznych i budowy geologicznej. Schemat zależności temperatury od głębokości pokazano na rys. 1. Widać na nim, że przy pewnej głębokości temperatura gruntu nie zależy od warunków zewnętrznych. Głębokość ta wynosi ok. 10 m, a temperatura na tej głębokości wynosi ok. 6–9oC.
Rys. 1 Zależność temperatury gruntu od głębokości
Wynika z tego, że lepszym rozwiązaniem od pomp powietrznych jest zastosowanie kolektorów poziomych ułożonych poniżej granicy przemar-zania.Temperatura takiego źródła jest stabilniejsza niż powietrza, ale również podlega wahaniom sezonowym. Ponadto instalacja taka generuje kilka problemów, takich jak: głębsze przemarzanie gruntu, dłuższe rozmarzanie na wiosnę i problemy z wegetacją roślin.
Znacznie korzystniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie głębokich otworowych wymienników ciepła sięgających do warstw gruntu o stabilnej temperaturze w kolejnych sezonach.Wymaga to jednak wywiercenia otworu z wykorzystaniem rur osłonowych, zamontowania instalacji najczęściej w postaci jednej lub dwóch u-rurek, usunięcia rur osłonowych i wypełnienia otworów. Koszt takich wymienników przekracza 100 zł za 1 m.b. wiercenia, a długość otworów ze względów formalnych nie przekracza 100 m. Ostrożnie szacuje się, że z 1 m.b. otworu można uzyskać 35 W energii. W każdym przypadku wymaga to wykonania testu reakcji termicznej TRT, na podstawie którego określa się wydajność termiczną danego układu. Zwykle jest ona większa niż ostrożne szacunki.
Fot. 2 Instalacja do odzysku ciepła odizolowana od płyty dennej styropianem
Duże nakłady inwestycyjne sprawiają, że uzasadnione może być wykorzystanie jako wymienników ciepła konstrukcji zagłębionych w gruncie, które wykonujemy przy okazji budowy różnych budowli.Należą do nich np. pale, płyty i ławy fundamentowe, ściany szczelinowe, ściany oporowe, obudowy tuneli i inne konstrukcje. Szacunki wskazują, że w przypadku dużych wieżowców budowanych w Polsce z głębokimi fundamentami i ścianami szczelinowymi ilość uzyskanej energii może być liczona w MW. Efektywność działania instalacji do odzysku ciepła znacznie się poprawia, jeśli w lecie podłączona jest do systemu klimatyzacja. Ciepło z klimatyzacji jest magazynowane w gruncie i oddawane w zimie do instalacji grzewczej.
Na dwóch fotografiach pokazano przykład instalacji ułożonej pod płytą denną budynku biurowego. Rurki układane są przed wykonaniem chudego betonu, a cała instalacja jest izolowana termicznie od konstrukcji budynku.
Rys. 2 Przekrój poprzeczny pala wielkośrednicowego z zainstalowaną instalacją do odzysku ciepła
Rys. 3 Schemat ułożenia instalacji w palu wielkośrednicowym, a – klasyczne u-rurki, b – spirala zwiększająca wymianę ciepła
Jedną z prostszych konstrukcji, w fundamentach głębokich, umożliwiających zamontowanie instalacji są rurowane pale wielkośrednicowe. Do zbrojenia pala możliwe jest zamontowanie kilku u-rurek. Schemat takiego rozwiązania pokazano na rys. 2 i 3. Na rys. 3b w sposób analogiczny do otworowych wymienników ciepła zamontowano kilka pionowych u-rurek. W celu lepszej wymiany ciepła, możliwe jest również wykonanie spiralnej instalacji, która zamontowana jest od głębokości gruntu o stałej temperaturze. Powrót czynnika ogrzanego następuje pionową rurką, środkiem przekroju pala. Rozstaw pionowy spirali zależy od warunków gruntowych.
Technologią, która jest relatywnie łatwa w instalacji, są mikropale samowiercące.Rura nośna mikropala stanowić może jednocześnie rurę do przepływu czynnika grzewczego. Na fot. 3 widoczny jest mikropal geotermalny oraz schemat działania instalacji w mikropalu. Testy reakcji termicznej wykazują zdolność odzysku ciepła w okolicach 100 W/m.
Fot. 3 Widok mikropala geotermalnego (fot. Titan Polska)
Rys. 4 Przekrój przez mikropal z zaznaczonym obiegiem czynnika grzewczego (rys. Titan Polska)
Instalacje takie mogą również działać w systemach bez pompy ciepła. W przypadku źródeł geotermalnych wysoka temperatura źródła jest wystarczająca do bezpośredniego ogrzewania. Natomiast prosta instalacja jednoobiegowa o temperaturze kilku stopni może skutecznie zapobiegać oblodzeniu nawierzchni mostów, podjazdów, parkingów, peronów itp.
Wykorzystanie elementów budowli zagłębionych w gruncie do odzysku ciepła jest z powodzeniem stosowane w Europie.Liczba pracujących instalacji nie jest imponująca i technologia znajduje się jeszcze w fazie badawczo-wdrożeniowej. W Polsce możliwe jest wykorzystanie takich rozwiązań i będzie to z pewnością coraz powszechniejsze ze względu na planowane zmiany w przepisach prawa.
mgr inż. Piotr Rychlewski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
