5 poradnik techniczny uponor 2012 pl geo by Uponor Poland

System kolektorรณw gruntowych Uponor PORADNIK TECHNICZNY

2 3 2 5 $ ' 1 , . T E C H N I C = 1 < 8 3 2 1 2 5

2012

Spis treści:

Wprowadzenie 4 Energia powierzchniowa gruntu – niezależność dostaw energii

Energia powierzchniowa gruntu – uniwersalne wykorzystanie

Energia geotermalna oraz energia powierzchniowa gruntu w skrócie

Ziemia źródłem ciepła

Podstawy 8 Informacje ogólne

System pompy ciepła

Systemy wykorzystujące energię powierzchniową gruntu

Przegląd systemów

Tryby pracy

Kolektory poziome

System/zakres zastosowania

Klatki energetyc]QH

System/zakres zastosowania

Pale geotermalne

System/zakres zastosowania

Kolektory pionowe

System/zakres zastosowania

Materiały używane przez Uponor

PE-Xa

Quick & Easy

Planowanie projektu

Harmonogram projektu

Szczegółowe planowanie

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Wprowadzenie Energia powierzchniowa gruntu – niezależność dostaw energii Europa przyjęła niezwykle ambitny cel ograniczenia zużycia energii, aby ograniczyć uzależnienie się od takich paliw kopalnych, jak gaz czy ropa naftowa. Odnawialne źródła energii – energia słoneczna czy energia geotermalna – coraz bardziej zyskują na znaczeniu, zwłaszcza w odniesieniu do zużycia energii przez domy mieszkalne w przyszłości. Cel Unii Europejskiej, określany jako „2020-20”, przewiduje zmniejszenie zużycia energii i emisji gazów cieplarnianych do 2020 roku o 20 procent oraz zwiększenie udziału źródeł odnawialnych do 20 procent (w 2007 r. udział ten wynosił 8,5 procent). Aby promować wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii, w całej Europie wdrożono najróżniejsze rozwiązania legislacyjne.

Energia powierzchniowa gruntu to wiele zalet Jest odnawialna: energia powierzchniowa gruntu jest niewy-

czerpywalna, dostępna przez całą dobę na potrzeby ogrzewania i chłodzenia i można z niej korzystać dysponując nawet niewielką powierzchnią. Jest przyjazna dla środowiska naturalnego: każde wykorzystanie energii geotermalnej ogranicza emisję gazów cieplarnianych. Jest pewna i dająca się kontrolować: energia powierzchniowa gruntu jest już technologicznie zaawansowana, a jej wykorzystanie w celach grzewczych i chłodniczych liczy ponad pięćdziesiąt lat. Jest niezwykle wydajna: to odpowiedź na każde zapotrzebowanie na energię na potrzeby ogrzewania, chłodzenia, podgrzewania wody czy gromadzenia energii. Jest uniwersalna: można z niej korzystać w połączeniu z innymi odnawialnymi źródłami energii. Jest stabilna ekonomicznie: jest wykorzystywana na miejscu, nie wymaga zewnętrznych dystrybutorów i nie podlega zmianom cen wywołanych przez zmiany kursów walut. Jest gwarantem konkurencyjności: energia powierzchniowa gruntu podwyższa konkurencyjność przemysłu i ma pozytywny wpływ na rozwój regionalny i poziom zatrudnienia.

Energia powierzchniowa gruntu – uniwersalne wykorzystanie Energia powierzchniowa gruntu może służyć nie tylko jako źródło ciepła dla ogrzewania płaszczyznowego i ogrzewania wody użytkowej, ale może równie dobrze służyć jako źródło chłodu dla systemów chłodzenia płaszczyznowego, gwarantując jednocześnie niskie koszty operacyjne. Energię powierzchniową gruntu można wykorzystywać we wszystkich rodzajach budynków, od domów jednorodzinnych po wielkie budynki biurowe i przemysłowe. Funkcjonujący system kolektorów gruntowych nie generuje praktycznie żadnych kosztów i zapew-

nia długotrwałe bezawaryjne działanie. Koszty inwestycyjne pompy ciepła wraz systemem kolektorów gruntowych są wprawdzie nieco wyższe niż w przypadku konwencjonalnych kotłów grzewczych i agregatów chłodzących, jednak poprzez niskie koszty ekploatacyjne, amortyzacja kosztów inwestycyjnych trwa niezwykle krótko. Energia powierzchniowa gruntu jako źródło energii w połączeniu z systemami ogrzewania/chłodzenia płaszczyznowego, to rozwiązanie typu „wszystko w jednym”, łączące w jednym systemie grzanie i chłodzenie.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Takie systemy są wydajniejsze i łatwiejsze do zamontowania niż dwa oddzielne systemy grzania i chłodzenia. Ponadto, wykorzystują one lepiej zalety takiego rozwiązania, ponieważ pozwalają na obniżenie temperatury w przypadku grzania i podwyższenia temperatury w przypadku chłodzenia. Z tego względu zastosowana pompa ciepła może pracować z większą wydajnością (liczoną w stosunku rocznym), co pozwala na obniżenie ilości zużywanego prądu, a przez to osiągnięcie wymiernych oszczędności.

Energia geotermalna oraz energia powierzchniowa gruntu w skrócie Z ak r e s z a s t o s owania/ możliwości wykorzystania Ogrzewanie Ciepła woda użytkowa Chłodzenie Gromadzenie energii

Zakres zastosowania Od domów jednorodzinnych po osiedla mieszkaniowe Budynki prywatne i publiczne Budynki przemysłowe Budynki biurowe

Ochrona środowiska Zmniejszenie zużycia paliw kopalnych Zmniejszenie emisji dwutlenku węgla Odnawialne źródło energii W przypadku prawidłowego zainstalowania i użytkowania brak wpływu na glebę i wody gruntowe

Aspekty techniczne Energia powierzchniowa gruntu jest dostępna przez cały rok w nieograniczonej ilości Nie wymaga budowy komina Pełna automatyka, bezpieczne użytkowanie, szybki czas reakcji Współpraca z systemami centralnymi i przesyłowymi Możliwość połączenia z innymi

źródłami energii Aspekty ekonomiczne Niskie koszty zużycia energii (konieczność zapewnienia energii elektrycznej dla pompy ciepła, brak kosztów zakupu paliwa) Niskie koszty użytkowania (brak mierzalnych emisji, brak potrzeby kontroli kominiarskich) Brak kosztów zakupu paliwa Stosunkowo wyższe koszty inwestycyjne Amortyzacja zależy od ogólnej wysokości kosztów energii Ekonomiczność zależy od umiejętnej instalacji całego systemu oraz taryf energii elektrycznej (zasilanie pompy ciepła) dostawcy prądu

Geotermia (z greckiego: geo – ziemia, therme – ciepło) czyli energia ziemi to ciepło zgromadzone w najbliższej powierzchni warstwie skorupy ziemskiej. Geotermia to również określenie techniczno-inżynieryjne, oznaczające ciepło wnętrza ziemi i jego wykorzystanie jak również badanie stanu termicznego skorupy ziemskiej. Ciepło ziemi widoczne gołym okiem – gorące źródło na Islandii

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Ziemia źródłem ciepła Skorupa ziemska jest, w porównaniu ze śr ednic ą ziemi, wynoszącą około 12 750 km, stosunkowo cienką warstwą. Pod oceanami ma ona grubość od pięciu do dziesięciu kilometrów, podczas gdy pod kontynentami jej grubość waha się od mniej w i ę c e j p i ę t n a s t u d o n awe t pięćdziesięciu kilometrów. Jednak już w niej pojawiają się wysokie temperatury, a jej dolna warstwa jest rozgrzana do temperatury około 1100 °C. Pod skorupą ziemską znajduje się płaszcz ziemski, który można podzielić, według właściwości fizycznych, na płaszcz górny i dolny. Można też wyróżnić strefę przejściową. Płaszcz górny sięga do około 400 km w głąb i osiąga temperaturę 1400 °C, strefa pr zejściowa r ozcią ga się do głębokości 900 km, a płaszcz dolny – do głębokości 2900 km, a jego temperatura dochodzi do 3700 °C.

Skorupa ziemska (ok. 30 km) ok. 3 °C / 100 m Płaszcz ziemski > 1200 °C Jądro Ziemi ok. 5000 °C

Budowa wnętrza Ziemi

Poniżej 2900 kilometrów zaczyna się jądro Ziemi, które składa się z płynnego zewnętrznego i stałego wewnętrznego jądra. W części zewnętrznej panują temperatury wynoszące około 4000 °C, a w samym środku Ziemi temperatura może przypuszczalnie sięgać nawet ponad 5000 °C.

W chwili obecnej gospodarcze wykorzystanie energii geotermalnej jest ograniczone jedynie do górnych warstw skorupy ziemskiej. Rozróżnia się pomiędzy energią powierzchniową gruntu a energią geotermalną (głęboką).

325$'1,. TECHNICZN< 832125 2 P0 2152$ ' 1 , K T E C H N I C = 1 < 8 3 2 1 2 5 2 0 1 2

Energia geotermalna (głęboka) W przypadku energii geotermalnej głębokiej, można rozróżnić główne dwie gałęzie lub systemy zastosowań: energię hydrotermalną i energię petrotermalną. Energia hydrotermalna W przypadku geotermii hydrotermalnej korzysta się z naturalnie występujących zasobów wód term alnyc h (g o r ą c yc h wa r s t w wodonośnych), występujących na dużej głębokości. Warstwy te mogą być wykor zyst ywane do bezpośr edniego (ciep ł o) lub pośredniego (prąd) wykorzystywana energii. Energia petrotermalna W przypadku geotermii petrotermalnej ciepło uzyskiwane jest z gorących skał o dużej gęstości. W tym przypadku energia geotermalna może być pozyskiwana przy pomocy metody zwanej Hot-DryRock. W otwor y, wywiercone w skale na głębokość tysięcy metrów, wtłacza się pod wysokim ciśnieniem wodę, która szczelinuje skałę.

Tak przygotowany podziemny „wymiennik ciepła” zapewnia dop ł yw gorącej wody, k tóra wypływa z otworów pod postacią gorącej pary i porusza turbiny, produkując w ten sposób energię elek tr yc zną lub pozwala na bezpośrednie wykorzystanie otrzymanego ciepła. Energia powierzchniowa gruntu Energia powierzchniowa gruntu to taka energia, w której zakres wykorzystywanej głębokości nie przekracza 400 metrów. W tym pr zypadku temperatura skał rośnie o 3 °C co każde 100 metrów głębokości. Średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi około 13 °C i zależy ona od działania energii słonecznej, wypromieniowywania energii w kosmos, przepływy cieków i strumieni geotermic znych oraz zależnościami między wszystkimi tymi czynnikami.

towego do wykorzystania ciepła. A by o gr z ać budynk i i wo dę u ż y t kową , n a l e ż y p o d ni e ś ć temperaturę wody do żądanej wartości, do czego służy pompa ciepła. Oprócz głębokości i rodzaju skał, w pozyskiwaniu energii dużą rolę odgrywają też wody gruntowe. W warunkach środkowoeuropejskich mają one mniej więcej tę samą temperaturę przez cały rok. W wyniku ciągłego przepływania wód gruntowych, energia do ogrzewania lub chłodzenia jest zapewniana przez cały czas. Nawet jeśli przez cały rok temperatura powietrza na zewnątrz może zmieniać się dość znacząco, na głębokości kilku metrów panuje w miarę stała temperatura, wynosząca około 10 °C. Dlatego też geotermia powierzchniowa stanowi stałe i nieprzerwanie funkcjonujące źródło energii, z którego można korzystać przez cały rok do ogrzewania i chłodzenia budynków.

Energia powierzchniowa gruntu, w przeciwieństwie do energii geoter malnej gł ębokiej, nie zapewnia energii w postaci go-

P ORADNIK TECHNICZMY UPONOR 2012

Podstawy Informacje ogólne W procesie planowania wykorzystania źródła energii geotermicznej, najistotniejsze jest sprawdzenie miejscowych warunków energetycznych. Należy dokładnie zbadać właściwości gleby w odniesieniu do zawartości wody, własności termiczne gleby, czyli współczynnik przewodnictwa cieplnego, grubość, właściwą i ukr y t ą pojemność c i e p l n ą , j a k r ów n i e ż o c e n i ć

różnorodne procesy transportowania ciep ła. Takie badanie to war unek koniec zny, aby móc zdec ydować o pr z ydatności dostępnej działki do zastosowań geotermicznych. Zbadanie i zmierzenie źródła energii geotermicznej ma istotny wp ł y w na sprawność energetyczną zastosowanej pompy ciepła. Pompy ciepła, które charakteryzują się wysoką

Obszar o wysokim potencjale geotermicznym

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

wydajnością, mogą, w połączeniu ze źle obliczonym źródłem energii, zużywać wysokie ilości energii elektrycznej, co jest wybitnie niepożądane.

System pompy ciepła Pod pojęciem systemu pompy ciepła rozumiemy system energetyczny, składający się ze źródła ciepła, pompy ciepła i układu odbiorczego.

Źródła ciepła: Powietrze System wykorzystania ciepła

Źródło ciepła

Woda Pompa ciepła

Źródłem ciepła dla systemów pompy ciepła może być powietrze, woda lub gleba. O wykorzystaniu geotermicznym mówimy, kiedy źródłem ciepła jest gleba. W przypadku wykorzystania zasilania gruntowego, najistotniejsze znaczenie, a przez to zdolność do regeneracji gruntu, mają warunki geologiczne, hydrologiczne oraz klimatyczne.

Grunt

System pompy ciepła

Na zawar tość wody w glebie najwięk sz y wp ł y w ma efek t kapilarności i wynoszenia wody ponad poziom wody gruntowej oraz penetracja wilgoci wywołanej opadami deszczu.

ie wartościom pomijalnym, czyl i p o t e n c j a ł o s m o t y c z n y, potencjał obciążeniowy oraz potencjał ciśnieniowy. W stanie s p o c z y n k u o byd w a g ł ów n e potencjały wyrównują się.

ΨGes = ΨM + ΨG = 0 [Vol. %]

Stacjonarna zawartość wody w zależności od wysokości ponad poziom wód gruntowych 0.5

Objętościowa l zawartość wody

Geologia, hydrologia i klimat Gleba zawiera zwykle od 35 do 45 procent pustej przestrzeni. Jeśli ta przestrzeń wypełni się wodą, przewodnictwo cieplne, gęstość oraz szczególna i ukryta pojemność cieplna gleby się zwiększy. Wywiera to pozytywny efekt na maksymalną możliwą do osiągnięcia wydajność kolektora gruntowego.

Potencjał matr ycowy ΨM (ciśnienie ssące) gleby opisuje zakres, do jakiego woda istniejąca w glebie powiązana jest z matrycą glebową. Im mniej jest wody w glebie, tym bardziej pozostała woda powiązana jest z matrycą glebową. Potencjałowi matrycowemu przeciwstawiony jest p o t e n c j a ł g r aw i t a c y j ny Ψ G (c i ś n i e n i e d y n a m i c z n e) l u b w ysokoś ć geodez y jna, jak również czynniki, które są blisk-

0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0.1

100

Potencjał matrycowy albo wysokość powyżej poziomu wód gruntowych [m] Piasek Piasek gliniasty Muł

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Glina mulista Glina

Oprócz wysokości ponad poziomem wody gruntowej, tak że uśredniona wartość opadów, przenikających do gleby przez dłuższy czas ma duży wpływ na zawartość wody w interesującej nas glebie. Krótkotrwałe deszcze, po których woda jedynie spł ywa po powierzchni, nie mają większego wpływu na glebę. Im wyższa jest zawartość wody w glebie, tym lepiej gleba pozwala wodzie przesączać się (przenikalność wody gruntowej). Przy stosunkowo obfitych i długich opadach deszczu zawartość wody w glebie wzrasta, aż woda może przesączać się w dół w wyniku działania grawitacji. Ilość wody, jaka przez miesiąc przesącza się do gleby, wynika z różnicy pomiędzy opadem oraz parowaniem prosto z gleby oraz pośrednio przez rośliny. Właściwości gleby w okresie grzewczym są poddawane największym zmianom w październiku i listopadzie. W tych miesiącach wzrost roślin oraz średnia temperatura na zewnątrz zmniejsza się, przez co zmniejsza się także stopień parowania.

To powoduje, że kierunek przepływu opadu jest zmienny. Jest on ograniczany w górnych warstwach gleby przez jej chłonność oraz przenikalność wód gruntowych, zależną od zawartości wody do takiego stopnia, że jej zawartość mogą zmienić jedynie długoterminowe zmiany w ilości opadów. Przez to zawartość wody w określonej glebie zmienia się w wyniku opadów przez średnio kilka tygodni.

one także z trzech stanów skupienia – ciał stałych, wody i gazów – od których zależy ich gęstość, przewodnictwo cieplne oraz szczególna i ukryta pojemność cieplna. Te charakterystyki są niezwykle trudne do określenia, ponieważ podlegają wpływowi wielu zmiennych i najlepiej jest określać według istniejących opisów gleb dla określonych regionów klimatycznych i geograficznych.

Gleby, jakie najczęściej spotyka się w przyrodzie, są mieszaninami piasku, mułu i gliny. Składają się

Informacja: Szczególne przewodnictwo cieplne λ [W/(K • m)] opisuje zdolność skały do przewodzenia energii termicznej poprzez przewodnictwo cieplne. To stała materiałowa, zależna od temperatury. Szczególna pojemność cieplna cp [MJ/(m³ · K)] określa ilość energii potrzebnej do ogrzania 1 m³ skały o 1 K. Im większą ma ona wartość, tym więcej energii cieplnej skała może zatrzymać (przechować), a potem oddać.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Przykłady przewodnictwa cieplnego i zależnej od objętości szczególnej pojemności cieplnej podpowierzchniowej przy temperaturze 20 °C

Inne materiały

Skały metamorficzne

Skały magmowe

Skały osadowe

Skały nieskamieniałe

Rodzaj skały

Przewodnictwo cieplne W/(m · K) Wartość zalecana

Objętościowa Gęstość szczególna 10² kg/m³ pojemność cieplna MJ/(m³ · K)

Glina/muł, suche

0,4 – 1,0

0,5

1,5 – 1,6

1,8 – 2,0

Glina/muł, nasycone wodą

1,1 – 3,1

1,8

2,0 – 2,8

2,0 – 2,2

Piasek suchy

0,3 – 0,9

0,4

1,3 – 1,6

1,8 – 2,2

Piasek wilgotny

1,0 – 1,9

1,4

1,6 – 2,2

1,9 – 2,2

Piasek nasycony wodą

2,0 – 3,0

2,4

2,2 – 2,8

1,8 – 2,3

Żwir/kamienie, suche

0,4 – 0,9

0,4

1,3 – 1,6

1,8 – 2,2

Żwir/kamienie, nasycone wodą

1,6 – 2,5

1,8

2,2 – 2,6

1,9 – 2,3

Materiał polodowcowy

1,1– 2,9

2,4

1,5 – 2,5

1,8 – 2,3

Torf, węgiel brunatny

0,2 – 0,7

0,4

0,5 – 3,8

0,5 – 1,1

Łupek i l a s t y / p i a s k o w i e c 1,1 – 3,4 drobnoziarnisty

2,2

2,1 – 2,4

2,4 – 2,6

Piaskowiec

1,9 – 4,6

2,8

1,8 – 2,6

2,2 – 2,7

Psefit/brekcja

1,3 – 5,1

2,3

1,8 – 2,6

2,2 – 2,7

Margiel

1,8 – 2,9

2,3

2,2 – 2,3

2,3 – 2,6

Wapień

2,0 – 3,9

2,7

2,1 – 2,4

2,4 – 2,7

Dolomit

3,0 – 5,0

3,5

2,1 – 2,4

2,4 – 2,7

Anhydryt

1,5 – 7,7

4,1

2,0

2,8 – 3,0

Gips

1,3 – 2,8

1,6

2,0

2,2 – 2,4

Skały chlorkowe

3,6 – 6,1

5,4

1,2

2,1 – 2,2

Antracyt

0,3 – 0,6

0,4

1,3 – 1,8

1,3 – 1,6

Tuf

1,1

Kwaśne skał y np. ryolit, trachit 3,1 – 3,4 wulkaniczne np. trachybazalt, 2,0 – 2,9 dacyt

3,3

2,1

2,6

2,9

2,9 – 3,0

Pospolite skały np. andezyt, bazalt 1,3 – 2,3 wulkaniczne

1,7

2,3 – 2,6

2,6 – 3,2

Plutonit, kwaśny Granit do średniego Sjenit

2,1 – 4,1

3,2

2,1 – 3,0

2,4 – 3,0

1,7 – 3,5

2,6

2,4

2,5 – 3,0

Plutonit

Dioryt

2,0 – 2,9

2,5

2,9

2,9 – 3,0

Gabro

1,7 – 2,9

2,0

2,6

2,8 – 3,1

o małym stopniu Łupek 1,5 – 2,6 metamorficzŁ u p e k k r z e m i - 4,5 – 5,0 ności onkowy

2,1

2,2 – 2,5

2,4 – 2,7

4,5

2,2

2,5 – 2,7

o średnim lub Marmur wysokim stopniu Kwarcyt metamorf. Łupek mikowy

2,1 – 3,1

2,5

2,0

2,5 – 2,8

5,0 – 6,0

5,5

2,1

2,5 – 2,7

1,5 – 3,1

2,2

2,2 – 2,4

2,4 – 2,7

Gnejs

1,9 – 4,0

2,9

1,8 – 2,4

2,4 – 2,7

Amfibolit

2,1 – 3,6

2,9

2,0 – 2,3

2,6 – 2,9

Bentonit

0,5 – 0,8

0,6

~3,9

Beton

0,9 – 2,0

1,6

~1,8

~2,0

Lód (-10°C)

2,32

1,89

0,919

Tworzywo sztuczne (HD-PE)

0,42

1,8

0,96

Powietrze (0°C to 20°C)

0,02

0,0012

Stal

3,12

7,8

Woda (+10°C)

0,56

4,15

0,999 Źródło: VDI 4640

Uwaga: W przypadku skał luźnych, gęstość zmienia się wraz z upakowaniem materiału skalnego oraz zawartością wody. W przypadku piaskowca, psefitu i brekcji, zakres przewodnictwa temperaturowego jest szeroki. Wpływ na to ma, oprócz materiału ziarnistego, obecności wody oraz nasączenia nią skały, rodzaj skały, stanowiącej spoiwo 325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Woda gruntowa, która posiada sporą pojemność cieplną , wynoszącą 4,190 J/kgK w temperaturze 10 °C, odgrywa istotną rolę w ogólnej pojemności ciepln e j s y s t e m ów g r u n t ow yc h. W odniesieniu do przepuszczalności wody gruntowej, rozróżnia się pomiędzy Wartości referencyjne dla przepuszczalności skał luźnych

przepuszczalnością porowatościową, a przepuszczalnością połączeniową, co dotyczy podziemnej powierzchni skały luźnej lub litej. W przypadku skały luźnej (warstwy wodonośnej porowatej) znaczenie ma grubość materiału oraz jego rozmieszczenie, podczas gdy w przypadku skały litej,

wody gruntowej jest gęstość i szerokość połączeń między okruchami skały. Tabela poniżej przedstawia wartości dla przepuszczalności w skale luźnej.

ważniejsza dla przepuszczalności

Skała luźna

Czysty żwir Żwir piaszczysty Piasek drobny, ilasty Ił, glina mulista Glina

Współczynnik przewodnictwa hydraulicznego k f [m/s] powyżej 10-2 powyżej 10-4 do 10-2 powyżej 10-6 do 10-4 od 10-8 do 10-6 poniżej 10-8

Ocena przepuszczalności

wysoce przepuszczalne wysoce przepuszczalne przepuszczalne słabo przepuszczalne nieprzepuszczalna Źródło: VDI 4640

Temperatura rośnie średnio o 3 °C na każde 100 m w głąb. Zmiana temperatury przez cały rok (Europa centralna) w górnych 15

m gleby jest pokazana na ilustracji poniżej. Zimą, temperatury na zewnątrz mogą często spadać poniżej zera, ale na kilku metrach

Temperatura (powierzchnia ziemi) [°C]

Głębokość w podłożu [m]

Z rocznego przebiegu temperatur w górnej war st wie gleby widać, że energia w gruncie jest zawsze obecna, a grunt jest stałym jej źródłem.

Temperatura (głębokość) [°C]

Temperatura gruntu rośnie średnio o 1 °C na każde 33 m w. głąb. 1. lutego

głębokości temperatura gleby osiąga już średnio 10 °C. Latem temperatura na zewnątrz wynosi średnio 20 °C, jednak gleba na głębokości kilku metrów ma stałą temperaturę około 10 °C. Tak samo jest w większości przypadków w sezonach przejściowych – wiosną i jesienią.

1. maja

1. listopada

1. sierpnia

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Pompy ciepła Pompy ciep ła to ur ządzenia wykorzystujące chłodną parę, które pozwalają wykorzystać energię otoczenia o niskiej temperaturze

do ogrzewania lub chłodzenia bud y n k ó w. C i e p ł o l u b c h ł ó d pochodzące z ziemi, czyli energia o t o c ze ni a, s ą p oz y s k i wa n e

z otaczającego powietrza, wody lub gruntu. Przy użyciu energii elektrycznej temperatura jest podnoszona do pożądanego poziomu. Zasada działania pompy ciepła

Sprężarka

Parownik Skraplacz System grzewczy

Zawór dławiący

Obieg, który przebiega przez pompę ciepła, składa się z czterech elementów – parownika, sprężarki, skraplacza i zaworu dławiącego. Nośnikiem energii cieplnej jest płyn chłodzący o bardzo niskiej temperaturze wrzenia. Nośnik przejmuje w parowniku ciepło z otoczenia i przechodzi w stan gazowy. W sprężarce opary nośnika są podgrzewane poprzez ich sprężenie. Do tego celu, urządzenie potrzebuje dodatkowego zasilania. W skraplaczu, energia cieplna jest wymieniana z obie-

giem ciepła. W zaworze nośnik jest rozprężany, aby mógł ponownie przejść od nowa przez cały cykl. Pompy ciepła można podzielić na: pompy powietrze/woda, pompy woda/woda, pompy solanka/woda. Przeznaczenie każdego z tych typów pomp zależy od tego, który czynnik pochłania ciepło (czynnik pr zenoszący ciepło), a które

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

rozprowadza je po budynku. Jeśli solanka (tej nazwy zwyczajowo używa się wobec mieszaniny wody i glikolu, ponieważ obecnie nie stosuje się roztworów NaCl) pochłania ciepło przepływając przez odbiornik gruntowy. Jeśli ciepło oddawane jest poprzez wodę płynącą przez podłogowy system ogrzewania, mamy do czynienia z pompą ciepła solanka/ woda.

odniesieniu do trybów funkcjonowania, istnieje podział na następujące systemy urządzeń: monowalentne (jedno źródło energii), biwalentne (dwa źródła energii), monoenergetyczne (jedno źródło energii).

Pompy powietrze/woda podlegają bezpośrednio zmianom temperatur na zewnątrz. Stąd zimą, kiedy zapotrzebowanie na ciepło jest największe, temperatura powietrza sprawia, że daje ono najmniej en-

ergii i ma najniższą wydajność energetyczną. Aby pokryć zapotrzebowanie na ciepło w tych ekstremalnych przypadkach, szczyt obciążenia może być albo zaspokojony monoenergetycznie poprzez dodatkowe ele-

Pompa ciepła w systemie monowalentnym

Pompa ciepła działająca w systemie biwalentnym równoległym

Pompa ciepła w systemie monoenergetycznym

-10

-5 0 5 10

100% Dni

-5 -3 0

Punkt wymiarowania

5 10 15 20

> 95 % Dni

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Temperatura [°C]

-15

Temperatura [°C]

-15

Temperatura [°C]

-15 Punkt wymiarowania

ktryczne źródło ciepła lub biwalentnie poprzez drugie źródło energii (np. kocioł na paliwo stałe).

-5 0 3 5 10 15 20

Punkt wymiarowania

> 60 % Dni

Systemy ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego wypełnione wodą

Przegląd systemów pomp ciepła

System wykorzystania ciepła

Pompa ciepła Źródła ciepła

Wymiana ciepła

Pompa ciepła solanka/woda

Pompa ciepła woda/woda

Pompa ciepła powietrze/woda

Woda

Powietrze

Woda gruntowa Wody powierzchniowe

Powietrze

Grunt

Kolektor poziomy Kolektor pionowy

W przypadku zastosowań gruntowych stosuje się pompy ciepła solanka/woda. W tym typie pomp przez wymiennik ciepła płynie mieszanka wody i glikolu. Aby ocenić jakość grzania systemu pompy ciepła, używa się tzw. se-

zonowego współczynnika wydajności β. Pokazuje on stosunek dostarczonej energii grzewczej do dostarczonej energii elektrycznej przez cały rok. Im

wyższy jest współczynnik w ydajno ś c i s e zonowej, t ym wyższa jest wydajność pompy ciepła. Zwykle pr zyjmuje on wartości między 3 a 4,5.

Współczynnik wyd. se-

W (użytkowa energia termiczna)

zonowej b

W (dostarczona energia elektryczna)

Zapewnienie bezpieczeństwa funkcjonowania Aby móc ocenić ilość energii lub wydajność, jaką można pozyskać lub przesłać do gruntu przez wymiennik ciepła, kryteria oceny należy tak zdefiniować, aby za ich pomocą określić wydajność systemu i których wartości granicznych nie wolno przekraczać. Aby mieć pewność, że pompa ciepła nie ulegnie zniszczeniu, muszą być spełnione następujące kryteria: Bezpieczeństwo funkcjonowania jest rozumiane jako zapobieganie zniszczeniom systemu i uwzględnianie maksymalnej sprawności pompy ciepła, aby zapewnić bezpieczne funkcjonowanie przez cały rok. W odniesieniu do źródła cie-

pła, oznacza to, że temperatura solanki nie może nigdy spaść poniżej temperatury krzepnięcia, określonej przez producenta pompy ciepła. Solanka jest ochładzana w parowniku, zanim z powrotem zostanie ogrzana przez źródło ciepła. Dlatego jest to najniższa temperatura, jaką uzyskuje w całym systemie. Popularne nośniki ciepła, zawierające wodę, zwiększają podczas krzepnięcia objętość. Istnieje zatem zagrożenie zniszczenia instalacji, jeśli dojdzie do zamarznięcia czynnika. Nośniki ciepła, najczęściej stosowane jako źródła ciepła, to mieszaniny wody i glikolu (przeważnie

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

g l i ko l u m o n o e t y l e n o w e g o). W przypadku mieszaniny o proporcjach 3:1, zagwarantowane jest bezpieczeństwo niezamarznięcia mieszanki do ok. -14 °C. Należy zatem zadbać, aby temperatura w systemie nie spadła poniżej tej wartości. Z tego powodu większość producentów dołączyła do systemu zintegrowane urządzenia bezpieczeństwa, aby odpowiednio wcześnie wyłączyć pompę ciepła. Taką funkcję może na przykład przejąć przełącznik sterujący ciśnieniem, umieszczony w przewodzie ssawnym, doprowadzonym do sprężarki. Jeśli ciśnienie spadnie do poziomu, odpowiadającego temperaturze parowania ok. -15 °C lub w przypadku przegrzania, które odpowiada temperaturze

gazu zasysanego, wynoszącej -10 °C, wyłącznik kontrolny ciśnienia wyłączy pompę ciepła. W zależności od charakterystyk przesyłu ciepła parownika oraz rozkładu temperatur w obiegu solanki, temperatura gazu zasys a n e g o, w y n o s z ą c a -10 ° C odpowiada temperaturze powracającej solanki, wynoszącej ok. -5 °C.

Z wymienionych powyżej powodów bezpieczeństwa i częściowo z powodu maksymalnego możliwego stopnia sprężania, temperatura ta jest określona przez większość producentów jako graniczna. Z tego względu system źródła ciepła musi być montowany w taki sposób, aby temperatura solanki wracającej do pompy ciepła nie spadła poniżej -5 °C również podczas szczytowych poborów ciepła zimą.

Tab e l a p o niże j p r ze d s t awia przykład obliczenia kosztu funkcjonowania pompy ciepła w porównaniu z tradycyjnymi źródłami ciepła.

Przykładowe porównanie kosztu posiadania pompy ciepła w Niemczech

Wymagana energia grzewcza [kWh] Sprawność/współczynnik wydajności sezonowej Otrzymana ilość energii [kWh] Cena za kWh [ct/kWh] Cena podstawowa [EUR/rok] Koszty operacyjne [EUR/rok] Koszty pomiaru spalin [EUR/rok] Koszt całkowity [EUR/rok] Różnica [EUR/rok] Koszty w ujęciu procentowym

Gaz 20,000 85% 23,529 6,68 142,8 1,714,56 45,11 1,759,65 – 100%

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Pompa ciepła 20,000 4 5,000 13,61 41 ,40 721,90 – 721,90 1,037,75 41%

Systemy ogrzewania Systemy niskotemperaturowe są szczególnie dobrze przystosowane do współpracy z pompami ciepła. Z powodu dużej powierzchni grzania, temperatura robocza, wymagana do ogrzania pomieszczenia, jest t ylko nieznacznie wyższa (ogrzewanie) lub niższa (chłodzenie) od temperatury pomieszczenia, co znacznie poprawia wydajność pomp ciepła, współpracujących z kolektorami gruntowymi. Systemy niskotemperaturowe obejmują systemy ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego, w których istnieje obieg wody: Systemy ogrzewania i chłodzenia podłogowego. Systemy ogrzewania i chłodzenia ściennego. Systemy ogrzewania i chłodzenia sufitowego. W przypadku systemów ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego, energia jest przekazywana prawie wyłącznie przez promieniowanie, a nie przez konwekcję. To zapobiega podnoszeniu się i przemieszczaniu kurzu w pomieszczeniu. Ponieważ systemy ogr zewania i chłodzenia płaszczyznowego są "niewidzialne", nie zajmują cennej przestrzeni i oferują prawie niczym nieskrępowaną swobodę w projektowaniu i umeblowaniu pomieszczeń, jak również optymalny stosunek przestrzeni użytkowej do całkowitej. Systemy ogrzewania i chłodzenia podłogowego Istnieją rozwiązania systemowe, które są idealne nie tylko do potrzeb nowych budynków, ale także do renowacji starych podłóg. Aby dodatkowo zwiększyć komfort w pomieszczeniach, te same systemy mogą służyć do ich chłodzenia.

Tr zeba pamiętać, że funkcja chłodzenia może być wprowadzona w każdej chwili.

ponieważ oferują większy komfort oraz wydajność, w porównaniu

Systemy ogrzewania i chłodzenia podłogowego są montowane na różne sposoby. Najbardziej typowymi sposobami w przypadku nowych i remontowanych budynków są:

Systemy ogrzewania i chłodzenia sufitowego można podzielić na:

Systemy jastrychów cienkich. Systemy jastrychów mokrych. Systemy jastrychów suchych. Systemy ogrzewania i chłodzenia ściennego Systemy ogrzewania i chłodzenia ściennego stanowią alternatywę lub r oz s ze r ze ni e s ys t e m ów podłogowych. Należ y pr z y t ym dokonać rozróżnienia między: Systemami zabudowy suchej. Systemami zabudowy mokrej. Systemy zabudowy suchej wykorzystywane są podczas remontów, jeśli konstrukcja posadzki nie jest lub nie może być zmieniana. Oprócz istniejących ścian, powierzchniami grzewczymi lub chłodzącymi mogą być również ściany w zabudowie lekkiej. W zależności od konstrukcji ściany, system jest montowany pod panelami lub bezpośrednio na warstwie tynku. Systemy zabudowy mokrej wykorzystuje się w przypadku częściowego remontu lub wtedy, kiedy kładziony jest nowy tynk. Systemy ogrzewania i chłodzenia sufitowego Ogrzewanie i chłodzenie, zapewniane przez systemy sufitowe, stosowane jest coraz c zę ściej,

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

z klimatyzacją.

Sufity podwieszane lub panele sufitowe. Stropy chłodzące/grzewcze TABS. Sufity podwieszane są używane zarówno w przypadku nowych, jak i remontowanych budynków. Ogrzewanie i chłodzenie realizowane jest poprzez zaistalowane w tych elementach rury, w których cyrkuluje bezpośrednio woda. Stropy betonowe wykorzystuje się do celów chłodzenia lub ogrzewania w przypadku budynków wielopiętrowych. To przyszłościowe rozwiązanie daje w efekcie aktywne termicznie sufity. Stropy chłodzące/grzewcze są wykorzystywane do zapewniania komfortu cieplnego w budynku w prosty, przyjazny środowisku i oszczędny sposób. System ten powinien być stosowany w przypadku budynków o niskim lub średnim obciążeniu chłodniczym, aby mogły poradzić sobie z upałami w lecie. W przypadku budynków o średnim lub dużym obciążeniu chłodniczym stropy chłodzące/grzewcze mogą być wykorzystana jedynie do pokrycia obciążenia podstawowego.

System Ĺ&#x203A;cienny Uponor

System Uponor Contec

System Uponor Minitec

Kolektory poziome Uponor

Klatki energetyczne Uponor

Kolektory palowe Uponor

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Kolektory pionowe Uponor

System Uponor Classic

System Uponor Siccus

System Uponor Klett

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Systemy wykorzystujące energię powierzchniową gruntu Przegląd systemów Mówiąc o kolektorach gruntowych (wymiennikach ciepła), należy rozróżnić pomiędzy kolektorami pionowymi, a poziomymi. Konwencjonalne systemy kolektorów gruntow ych można sklasyfikować w następujący sposób:

Poziome Kolektor poziomy lub kolektor powierzchniowy (wymiennik ciepła ziemia-powietrze). Klatki energetyczne i spirale. Pionowe Odwierty. Kolektory palowe i ściany szczelinowe.

Zastosowanie konkretnego rodzaju systemu kolektorów gruntowych zależy od jego bezpośredniego o t o c z e n i a (w ł a s n o ś c i g l e b y i uwarunkowań klimatycznych), wydajności, trybu funkcjonowania, rodzaju budynku (komercyjnego lub prywatnego), dostępnego miejsca i regulacji prawnych.

Kolektory poziome Są to wymienniki ciepła instalowane pionowo lub poziomo w wierzchniej warstwie gleby o grubości pięciu metrów. To również pojedyncze obwody rur lub systemy rur równoległych, które są zwykle kładzione obok budynków lub pod nawierzchniami.

Klatki energetyczne Są to wymienniki ciepła, instalowane pionowo w gruncie. W tym przypadku pojedyncze obwody mają spiralny lub stożkowy kształt. Klatki energetyczne to szczególna forma kolektorów poziomych.

Kolektory palowe Są to wymienniki ciepła ułożone w tach, montowane w miejscach, w których jest ograniczona ilość dostępnego miejsca. To pojedyncze lub zwielokrotnione obwody, montowane w pętlach, spiralach lub meandrach. Montaż ułatwiają przygotowane fabrycznie pale, można też instalować je bezpośrednio na budowie w przygotowanych odwiertach, wypełnianych następnie betonem.

Kolektory pionowe Są to wymienniki ciepła, instalowane pionowo lub ukośnie w gruncie. W tym wypadku jeden (jedna pętla) lub dwa (podwójna pętla) obwody są wkładane w odwiert równolegle lub koncentrycznie jako rura w rurze.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Tryby pracy Tryb pracy i wynikający z niego koszt funkcjonowania pompy ciepła są określane zgodnie z wymaganiami grzewczymi lub chłodniczymi dla danego budynku.

Tryb grzania Energia elektryczna

System grzewczy

Energia gruntowa

System chłodniczy

Energia gruntu jest wykorzystywana jako źródło ciepła. Pompa ciepła zwiększa temperaturę czynnika do takiego poziomu, jaki można wykorzystać do ogrzewania budynku.

Tryb chłodzenia (aktywnego) Energia elektryczna

Energia gruntowa

System grzewczy

Energia gruntu jest wykorzystywana kiedy ciepło zanika (źródło chłodzenia). Niewystarczający poziom temperatury dla chłodzenia pasywnego. Aktywna sprężarka. Możliwe funkcjonowanie podwójne.

System chłodniczy

Tryb chłodzenia pasywnego Energia elektryczna

Energia gruntowa

System grzewczy

Energia gruntu jest wykorzystywana jako źródło ciepła. Poziom temperatury z energii gruntu wystarcza do ogrzewania pasywnego – aktywna jest tylko pompa ciepła. Niemożliwe funkcjonowanie podwójne. Niskie koszty eksploatacyjne.

System chłodniczy

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Tryb ogrzewania i chłodzenia – funkcjonowanie podwójne Energia elektryczna

System grzewczy

Energia gruntowa

W zależności od balansu energetycznego budynku, energia gruntu jest wykorzystywana jako źródło i zasób ciepła (źródło chłodu).

System chłodniczy

Tabela rodzajów systemów energii gruntowej w zależności od trybu funkcjonowania i rozmiarów systemu Tryb funkcjonowania

Ogrzewanie

Rozmiar systemu Kolektor pionowy Kolektor poziomy Klatka energetyczna Kolektor palowy

< 30 kW l l l l

Chłodzenie

> 30 kW l  l l

Aktywne < 30 kW l   

> 30 kW l – – l

Pasywne / swobodne < 30 kW > 30 kW l l –  – l l 

l możliwy do zastosowania  zastosowanie uzależnione od warunków ogólnych Tryb chłodzenia pasywnego Kolektory gruntowe to jedyny system, który pozwala na tak zwane chłodzenie pasywne. Kolektory pionowe to najwydajniejsze źródło dla wszystkich potencjalnych zastosowań tego trybu pracy. Warunkiem powodzenia tego rozwiązania jest zastosowanie płaszczyznowego systemu ogrzewania lub chłodzenia. Ten tryb pracy ma kilka zalet, zarówno dla użytkownika, jak i dla środowiska naturalnego: Zapewnia odpowiedni komfort wewnątrz domu. Usprawnia wskaźnik wydajności sezonowej całego systemu poprzez odnawianie się temperatury gruntu. Minimalne dodatkowe koszty

inwestycyjne, niskie koszty eksploatacyjne. Oszczędzanie zasobów. Dostosowane do potrzeb środowiska naturalnego. Ze względu na ulepszoną izolację nowych budynków, podejście do ogrzewania i chłodzenia zmienia się. Podczas gdy w przeszłości skupiano się na ogrzewaniu, obecnie większą uwagę przypisuje się chłodzeniu, co wynika ze zwiększonej potrzeby zapewnienia sobie komfortu. Nowoczesne budynki mają tendencję do przegrzewania się w cieplejszych porach roku. Aby temu przeciwdziałać, zwykle zacienia się budynki i powierzchnie. Tymczasem, aby osiągnąć komfortową temperaturę, wynoszącą 26°C, można wykorzystać chłód, jaki drzemie

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

w gruncie i przesłać do domu poprzez systemy chłodzenia płaszczyznowego. Poprzez transfer nadmiaru ciepła z budynku do gruntu, jest on akt y w ni e r e g e n e r owa ny, c z y li ponownie nagrzewany. W przypadku domu jednorodzinnego, więcej ciepła pobierane jest z ziemi zimą, niż oddawane jest latem. To nie musi stanowić problemu, ponieważ zwykle podczas przechodzenia z ogrzewania na chłodzenie wystarcza czasu, aby grunt w naturalny sposób się zregenerował. Aktywna regeneracja tylko wspomaga ten proces. W pr z ypadku kor z ystania z chłodzenia pasywnego, koszty inwestycyjne rosną naprawdę nieznacznie. Monitorowanie punktu rosy i przełączanie pomiędzy

Temperatura pomieszczenia [°C]

Temperatura pomieszczenia bez używania chłodzenia pasywnego 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15

Temperatura pomieszczenia w ciągu dnia Optymalna temperatura pomieszczenia Zwykły zakres temperatury pomieszczenia

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0

Czas [h]

Temperatura pomieszczenia bez używania chłodzenia pasywnego Ilustracja po lewej przedstawia wykres temperatury wewnątrz pomieszczenia z zewnętrznym zacienieniem podczas typowego dnia w lipcu. Przegrzanie pomieszczenia jest gwarantowane..

Temperatura pomieszczenia bez używania chłodzenia pasywnego Temperatura pomieszczenia [°C]

27 26 25 24 23 22 21 20 19

Optymalna temperatura pomieszczenia

Zwykły zakres temperatury pomieszczenia

16 15

Temperatura pomieszczenia przy użyciu chłodzenia pasywnego Wykorzystanie chłodzenia pasywnego daje wyraźną poprawę operacyjnej temperatury pomieszczenia.

Temperatura pomieszczenia w ciągu dnia

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0

ogr zewaniem, a chłodzeniem może być prowadzone poprzez nowoczesne regulowanie lub systemy ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego, np. Dynamic

Czas [h]

Energy Management (DEM). Koszty dodatkowe pojawiają się wtedy, kiedy stosowane są czujniki wilgotności.

Przykład obliczenia – potencjalne koszty roczne w przypadku chłodzenia pasywnego

Energia elektryczna En. el. z obliczonym stopniem przepływu Czas działania Całkowite roczne zap. na energię Taryfa za kWh Roczne koszty energii Całkowite koszty energii

Pompa cyrkulacyjna solanki 5 – 70 W 60 W 800 h 48 kWh 0,20 EUR/kWh 9,60 EUR

Pompa cyrkulacyjna emitera 16 – 310 W 55 W 800 h 44 kWh 0,20 EUR/kWh 8,80 EUR 18,40 ¤

Przykład obliczenia – potencjalne koszty roczne w przypadku chłodzenia aktywnego Energia elektryczna En. el. z obliczonym stopniem przepływu Czas działania Całkowite roczne zap. na energię Taryfa za kWh Roczne koszty energii Całkowite koszty energii

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Sprężarka 2,300 W – 800 h 1,840 kWh 0,20 EUR /kWh 368 EUR

Pompa cyrkulacyjna emitera 16 – 310 W 55 W 800 h 44 kWh 0,20 EUR/kWh 8,80 EUR 376,80 ¤

Kolektory poziome System/zakres zastosowania Opis zastosowania Kolektory poziome są najczęściej stosowanym rodzajem wymienników ciepła energii gruntowej. System składa się z poziomych rur, kładzionych równolegle do

Korzyści Stosunkowo niski koszt inwestycji. Korzystny współczynnik wydajności sezonowej. Łatwy montaż. Idealne rozwiązanie dla domów jednorodzinnych lub wielorodzinnych oraz niewielkich budynków przemysłowych i przedsiębiorstw. Niewielka głębokość instalacji bez wpływu na bilans hydrologiczny. powierzchni gruntu. Ważną zaletą systemów poziomych są niskie koszty inwestycyjne przy stosunkowo wysokim współczynniku wydajności sezonowej. Ze wszystkich systemów energii gruntowej kolektor poziomy jest wariantem angażującym najmniej środków. Trzeba jednak zapewnić stosunkowo duży obszar niezagospodarowanego gruntu. Alternatywą dla kolektorów poziUwaga: Łączenie kolektorów poziomych ze stacją grzejną Uponor EPG6 to rozwiązanie wprost idealne.

Schematyczna ilustracja poziomego systemu kolektorów

omych jest aktywowanie płyt fundamentowych na potrzeby ogrzewania lub chłodzenia. W takim przypadku oprócz samego budynku, niepotrzebna jest dodatkowa powierzchnia. Ponieważ wiele budynków stawianych jest na płycie fundamentowej, wałach fundamentowych lub głębokich fundamentach, bądź też kombinacji tych r oz w i ą z a ń, p o l e d o p o p i s u w odniesieniu do zastosowania energii gruntowej jest bardzo szerokie. Pod pł ytą fundamentową lub posadzką, czyli między gruntem a płytą, często znajduje się warstwa chudego betonu lub żwiru. Aby w ykor z yst ać energię gruntową, rury mogą być układane

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

właśnie w tej warstwie. Wydajność, jaką mogą zapewnić płyty fundamentowe, jest ogranic zona i w yraźnie niższa niż wydajność niezabudowywanych kolektorów poziomych. Oprócz warunków glebowych bardzo istotny jest poziom wód gruntowych i kierunek płynięcia wód gruntowych. Należy za wszelką cenę unikać temperatur zamarzania!

Nawet 99 procent ciepła, pozyskanego z gruntu za pomocą kolektorów horyzontalnych, to zachowana energia słoneczna, która została zgromadzona w glebie, a nie energia z wnętrza ziemi. Z tego powodu kontakt termiczny z powierzchnią gleby jest z punktu widzenia efektywności energetycznej systemu najważniejszy. Zimą , ener gia s ł onec zna, doc ier ając a do gr untu, je s t najniższa, ale pozyskiwanie ciepła z gruntu przy pomocy pomp ciepła jest wtedy najwyższe. Pozyskana energia to energia słoneczna, zgromadzona w trakcie okresu letniego. Podstawowa pojemność gruntu może zależeć też od ilości wody, znajdującej się w glebie. Aby umożliwić kolektorowi poziomemu w ykor z yst anie tej pojemności, należy tak ułożyć górną krawędź kolektora, aby znajdowała się poniżej naturalnej granicy przemarzania.

Własności fizyczne poszczególnych rodzajów gleby Jedn. Zawartość wody % Vol.

9,3

28,2

38,1

Glina piaszcz. 36,4

Przewodnictwo W/mK cieplne Pojemność ciepła J/kg K swoistego Gęstość kg/m³

1,22

1,54

1,49

1,76

805

1,229

1,345

1,324

1,512

1,816

1,821

Piasek Glina

Muł

1,820

Źródło: VDI 4640

Temperatura (powierzchnia ziemi) [°C] 0

Kolektor poziomy Uponor

Głębokość (w gruncie) [m]

Funkcjonowanie

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Głębokość montażu: zwykle 1,2 – 1,5 m

Temperatura (głębokość) [°C]

Temperatura gruntu rośnie średnio o 1 °C na każde 33 m w . głąb. 1. lutego

Kładzenie pojedynczych obwodów

1. maja

1. listopada

1. sierpnia

Mocowanie rur na siatce wzmacniającej

Ograniczenia zastosowania Wydajność kolektorów poziomych zależ y pr zede wszystkim od zawartości wody w otaczającej glebie. W glebie piaszczystej, która cechuje się niską kapilarnością, woda szybko przepływa przez nią do głębszych warstw. W przypadku gleby gliniastej o wysokiej kapilarności, woda pozostaje w glebie, k tóra nie pozwala spływać jej w dół. Te różnice sprawiają, że zawartość wody wynosi zwykle mniej niż 10 procent w glebach piaszczystych i ponad 35 procent w przypadku gleb gliniastych. Dlatego też, ze w zglę du na o wiele w y ż szą zawartość wody w glebie gliniastej, ma ona zarazem o wiele większą pojemność cieplną niż gleba piaszczysta. Co więcej, woda zawarta w glebie poprawia przewodnictwo cieplne, przez co ciepło z głębszych warstw gleby i energia słoneczna z jej powierzchni o wiele łatwiej dociera do kolektora. W tabeli na poprzedniej stronie rozróżniono pomiędzy piaskiem, gliną i innymi rodzajami gleby, co odzwierciedla szerokie spektrum gleb, jakie występują w naturze. W tym kontekście piasek jest luźną glebą, złożoną z pojedynczych ziaren (> 50 mm). W takim rodzaju

gleby efekt kapilarny jest niezwykle mały, a przepuszczalność wody gruntowej wysoka. Dlatego woda deszczowa szybko przenika do głębszych warstw gleby i w warstwie znajdującej się powyżej wody gruntowej znajduje się niewiele wody, zwykle poniżej 10 procent. Glina składa się głównie z mieszaniny piasku i iłu, który jest glebą o drobnej lub średniej ziarnistości (między 2 a 50 mm). Takie spoiste gleby zwykle zawierają sporo wody, między 20 a 40 procent, i z tego względu lepiej nadają się do zastosowania kolektorów poziomych niż piasek. W glinach piaszczystych, gdzie największa frakcja ma mniej niż 2 mm, efek t kapilar ny je s t wyjątkowo wysoki, a zawartość wody przekracza 35 procent. Dokładne warunki fizyczne potrafią zmienić się radykalnie nawet na niewielkim obszarze, co jest zwykle spowodowane różną przepuszczalnością gleby. Poniższa tabela pokazuje średnie wartości własności fizycznych różnych rodzajów gleby. Różnice klimatyczne w Europie są tak znaczne, że nie ma najmniejszego sensu kłaść kolektory poz-

iome wszędzie w taki sam sposób. W cieplejszych częściach kontynentu można powiększyć powier zchnię systemu bez większych uszczerbków dla niego samego i dla środowiska naturalnego. Budowa, a środowisko naturalne W trakcie ogrzewania, kolektory poziome pobierają ciepło z gruntu, który w następstwie ochładza się poniżej temperatury gleby obok. Podczas wymiarowania systemów trzeba dokładnie sprawdzić, czy gleba i środowisko nie są niszczone lub nadmiernie eksploatowane. Mówiąc ogólnie, przyjmuje się, że rośliny rosnące nad pętlami kolektora zaczynają rosnąć nieco później niż w innej części działki. Ponieważ kolektor poziomy jest zwykle umieszczony głębiej niż metr pod powierzchnią ziemi, efekt ten je s t je dnak minimalny, ponieważ niewiele roślin sięga korzeniami tak głęboko. W zasadzie na kolektorze można sadzić dowolne rośliny, nawet drzewa. Rury systemu, położone na standardowej głębokości nie powinny ulec uszkodzeniu przez korzenie i wpływ roślin na system jest minimalny. Większe zniszczenia może wywołać nie delikatne chłodzenie, ale

Wartości referencyjne dla wymiarowania kolektorów poziomych Podłoże

Swoista wydajność oddawania qE 1,800 h/a [W/m²] Suche, luźne gleby 10 Spoiste, wilgotne gleby 10 – 30 Nasycony wodą piasek/żwir 40

Swoista wydajność oddawania qE 2,400 h/a [W/m²] 8 16 – 24 32

Odległość inst- Głębokość in- Odległość do rur slacji stalacji zasilających [m] 1 0,8 0,5

[m] 1,2 – 1,5 1,2 – 1,5 1,2 – 1,5

[m] > 0,7 > 0,7 > 0,7

W trakcie dłuższych okresów użytkowania trzeba wziąć pod uwagę zarówno pojemność oddawania swoistego q oraz współczynnik rocznego oddawania. W przypadku kolektorów energii gruntowej powinna ona wynosić pomiędzy 50 a 70 kWh/(m²/rok). Wartość referencyjna dla kolektora energii gruntowej, zgodnie z VDI 4640, obowiązuje wyłącznie dla ogrzewania i wody grzewczej!

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Obwody rur kolektora wykonanych z PE-Xa

tworzenie się lodu zimą. Jeśli gleba na głębokości, na której znajdują się rury, będzie mieć temperaturę ujemną, woda w otaczającym rury gruncie zacznie zamarzać. Delikatne tworzenie się lodu zwykle nie stanowi problemu, ponieważ zimą każdy rodzaj gleby przemarza na głębokość 0,5 – 0,8 m i odtaja wraz z nastaniem wyższych temperatur. Jednak z tych powodów, grunt i środowisko mogą być poddane negatywnemu wpływowi, kiedy tworzenie się lodu jest zbyt silne. Rozpieranie wody podczas zamarzania Woda zamknięta w porach i szczelinach gruntu zwiększa swoją objętość podczas zamarzania. Jeśli tylko niewielka liczba porów jest wypełniona wodą, zamarzanie gleby nie ma istotnego wpływu, ponieważ lód przenika wtedy do sąsiednich, niezajętych przez wodę porów. Jednak jeśli wody w glebie jest dużo, nacisk może być silny i nieść za sobą poważne konsekwencje. Po pierwsze woda wokół kolektorów zamarza i zwiększa objętość. Z tego powodu gleba wokół kolektorów wywiera na nie większy nacisk. Zdarza się, że gleby ilaste zachowują swój zmieniony kształt nawet po rozmarznięciu wiosną.

Kładzenie kolektora na płycie fundamentowej

Dlatego kontakt termiczny między rurami kolektora, a ziemią zostaje zaburzony. Tylko zwiększone opady deszczu mogą sprawić, że pory w glebie z powrotem zapełnią się wodą. Zniszczenia wywołane wiosną przez wodę Kiedy kryształy lodu, zgromadzone wokół pojedynczych rur kolektora, zrosną się, pionowy transport wilgoci ulega zaburzeniu. W następst wie tego gromadząca się woda ze stopniałego lodu i woda deszczowa nie mogą przeniknąć w głąb gleby. Na powierzchni tworzy się błoto. Na skarpach może dojść w takim przypadku nawet do osunięć rozmar zniętej ziemi. Kolektor poziomy może być jednak układany bez żadnych obaw równolegle do powierzchni gleby nawet w przypadku skarp o nachyleniu równym 15 procent. Trzeba zadbać o to, aby kryształy lodu, które mogą się zrastać, r ównomier nie r oz t apiał y się wiosną , by woda mogła przesączać się w głąb. Ponieważ całoroczny rozkład temperatur i początek okresu wegetacyjnego wiosną różni się w zależności od regionu, nie ma możliwości podania z góry ustalonej daty t a k i e g o m o m e n t u. Z a m i a s t

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

określonego dnia, należy przyjąć taki moment, kiedy przez kilka dni temperatura powietrza utrzymuje się na poziomie ok. 12 °C. Zwykle przypada to na kwiecień. Do tego momentu lód w glebie jest w zasadzie rozpuszczony do takiego stopnia, że pojedyncze oblodzenia nie t wor zą stałej struktur y. Woda może wtedy przenikać do głębszych warstw g l e b y. E f e k t y z n i s z c z e ń , wywołanych przez wodę, są szczególnie widoczne, kiedy mocno nasiąknięte wodą piaszczyste gleby położone są blisko poziomu wód gruntowych, ponieważ woda zwykle łatwo przesiąka przez takie gleby i warstwa lodu może mocno zaburzyć proces naturalnego drenażu. W przypadku gleb gliniastych woda przesącza się powoli, także, gdy są zamarznięte, dlatego warstwa lodu ma niewielki wpływ na naturalny proces przesiąkania wody. Podczas wymiarowania kolektora poziomego, zgodnie z VDI 4640, nie trzeba martwić się o negatywny wpływ na środowisko.

Wymiarowanie kolektora poziomego Oprócz warunków glebowych i klimatycznych, także wymiarowanie kolektorów zależy od liczby godzin, przepracowanych rocznie przez pompę ciepła. Zwykle przyjmuje się, że jest to maksymalnie 1800 godzin. Minimalna powierzchnia kolektora poziomego jest wyliczana na podstawie swoistej możliwości przyjmowania qE gleby oraz wydajności chłodniczej QO solanki lub wody

Amin =

Przykład obliczeń

Pojemność chłodnicza odnosi się do udziału wydajności pompy ciepła, jaką ta pobiera z otoczenia i równa się różnicy wydajności ogrzewania QH i zużycia energii [W]

elektrycznej Pel. Wymagana długość rur kolektora LK jest obliczana poprzez dodanie

LK =

Amin s

[m]

do siebie powierzchni kolektora Amin i rozstawu s rur kolektora. Jeśli zmniejszymy rozstaw rur przy zachowaniu tej samej możliwości przyjmowania, generalnie ryzyko tworzenia się błota wiosną staje się większe. Skupiska lodu wokół rur nie będą wtedy się roztapiać na czas,a woda nie będzie mogła przesączać się w dół. Zwiększenie

W przypadku chwilowych szczytów, temperatura powracającej solanki może wtedy spaść poniżej -5 °C, a to może spowodować wyłączenie pompy ciepła. Dlatego zwiększenie rozstawu rur o więcej niż 5 cm zawsze wymaga zmniejszenia swoistej dla powierzchni zdolności przyjmowania.

[m²]

w pompie ciepła.

QO = QH – Pel

rozstawu rur powoduje, że temperatura solanki przy takim samym poborze ciepła zmniejsza się.

Pompa ciepła (dane producenta) - - Wydajność grzania QH = 8,9 kW - - zużycie energii elektrycznej Pel = 1,98 kW Wydajność chłodnicza QO = 6,92 kW Kolektor poziomy (dane zgodnie z VDI 4640) - Roczny czas pracy 1800 h - - Zdolność oddawania qE = 25 W - - Rozstaw instalacji s = 0,8 m Powierzchnia kolektora Amin = 277 m² LK = 346 m Wymiarowanie kolektora poziomego 4 obwody po 100 m Właściwy rozstaw instalacji = 0,69 m Podczas wymiarowania kolektora trzeba uwzględnić straty ciśnienia w rurach – należy pr zy t ym pamiętać, że solanka ma zwiększoną lepkość w porównaniu z wodą – ponieważ wydajność pompy zmniejsza współczynnik wydajności sezonowej β systemu pompy ciepła.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

W przypadku monowalentnego wymiarowania pompy ciepła solanka/woda, źródło ciepła musi być zwymiarowane tak, aby spełniać wymagania wydajnościowe budQWP = (QG + QWW) · Z

[W]

ynku QG a nie wymagania pompy ciepła. Całkowita wydajność cieplna QWP obejmuje wymagania dot. wydajności budynku QG i ogrze-

wania ciepłej wody użytkowejQww w odniesieniu do czasu zatrzymania Z.

Jeśli wybrany zostanie model pompy ciepła o niższej wydajności cieplnej lub użyta będzie mniejsza powierzchnia kolektora, pompa będzie pracować dłużej. Oznacza to, że kolektor będzie mocniej eksploatowany lub roczny współczynnik oddawania będzie większy. W celu skompensowania zwiększenia czasu pracy powierzchnia kolektora musi zostać zwiększona, co z kolei zaowocuje zwiększonym poborem energii. Wyważone planowanie i wymiarowanie kolektorów poziomych jest tu czynnikiem podstawowym. Należy unikać zaniżania wymiarowania, ponieważ może to doprowadzić do obniżenia temperatury solanki, a tym samym do niskiej wydajności sezonowej. Zaniżanie wymiarowania może wywołać ciągłe obniżanie temperatury źródła ciepła. W przypadkach ekstremalnych może nawet dość do przekroczenia limitu operacyjnego pompy ciepła.

Układanie i montaż Prace ziemne to znaczący koszt instalacji kolektorów podziemnych. Mówiąc ogólnie, można odkryć cały teren, na którym układane będą rury, można też kłaść poszczególne pętle w wykopach lub użyć metody nieo dk r y wkowej. W pr z ypadku w yko py wania r owów, p r a c ę wykonuje się koparką z wąską łyżką, której szerokość dopasowana je s t do r oz s t awu r ur. Następnie rura wkładana jest w wykop. Podczas wykopywania drugiego rowu, wybrana ziemia służy do zasypywania rowu wykop an e g o up r ze dnio. P o d c z a s zasypy wania w ykopu należ y możliwie solidnie zagęszczać grunt, ponieważ luźna gleba zmniejsza efekt kapilarny, co powoduje zmniejszenie zawartości wody w glebie, a przez to słabsze własności termiczne. Układanie instalacji w wykopach jest jednak możliwe tylko wtedy, kiedy rozstaw rur jest większy

Układ Tichelmanna z systemem grzewczym w formie obwodów w kształcie pętli

niż 40 cm. W przypadku mniejszych rozstawów w zasadzie nie ma innej możliwości niż tylko odkrycie całego terenu. Największym mankamentem takiego rozwiązania jest duża ilość ziemi do przetransportowania, ponieważ w miejscu kładzenia rur nie będzie na nią miejsca. Ponadto należy zabezpieczyć pewien obszar na składowanie wydobytej ziemi. Transportowanie wydobytej ziemi na miejsce składowania i z powrotem to kolejne etapy pracy, któr ych nie ma w przypadku k ł a dze nia r ur w w yko p a c h. Kładzenie nieodkrywkowe to najwydajniejszy sposób kładzenia instalacji, aczkolwiek należy mieć wtedy zapewniony odpowiedni sprzęt.

Podczas układania rur w układzie Tichelmanna wymagana długość rury jest dzielona na obwody przełączane równolegle stodownie do zdolności oddawania. Z tego względu, mając na uwadze straty ciśnienia w poszczególnych obwodach, trzeba dokładnie wymierzyć długość i średnicę rur. Poszczególne obwody kolektora mogą być zaprojektowane jako pętle (patrz schemat instalacji w układzie Tichelmanna), spirale lub podwójne meandry.

Wszystkie obwody kolektorów poziomych kładzionych w gruncie powinny mieć tę samą długość i mogą być podłączone do pompy c ie p ł a p opr ze z r ozdzie lac ze zasilająco-powrotne z rurami łączącymi, ułożonymi w układzie Tichelmanna.

Kładzenie rur systemu grzewczego w kształcie spirali

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Kładzenie rur systemu grzewczego w kształcie podwójnego meandra

Możliwe warianty instalacji

Zgodnie z DIN 4140-2, wszystkie rury kolektorów przechodzące przez ściany oraz rury z solanką znajdujące się w budynku, muszą być zaizolowane (izolac ją paroszczelną), w celu zapobieżenia kondensowania się pary wodnej. Jeśli jest to możliwe, kolektory poziome powinny być układane na głębokości od 120 cm do 150 cm, aby zapewnić optymalny stopień regeneracji gruntu bez ryzyka naturalnego wstrzymania funkcjonowania instalacji ze względu na przemarzanie. Ponadto, system pompy ciepła jest wypełniony płynem, tradycyjnie

Czynniki transportujące ciepło należy zawsze starannie dobierać, aby w przypadku przebicia maksymalnie ogranic z yć poziom skażenia gleby i wód gruntowych. Należy w tym celu wybierać nietoksyczne lub biodegradowalne substancje organiczne, zgodne z VDI 4640, Trzeba też zadbać o to, aby można było napełniać i opróżniać system. Aby uniknąć przepełnienia systemu pompy ciepła, należy wyposażyć go w zawór bezpieczeństwa. Solanka musi Ważne Czynnik przeciwzamarzający i woda muszą być w ymie szane w odpowiednio dużym zbiorniku, zanim mieszanina zostanie wlana do instalacji!

Główne wypełnienie wł. konstrukcję drogi

Linia zasilająca

Taśma ostrzegająca w wykopie 30-40 cm ponad rurami

rozstaw rur – 50-80 cm (1,2 – 1,5 m dla rur o średnicy 40 mm) Podłoże kolektora poziomego, zgodnie z VDI 4640

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

120 - 150 cm

Należy unikać zakrywania obszaru zajętego przez kolektor. W przypadku instalacji kolektora energii gruntowej pod p ł y t ą fundamentową budynku, funkcjonalność kolektora lub ot ac zającej go gleby należ y traktować jak zbiornika energii. Długoterminowe funkcjonowanie jest zapewnione tylko wtedy, kiedy wydobycie i zapewnienie

Po łąc zenia rur, w ykony wane w miejscu budowy, do których nie ma dostępu, należy wykonywać pr zy pomoc y łat wych do przeprowadzenia metod, np. Uponor Quick & Easy lub złaczek elektrooporowych.

z w a ny m s o l a n k ą – z w y k l e mieszaniną wody i glikolu (czynnika transportującego ciepło) – aby zapobiec zamarznięciu kolektora i parownika.

min. 70 cm

Bezpieczeństwo użytkowania Pętle rur o tej samej długości należy kłaść z minimalnym spadkiem w kierunku rozdzielacza, aby zapewnić odpowietrzenie kolektora poziomego. Wszystkie rozdzielacze i złączki powinny być montowane na zewnątrz w studzienkach lub komorach, chroniących przed deszczem. Co więcej, obwody powinny być wyposażone w zawory kulowe przy rozdzielaczach, aby można je było zamknąć. Rury zbierające powinny być pod ł ąc zone do rozdzielaczy bez naprężeń.

ciepła pozostaje na tym samym poziomie przez cały rok, ponieważ zaburzone jest odnawianie się t e mp e r at ur y gl e by p o p r ze z oddziałanie energii podpowierzchniowej.

Podsypka: PE-Xa – niewymagana PE100 – piasek o grubości ok. 30 cm

Zgodnie z VDI 4640, długość pętli rur nie może przekraczać 100 m, a linie zasilające i zbierające nie mogą przekraczać długości 30 m od pompy ciepła ze względu na straty ciepła. Jeśli nie można kłaść obwodów rur o tej samej długości, należy przeprowadzić ko m p e n s a c j ę hyd r a u l i c z n ą , wyrównując ustawienia zaworów, aby każda z pętli miała to samo ciśnienie.

być przemieszana przed wlaniem jej do rur systemu pompy ciepła, aby czynnik był jednorodny i przez to niewrażliwy na przemarzanie. Zawartość glikolu w czynniku powinna wynosić 25-30 procent. W takim pr zypadku strat y ciśnienia w rurach kolektora są wyższe o 1,5-1,7 raza wyższe niż w przypadku wypełnienia instalacji czystą wodą. Należy wziąć to pod uwagę podczas wymiarowania pompy. Test szczelności należy przeprowadzić zgodnie z EN 805, W zależności od rodzaju zastosowanych rur, pętle rur powinny być kładzione w podłożu wykonanym z piasku. Jedynie w przypadku stosowania rur Uponor PE-Xa zakopanych w piasku, ze względu na ich odporność na pękanie, nie jest to wymagane.

zasilających (gaz, woda, ciepło, en. elektryczna, itp.), budynków, komunikacji, sąsiednich działek i basenów powinien wynosić przynajmniej 0,7 m. Mocowanie rur można wykonać przy pomocy

kołków lub przez przymocowanie rur do siatki wzmacniającej.

Objętość wody na rozmiar rury w kolektorach poziomych Wymiary rur PE-Xa Średnica [mm] wewnętrzna [mm]

Objętość [l/m]

25 x 2,3 32 x 2,9 40 x 3,7

0,327 0,539 0,835

20,4 26,2 32,6

wody

Regulacje prawne W przypadku kolektorów poziomych może być niezbędne zezwolenie, wydawane przez odpowiednie władze. Należy też przestrzegać postanowień VDI 4640 i Wasserhaushaltsgesetz (Ustawa federalna dot. stosunków wodnych), SIA 384/6 oraz BAFU-Vollzugsrichtlinie, jak również innych przepisów, dotyczących prawa budowlanego.

Rozstaw instalacji kolektora poziomego należy dobrać w ten sposób, aby uniknąć łączenia się narostów lodu wokół rur kolektora. Rozstaw waha się zwykle od 0,5 m do 0,8 m (1,2 – 1,5 m w przypadku rur o średnicy 40 mm). W przypadku kolektorów poziomych odstęp od innych linii

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Klatki energetyczne System/zakres zastosowania Korzyści Wydajne ekonomicznie i energetycznie. Idealne rozwiązanie dla domów jednorodzinnych lub wielorodzinnych oraz niewielkich budynków przemysłowych i przedsiębiorstw. Wymagana niewielka powierzchnia działki przy jednoczesnym doskonałym wykorzystaniu jej głębokości. Ciągłe pobieranie ciepła. Niewielka głębokość instalacji bez wpływu na poziom wód gruntowych. Uwaga:

Schematyczna ilustracja systemu klatek energetycznych

Klatka energetyczna to szczególny przypadek kolektora poziomego. Klatki energetyczne są wykorzystywane wtedy, kiedy nie można wykonywać głębokich wykopów lub odwiertów ze względu na kwestie prawne dotyczące wód gruntowych lub powodów hydrologicznych lub też kiedy dostępne miejsce jest zbyt małe. Klatka energetyczna to ekonomiczna i wydajna energetycznie alternatywa w zakresie wykorzystania energii geotermalnej. Klatka energetyczna Uponor to idealne rozwiązanie dla domów jednorodzinnych lub wielorodzinnych o r az niewie lk ic h b u dynków przemysłowych i przedsiębiorstw.

Opis zastosowania

Solanka (mieszanina wody i glikolu) płynie przez klatkę energetyczną i pobiera energię z gruntu. Pompa c iep ł a pomaga podnie ś ć temperaturę do poziomu, który można zastosować do celów grzewczych. W miesiącach letnich chłód gleby może być w ykor z ys t any do chłodzenia pasywnego, zwanego też chłodzeniem swobodnym. Podczas tego procesu działa jedynie pompa poruszająca solankę, będąca elementem pompy ciepła. Dlatego pobór energii elektrycznej jest wtedy zmniejszony do minimum, c o je s t w yr aźnie bardziej efektywne niż konwencjonalne metody chłodzenia. Warunkiem jednak skorzystania z tej możliwości jest zamontow-

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Łączenie klatek energetycznych ze stacją chłodzącą Uponor EPG6 to rozwiązanie wprost idealne w przypadku chłodzenia. anie pełnego systemu grzewczochłodzącego. Docelowa presja na grunt, wywołana przez ogrzewanie i chłodzenie, tworzy balans energetyczny pod powierzchnią ziemi, co gwarantuje długotrwałe źródło energii. Klatka energetyczna Uponor jest zaprojektowany do działania na głębokości od 1 do 4 metrów. Klatka energetyczna jest montowana pod powierzchnią ziemi i ustawiana na takiej głębokości, gdzie występują sezonowe fluktuacje temperatury. Dlatego temperatura gleby jest w pełni uzależniona od warunków pogodowych. Sezonowe zmiany temperatury sięgają ok. 20 m (w zależności od lokalnych uwarunkowań), dzienne sięgają 1 m. Wyraźne są jednak

różnice pomiędzy temperaturą powietrza, a gleby. W listopadzie temperatura gleby jest najwyższa, a w maju najniższa, w przeciwieństwie do temperatury powietrza. Przyczyną jest fakt, że gleba z jednej strony słabo przewodzi ciepło, a z drugiej ma ogromną pojemność cieplną. Do tego dochodzi działanie energii słonecznej, która rozgrzewa od wiosny górną warstwę gleby,

pozostawiając tę energię na dłużej. Temperatura gleby obniża się o wiele wolniej niż powietrza. Na początku sezonu grzewczego gleba ma najwyższą temperaturę. Najniższa jest na początku okresu chłodzenia. Na głębokości, na której instaluje się klatki energetyczne Uponor, panuje w miarę wyrównana temperatura przez cały rok i waha się

Temperatura (powierzchnia ziemi) [°C] 0

Głębokość w glebie [m]

Kosz geotermalny Uponor

Głębokość instalacji: 1-4 m

Temperatura (głębokość) [°C]

ona między 7 a 13 °C. Okrągła i stożkowata forma klatek pozwala jednak na użytkowanie ich przy niewielkiej dostępnej powierzchni i wykorzystanie dużej objętości podłoża. Klatki energetyczne Uponor pozwalają na wykorzystanie dużej objętości gleby pomimo stosunkowo niewielkiej powierzchni. Dlatego duża objętość gleby oraz stabilne pobieranie ciepła zapobiegają przed przedwczesnym lub spóźnionym zamarzaniem bezpośredniego otoczenia. W przypadku ekstremalnych wartości zapotrzebowania na ciepło istnieje możliwość, że przy klatce energetycznej utworzy się lód. Jednak po zmniejszeniu natężenia użytkowania skupisko lodu zwykle ustępuje. Ponieważ temperatury pobierania są zwykle stałe, jest to idealne źródło energii dla p o m py c i e p ł a. D l a t e g o t e ż wydajność pompy ciepła jest znacząco większa. Preferowany zakres wydajności pompy to maksymalnie 30 kW.

Temperatura gruntu rośnie średnio o 1 °C na każde 33 m w głąb. 1. lutego

1. maja

1. listopada

Określony rozstaw rur w klatce energetycznej Uponor

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

1. sierpnia

Montaż klatki energetycznej Uponor

Ograniczenia zastosowania Z powodu dużej pojemności i stożkowatego kształtu, klatki energetyczne Uponor posiadają ogromną powierzchnię przyjmowa n i a e n e r g i i g r u n t owe j, c o sprawia, że pobieranie ciepła przez czynnik, solankę, jest zmaksymalizowane. Dlatego też energia może być pobierana z gruntu w o wiele bardziej wyrównany sposób. Unika się pr z y t ym c ałkowitego pr zemar znięcia, ponieważ ciepło pobierane jest na głębokości 1-5 m, poniżej linii przemarzania. Również wpływ na mikroorganizmy żyjące w glebie jest znikomy. Z tego względu powierzchnia nad zamontowany-

mi klatkami energetycznymi Uponor może być obsadzana roślinami bez żadnego uszczerbku dla ich kondycji. Należy jednak unikać zbytniego zabudowywania i zakrywania powierzchni, gdzie znajdują się klatki. Naturalne regenerowanie gruntu zapewnione jest przez regularne działanie promieniowania słonecznego oraz nawilżanie gleby przez deszcz i roztapiający się śnieg. Niewielka głębokość instalacji zapobiega zmianom w równowadze wodnej w glebie.

getycznych Uponor pozwala na ograniczenie powier zchni użytkowej nawet o 60 procent w porównaniu z kolektorami poziomymi. Takie przypadki, jak np. nierówne unoszenie się gleby popr zez zwiększone tworzenie się lodu wskutek złego wymiarowania instalacji lub tworzenie się formacji lodu pod powierzchnią gleby, niepozwalające wodzie przenikać w jej głąb, w przypadku klatek ergetycznych zwykle nie występują.

Kompaktowy rozmiar klatek ener-

Własności fizyczne poszczególnych rodzajów gleby

Zawartość wody Przewodnictwo cieplne Swoista pojemność cieplna Gęstość

Jedn. % obj. W/mK J/kg K

Piasek 9,3 1,22 805

Ił 28,2 1,54 1,229

Muł 38,1 1,49 1,345

Glina piaszcz. 36,4 1,76 1,324

kg/m³

1,512

1,816

1,821

1,820 Źródło: VDI 4640

W tabeli powyżej rozróżniono pomiędzy piaskiem, gliną i innymi

Piasek gliniasty to głównie piasek z domieszką iłów i gliny o średniej

rodzajami gleby, co odzwierciedla szerokie spektrum gleb, jakie występują w naturze.

ziarnistości (między 2 a 50 mm). Tak ie s p oi s t e gl e by z w yk l e zawierają sporo wody, między 20 a 40 procent, i z tego względu lepiej nadają się do zastosowania kolektorów poziomych niż piasek.

W tym kontekście piasek jest luźną glebą, złożoną z pojedynczych ziaren (> 50 mm). W takiej glebie efekt kapilarny jest niewielki, a przenikalność wody gruntowej wysoka. Dlatego woda deszczowa szybko przenika do głębszych warstw gleby, co powoduje, że powyżej poziomu wód gruntowych jej zawartość jest niższa niż 10 procent.

W glinach piaszczystych, gdzie największa frakcja ma mniej niż 2 mm, efek t kapilar ny je s t wyjątkowo wysoki, a zawartość wody przekracza 30 procent. Dokładne warunki fizyczne potrafią zmienić się radykalnie nawet na niewielkim obszarze, co jest zwykle spowodowane różną

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

przepuszczalnością gleby. Tabela pokazuje średnie war tości własności fizycznych dla poszczególnych rodzajów gleby. Różnice klimatyczne w Europie są tak znaczne, że nie ma najmniejszego sensu układać kolektorów poziomych wszędzie w taki sam sposób. W cieplejszych częściach kontynentu można powiększyć powier zc hnię sys temy bez większych uszczerbków dla niego samego i dla środowiska naturalnego.

Korzyści ze stosowania klatek ergetycznych Uponor:

głębokość montażu możliwe nawet w miejscach objętych ochroną zasobów wodnych. Brak oddziaływania na wody gruntowe. Brak niebezpieczeństwa przemarznięcia, możliwość dowolnego wykorzystania ogrodniczego, brak wpływu na właściwości kapilarne gleby. Szybkie odnawianie się gleby przez działanie słońca, deszc-

Brak kosztownych i wymagających planowania wierceń. Łatwość uzyskania pozwolenia na budowę (wymagany jest jedynie obowiązek zgłoszenia, w zależności od kraju). Ze względu na niewielką

zu i topniejącego śniegu. Chłodzenie pasywne. Wymagana niewielka powierzchnia, 50-60 procent niższa, niż w przypadku kolektora poziomego. Możliwy montaż na trudno dostępnych działkach, gdzie nie może wjechać ciężki sprzęt do wiercenia. Szybki montaż. System bezobsługowy.

Wymiarowanie kODWHN HQHUJHW\F]nych W trakcie wymiarowania systemu klatek energetycznych należy pamiętać o tym, że podstawą poprawnego wymiarowania systemu klatek energetycznych jest poprawne wyliczenie nakładu grzania oraz dokładna analiza rodzaju gleby oraz jej wilgotności.

emisyjnego i temperatury systemu jest niezwykle istotny. Aby zapewnić największą wydajność systemu, temperatura powinna być jak najniższa. Należy bezwzględnie przestrzegać poniższych reguł: Zwięk szenie temperatur y przepływu o 1 K oznacza, że trzeWybór systemu emisyjnego ba pozyskać 2,5 procent więcej W przypadku systemu klatek energii. Zalecana temperatura energetycznyh oraz wszystkich in- przepływu dla miejscowych sysnych systemów energii gruntowej temów grzewczych to maks. 35°C. wybór odpowiedniego systemu Przedstawione poniżej dane ref-

erencyjne dla klatek energetycznych Uponor zostały ustalone na podstawie długoletnich doświadczeń. Są one wykorzystywane do szacowania warunków glebowych. Klasy gleby I-IV (DIN 18300) nadają się do montowania klatek energetycznych Uponor. W przypadku gleb klasy niższej niż V należy skonsultować się z producentem.

Dane referencyjne dla klatek energetycznych Uponor Sucha, luźna gleba Spoista, wilgotna gleba Nasycony wodą piasek/żwir 500

600

700

800

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

Swoista wydajność pobierania (grzanie) na klatkę energetyną z 1800 h/a [W/klatka] Dane referencyjne dla klatek energetycznych Uponor XL Sucha, luźna gleba Spoista, wilgotna gleba Nasycony wodą piasek/żwir 500

600

700

800

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

Swoista wydajność pobierania (grzanie) na klatkę energetyczną XL z 1800 h/a [W/klatka]

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Jeśli nie można jednoznacznie sklasyfikować gleby na miejscu, jej próbka powinna być przeanalizowana przez specjalistę. W przypadku trybów operacyjnych przekraczających 1800 godzin, liczba klatek energetycznych Uponor musi być dostosowana do warunków glebowych. Odpowiednia pompa ciepła musi zostać wskazana przez producenta lub inżyniera zajmującego się ciepłownictwem. On dobierze odpowiedni model pompy ciepła

do podaży ciepła, temperatur systemu, zastosowania i c zasu działania.

Wyliczenie liczby klatek energealnych Uponor jest pr zedstawione na poniższym przykładzie:

Obliczona wydajność grzania* Wydajność chłodziwa

Dom jednorodzinny 6 kW 4 kW (według danych producenta) Spoista, wilgotna gleba

Rodzaj gleby maks. wydajność pobierania klatki energetycznej Uponor 1,2 kW Wymagana liczba klatek 4 Objętość solanki 336 l Rozmiar rozdzielaczy energii grun- 2 wyjścia towej

*) w tym gorąca woda i czas wstrzymania przedsiębiorstwa komunalnego; czas działania – 1800 h

Obliczanie strat ciśnienia odnosi się do podanego powyżej przykładu. W tym przypadku dane dotyczą glikolu monoetylenowego.

Gęstość kg/m³ cp kJ/(kg · m) Lepkość Pa · s Przepływ masy kg/s Maks. liczba klatek w rzędzie Prędkość przepływu m/s Długość rury PE-Xa 32 x 2,9 mm na klatkę, w tym przewód przyłączeniowy Długość rury PE-Xa 32 x 2,9 mm na serię przyłączeń 2 klatek w m Strata ciśnienia serii klatek energetycznych, w tym zintegrowany przewód przyłączeniowy Strata ciśnienia w rozdzielaczach energii gruntowej, 2 wyjścia Całkowita strata ciśnienia, włączając rozdzielacze

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Glikol monoetylenowy 29% 1,051 3,72 0,00313 0,36 2 0,32 150 300 280 mbar

30 mbar 310 mbar

Układanie i montaż Wszystkie przeszkody, takie jak drzewa, instalacje (wodne, telefoniczne, kanalizacja, itp.) musza być uwzględnione podczas projektowania. Tylko w ten sposób można uniknąć potencjalnych problemów na bardzo wc zesnym et apie i określić dokładne położenie klatek energetycznych. Klatki energetyczne nie są niczym ograniczone.

us zko dze ń. Rur y s ą je dnak narażone na zniszczenie podczas zasypywania wykopów pr zez materiał o ostrych brzegach. Aby tego uniknąć, należy stosować

w przypadku rur PE100 mieszaninę piasku i humusu. W przypadku rur z PE-X nie jest to konieczne.

Należy pamiętać, aby nie zabudowywać klatek energetycznych takimi konstrukcjami, jak garaże, parkingi, piwnice, baseny czy nawierzchnie przeznaczone do ruchu kołowego. W takim przypadku naturalna regeneracja gruntu nie będzie możliwa. Należy też przestrzegać następujących odległości: Minimalna odległość od fundamentów, sąsiednich działek, szlaków komunikac y jnyc h, basenów oraz wodociągów i kanalizacji musi wynosić od 1,5 do 2 metrów. Zalecane odległości pomiędzy klatkami energetycznymi oraz wymagana dla nich powierzchnia znajduje się w tabeli z danymi technicznymi. Klatka energetyczna Uponor składa się z 150 m rury PE-Xa 32x2,9 mm, a klatka energetyczna Uponor XL z 200 m takiej rury. Rura jest zamocowana do ramy składającej się z czterech ramion, wykonanych ze spienionego poliur et anu. Stożkowy kształ t pozwala na zwiększenie powierzchni, z której pobierane będzie ciepło, a przez to objętość czynnika transportującego. Rury PE-Xa dają gwarancję niezawodności braku

Klatka energetyczna Uponor PE-Xa

Dane techniczne

KODWND HQHUJHW\F]QD .ODWND HQHUJHW\F]QD XL

Długość rur Średnica na górze (a) Średnica na dole (b) Wysokość (c) Rozstaw rur Objętość klatki Odstęp między środkami klatek (d) Wymagana pow. w przypadku układania w szeregach/klatka Wymagana pow. w przypadku układania równoległego/klatka Podłączanie

150 m 2,4 m 1,4 m 2,0 m 114 mm 6,1 m³ 6,0 m 15 – 20 m²

200 m 2,4 m 1,4 m 2,7 m 114 m 8,1 m³ 7,0 m 20 – 25 m²

35 – 40 m²

maks. 2 w rzędzie

Objętość solanki Wydajność pobierania (gwarantowana przy 1800 h pracy pompy rocznie) Mocowanie rur Zintegrowane połączenie dla zasilania i powrotu

84 l 1,1 – 1,5 kW

każdy bezpośrednio do rozdzielacza 108 l 1,6 – 2,0 kW

Pasek ze spienionego poliuretanu z taśmą montażową 20 m 25 m

b a

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Klatki energetyczne Uponor powinny być łączone w układzie Tichelmanna, co oznacza, że przy tych samych długościach rur i tych samych przekrojach zapewnione są również takie same przepływy i warunki przepływu. Należy dopilnować, aby długości rur nie różniły się więcej niż o 10 procent. K l a t k i e n e r g e t y c zn e U p o n o r posiadają zintegrowany przewód zasilający i powrotowy o długości 20 lub 25 m. Jeśli, w wyjątkowych przypadkach, ta długość jest niewystarczająca, przyłącze można przedłużyć przy użyciu technologii Uponor Quick & Easy lub poprzez zgrzewanie elektrooporowe. Należy pamiętać, aby przyłącza miały tę samą długość, by zapobiec różnym wartościom ciśnienia. Jeśli nie można tego uniknąć, należ y dostosować ciśnienie montując przy rozdzielaczach przepływomierze. Klatki energetyczne Uponor są zwykle montowane na głębokości 1,4 m Czas montażu wynosi przeważnie ok. godziny na każdy kilowat wydajności grzewczej, co oznacza, że w przypadku domu jednorodzinnego o wydajności 6 kW, należy przeznaczyć na montaż cały dzień. Klatki energetyczne Uponor są dostarczane na miejsce budowy ciężarówkami. Z powodu ich niewielkiej wagi, mogą być one po

Układanie klatki energetycznej Uponor

wyładowaniu przetoczone na miejsce instalacji lub włożone na miejsce koparką. Koparka, przygotowująca wykopy, powinna ważyć co najmniej 5-7,5 ton, w zależności od zakresu proj e k t u. J e ś l i d o s t ę p n a j e s t wystarczająca ilość miejsca, lepiej jest użyć cięższych koparek – najlepiej wyposażonych w dwumetrowe łyżki do humusu. Wykop pod klatkę energetyczną może

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

być wypełniony wcześniej wyjętą glebą. Należy pamiętać, aby ziemia z wykopu została przepłukana przed wypełnieniem nią kolejnego wykopu. Aby uniknąć przesunięć, ziemia powinna zostać zagęszczona. W przeciwnym razie w pierwszych dwóch latach może dojść do przesunięcia klatki.

Klatka energetyczna Uponor powin- wykop o boku 2,5 m. Głębokość pętli rur opaskami kablowymi. na być zainstalowana w y ko p u z al e ż y o d l o k aln e j W ten sposób zapobiega się w następującej kolejności: głębokości przemarzania. W prskręceniu przewodu, co ułatwia zypadku większości regionów, później jego układanie w przygo1, Wykonanie wykopów wystarczy 0,7-1,2 m poniżej powtowanych wykopach. 2, Ułożenie klatki energetycznej ierzchni ziemi. Należy zatem Uponor i wypełnienie wykopu przyjąć, że wykop będzie miał Poniższe zdjęcia pokazują ten pro3, Podłączenie do rozdzielaczy głębokość 3,2-3,7 m. Następnie ces. 4, Próba ciśnieniowa tr zeba wykonać rów łączący 5, Wypełnienie rur czynnikiem pierwszy wykop z rozdzielaczami. Po wykonaniu wykopów klatka jest 6, Zatwierdzenie i przekazanie opuszczana na dno (np. przez dokumentacji systemu klatek Zanim klatka zostanie umieszczona koparkę), a wykop jest wypełniany energetycznych na dnie wykopu, należy odpowydobytą glebą. Istotne jest, aby wiednio go przygotować. przepłukać glebę odpowiednią Aby zamontować pierwszą klatkę ilością wody. Pozostałe klatki enerenergetyczną Uponor lub klatkę ener- Przewód łączący, zintegrowany getyczne są układane w ten sam getyczną Uponor XL, należy z koszem, musi być wyciągnięty sposób. wykonać koparką kwadratowy od wewnątrz i przymocowany do

Odłączanie przewodów przyłączeniowych

Układanie przewodów przyłączeniowych

Mocowanie przewodu powrotowego

Mocowanie przewodu zasilającego

Wykonanie wykopów

Układanie klatki energetycznej Uponor

Płukanie materiału wypełniającego

Wypełnianie klatki energetycznej Uponor z rur PE-Xa

Zamontowana i ustabilizowana klatka energetyczna

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Należy zadbać o to, aby zachowywane były planowane minimalne odległości od klatek energetycznych. Potem wykopuje się między poszczególnymi klatkami rowy łączące do głębokości górnej płaszczyzny klatki. Następnie łączy się szeregowo klatki. Klatki energetyczne XL muszą być łączone indywidualnie. W zależności od wybranego wariantu instalacyjnego, przewody łączące powinny być zawsze zintegrowane z klatką energetyczną, klatki powinny być łączone szeregowo lub przedłużone linie łączące powinny być łączone z rozdzielaczami Uponor Magna Geo złączkami zaciskowymi. W zależności od objętości przepływu systemu klatek energetycznych, przewody łączące mogą mieć różne przekroje. Należy to obliczyć z odpowiednim wyprzedzeniem. Przepust przez mur powinien zostać uszczelniony i nie przepuszczać do wnętrza wilgoci. Można też użyć do tego celu gotowego przepustu Uponor.

stosunek mieszania powinien wynosić 3:1, Objętość solanki, wymagana w przypadku klatek energetycznych, znajduje się w specyfikacji technicznej. Mieszanie płynu przeciwzamarzającego i wody powinno odbywać się w odpowiednio dużym zbiorniku, zanim zostanie ona wlana do instalacji!

biegnięcia wszystkich przewodów. Dokumentacja ta przyda się przy podłączaniu pr zewodów do rozdzielaczy i jako materiał dla o d p o w i e d n i c h s ł u ż b. O s o b a instalująca system jest odpowiedzialna za zachowanie zgodności z wszelkimi standardami i regulacjami prawnymi. Musi się też odbyć odbiór instalacji.

Po ułożeniu systemu klatek enerObjętość solanki getycznych zaleca się wprowadzić właściwe położenie klatek na plaKlatka Klatka nie działki i zaznaczyć przebieg Uponor Uponor XL Objętość 84 l 108 l solanki Ważne łącznie Mieszanie płynu Stosunek 3:1 3:1 przeciwzamarzającego mieszania i wody powinno odbywać się > p ł y n 21 l 27 l przeciww odpowiednio dużym zbizamarz. orniku, zanim zostanie ona wlana do instalacji!

> woda

64 l

81 l

Objętość wody na rozmiar rury Wymiary rur PE-Xa Średnica [mm] wewnętrzna [mm]

Objętość [l/m]

32 x 2,9

0,539

26,2

wody

Regulacje prawne Dla każdego obwodu przewodów należy wykonać próbę ciśnieniową, zgodnie z EN 805,

W przypadku klatek energetycznych należy przestrzegać wszelkich krajowych i wspólnotowych regulacji prawnych.

System klatek energetycznych musi być wypełniony pł ynem przeciwzamarzającym zgodnie z VDI 4640 do minimalnie -15 °C. W pr zypadku uż ycia p ł ynów przeciwzamarzających Uponor,

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Pale geotermalne System/zakres zastosowania Opis zastosowania Pal geotermalny musi spełniać dwie funkcje. Ich głównym przeznaczeniem jest utrzymywanie budynku w gruncie, a pobocznym – funkcjonowanie jako czynnika przenoszącego ciepło. Wykorzystanie pali fundamentowych jako pali geotermalnych nie może wpływać na ich nośność i wytrzymałość. Ograniczenia zastosowania Ograniczenie własności nośnych pali (oblodzenie, zmniejszenie średnicy przez wzgląd na obecność rur wymieniających ciepło) należy bezwzględnie wykluczyć poprzez ograniczenie temperatury i testy statyczne. System pali geotermalnych jest często systemem pali nośnych. Ewentualne szczytowe zapotrzebowanie na energię powinno być zatem pokryte przez dodatkowe źródła energii. W przypadku domów jednorodzin-

Schematic illustration of an energy pile system

nych z głębokimi fundamentami można umieścić monowalentnie pale geotermalne wraz z odpowiednią instalacją – jednak

Temperatura (powierzchnia ziemi) [°C] 0

Głębokość w ziemi [m]

Pale geotermalne Uponor

Głębokość instalacji: ok. 10 – 30 m

Bardzo niewielkie dodatkowe koszty inwestycyjne w połączeniu z tradycyjnymi palami fundamentowymi. Podłączenie od spodu budynku. Można łączyć z głębokimi fundamentami. Idealne rozwiązanie do budynków mieszkalnych i niemieszkalnych. jest to dość rzadki przykład zastosowania.

Korzyści

Temperatura (głębokość) [°C]

Temperatura gruntu rośnie średnio o 1 °C na każde 33 m w . głąb. 1. lutego

1. maja

1. listopada

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

1. sierpnia

Charakterystyka budynku decyduje o rozkładzie i liczbie pali. Rozkład pali fundamentowych zgodny z wymaganiami geotermalnymi i nie zawsze jest ekonomiczny (z wyjątkiem tanich go-

tow ych prefabr ykowanych wbijanych pali, które są czasem traktowane jako "stracone pale"). System pali geotermalnych powinien być wykorzystywany w taki sposób, aby s ł uż ył y one na zmianę jako wymienniki ciepła i chłodu. W ten sposób osiąga się o p t y malny p ozi o m s wo i s t ej wydajności oddawania zarówno dla grzania, jak i chłodzenia.

Wyrównywanie temperaturowe systemu pali geotermalnych może być zaprojektowane w zrównoważony i trwały sposób. Przy niemal wyrównanym wieloletnim balansie ciepła wzajemne zakłócenia cieplne przyległych pali są minimalne.

jonowanie podstawowe jest najbardziej ekonomic zne. Aby uz ys k a ć o p t y malny s t o s un e k wydajność i pracy, należy wszystko przewidzieć na etapie planowania i wymiarowania. Wydajność systemu pali geotermalnych zależy w większości od zakresu grzania i chłodzenia.

Doświadczenie pokazuje, że w przypadku średnich i dużych systemów pali geotermalnych funkc-

Instalowanie rusztowań wspomagających

Betonowanie pali na budowie

Wypełnianie pala betonem

Nadzór nad montażem pali

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Pale fundamentowe Metody wiercenia W odniesieniu do pali fundamentowych, istnieje kilka różnic, zarówno w stosunku do rodzaju montażu, metod instalacji i wiercenia. Rodzaj montażu Pale prefabrykowane Pale są wykonywane w całości lub w częściach w fabr yce pr zed ułożeniem ich w gruncie. Pełne pale betonowe Puste pale betonowe Rury stalowe Pale betonowe odlewane na miejscu Pale są odlewane na miejscu w gruncie poprzez wypełnienie betonem cylindrycznego otworu. Rodzaj instalacji Pal e wb ijan e i wc i s kan e . Pal jest wbijany kafarem lub wciskany w grunt maszyną. Pale wwiercane. Pal jest wwiercany w grunt w przygotowany otwór. Otwory mogą być wykonywane w najrozmaitszy sposób.

Wiercenie obrotowe. W przypadku wiercenia obrotowego można wykonywać otwory nierurowane, częściowo rurowane, rurowane lub szlamowane. Świder montowany jest na teleskopowej graniatce. W przypadku pełnego orurowania rury są wwiercane w grunt na żądaną głębokość i wiercenie jest kontynuowane do tej głębokości. Wiercenie obrotowe z rozszerzaniem podstawy pala. Metoda ta polega na symetrycznym poszerzaniu średnicy podstawy wierconego otworu. Zewnętrzna wydajność cieplna pala jest zwiększana poprzez zwiększanie objętości pala w gruncie. Zakres rozszerzenia podstawy jest uzależniony od rodzaju gruntu oraz uwarunkowań konstrukcyjnych. Można też zwiększyć wydajność cieplną poprzez wstrzykiwanie betonu do szybu. W wyniku tej metody zwiększane jest tarcie powierzchniowe pala

Montaż pala wwiercanego

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

poprzez wypełnienie cementem. Wiercenie świdrem spiralnym Ta metoda wiercenia pali polega na użyciu świdra spiralnego, który pozwala na głębokie wiercenia w spoistym gruncie. Wykorzystuje ona stała pracę świdra, jak elementu wiercącego. Po dotarciu na żądaną głębokość wewnętrzna rura pustego kanału świdrowego jest wypełniania od dołu do góry betonem. Wiercenie metodą głowicy podwójnej Wiercenie metodą głowicy podwójnej jest połączeniem wiercenia świdrem spiralnym i wiercenia obrotowego z orurowaniem. W rezultacie powstaje orurowany otwór z pracującym wewnątrz świdrem. Wiercenie otworu przy pomocy wiertnicy z podwójnym stołem obrotowym System ten został opracowany na potrzeby stawiania nowych budynków bezpośrednio przy istniejących obiektach w miastach. Zasada produkcji odpowiada metodzie poprzedniej, ale stosowane są mniejsze przekroje.

Prefabrykowane betonowe pale wwiercane

Rodzaje pali fundamentowych Pale wiercone (puste) Pale wiercone (puste) to betonowe pale o okrągłym przekroju, które wwiercane są w grunt przy użyciu najróżniejszych metod. Kierują one nacisk konstrukcji w stronę głębiej położonych warstw gruntu, połączone tworzą swojego rodzaju mur oporowy w przypadku wykopów lub tarasów, pozwalają na ominięcie większych przeszkód lub zablokowanie wód gruntowych. Długość, średnica, materiał, kształt i ułożenie poszczególnych pali może się różnić w zależności od rodzaju zastosowania. Szczególnym rodzajem pali wwiercanych są mikropale. Dostępne są elementy fundamentowe o średnicy nawet 300 mm, które pozwalają na przeniesienie nacisku konstrukcyjnego, poprzez tarcie powierzchniowe, głęboko pod ziemię. Szczególne własności mikropali polegają na tym, że ze względu na niewielką średnicę wysoka nośność osiągana jest przez wstrzykiwanie betonu pod ciśnieniem. Przez wzgląd na wielość różnych wariantów ur ządzeń, można zastosować wydajne procedury wiercenia pali o naprawdę niewielkich średnicach. Budynki, których konstrukcja została naruszona przez nierówne osiadanie, mogą być stabilizowane przez zastosowanie prefabrykowanych mikropali. Mikropale, do-

brane do istniejącego w danym miejscu podłoża, mogą być zamontowane przy użyciu różnych metod wiercenia. Pale wiercone posiadają ciągłe zbrojenie, które absorbuje naprężenia i nacisk, zarówno stały, jak i zmieniający się. Przenoszenie ciężaru na sąsiadujący grunt dokonuje się poprzez wypełnianie wywierconego otworu zaprawą cementową (z lub bez żwiru). Pal jest wciskany w masę, aby zwiększyć tarcie powierzchniowe, a przez to przenoszenie napięć. Puste pale betonowe Puste pale betonowe to wyjątkowo ekonomiczna i technicznie korzystna alternatywa dla konwencjonalnych systemów fundamentowych. Jest to szybki, elastyczny i prosty w montażu system fundamentowy, w którym puste rury z żeliwa wbijane w grunt mogą być, w zależności od wymaganej długości pali, łączone za pomocą specjalnych tulei. W zależności od właściwości gleby pal jest konstruowany jako gotowy pal, który opiera się na podłożu lub jest wykonywany z betonu, wtryskiwanego pod ciśnieniem. W zależności od przenoszonego nacisku, pale mogą mieć różne średnice i różną grubość ścianki. Ze względu na użycie lekkich i zwinnych koparek hydraulicznych, system ten można stosować również w przypadku mniejszych budów. Pale są montowane w mie-

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

jscu przy użyciu specjalnych kafar ów hydraulic znych, nie w y wo ł uj ą c yc h n a dmi e r nyc h wibracji. Pełne pale betonowe Pełne pale betonowe montowane są z odcinków, które wciskane są w grunt przez urządzenia hydrauliczne. Istniejący budynek lub obciążenie stanowi wystarczającą podstawę dla takiego systemu. Pal jest skonstruowany z odcinków z betonu zbrojonego, układanych jeden na drugim. Ziemia może być usuwana z wykopu przez otwór w rdzeniu pala, więc może on osiągnąć żądaną głębokość bez zbędnego oporu. Kiedy pal znajdzie się na żądanej głębokości, budowana jest szersza podstawa poprzez kompaktowanie umieszczanych poniżej pala metalowych pojemników suchą mieszaniną betonu. Następnie rdzeń pala jest wypełniany betonem. Ten sposób konstrukcji nie wywołuje jakichkolwiek wibracji. Ponieważ używane są lekkie, dające się łatwo rozmontowywać maszyny, system jest doskonale pr zystosowany do prac y w wyjątkowo trudnych warunkach i przy bardzo ograniczonej powierzchni. Wciskane pełne pale są używane głównie jako podpory. Opór, jaki wymagany jest w takich przypadkach, zapewnia najczęściej sam budynek poprzez wylanie na miejscu nowej betonowej p ł y t y podłogowej. W takiej p ł ycie

podłogowej mocowane są kotwice i wykonywane otwory, przez które wciskane są pale. Metoda ta pozwala na zamocowanie pali w płycie w początkowej fazie budowy. Minimalna wysokość robocza wynosi 80 cm. W rezultacie możliwe jest wciśnięcie zbrojonego betonowego pala pod istniejący fundament. Fundament ten jest następnie wykorzystywany jako przeciwwaga przy wciskaniu pala.

dy n ków. Ze w zg l ę d u n a i c h stosunkowo wysoką nieprzepuszczalność wody, stosuje się je również jako zewnętrzne ściany budynków. W szczególnych przypadkach pojedyncze ścianki szczelinowe służą jak głębokie fundamenty. Odcinane ściany odcinają zapor y i wysypiska śmieci, silosy lub inne przemysłowe miejsca składowania substancji, które mogą skazić wody gruntowe.

Pale prefabrykowane Betonowe prefabrykowane pale są wytwar zane jako pe łne pale o okrągłym lub kwadratowym przekroju. Mogą przenosić znaczne obciążenia na dużą głębokość ze względu na duży opór powierzchniowy i posiadają ciągłe zbrojenie.

Przy pomocy specjalnych łapadeł lub kombajnów, ziemia jest wybierana w głąb, tworząc szczeliny, które są nieustannie podtrzymywane przez specjalną zawiesinę.

Betonowe wbijane pale prefabrykowane Betonowe wbijane pale prefabrykowane to również niezwykle e ko n o m i c z n a i t e c h n i c z n i e doskonała alternatywa dla konwencjonalnych systemów fundamentowych. Prefabrykowane pale o pełnych ścianach są instalowane w miejscu budowy niemal bez żadnych wibracji, co zapewnia specjalny kafar hydrauliczny. W zależności od podłoża może się okazać, że założona głębokość nie zostanie osiągnięta i pal musi być przycięty. W przypadku aktywowania obwodów rur, usunięcie betonowej okładziny niesie za sobą ryzyko zniszczenia rur wymiennika cieplnego. Pale montowane na miejscu W przypadku wwiercanych pali

Wkładanie stalowego zbrojenia w wywiercony otwór.

o dużej średnicy, gleba nie jest wyciskana na bok, ale w ziemię wwierca się stalową rurę. Następnie usuwa się ziemię i w otwór wkłada zbrojenie, a następnie całość zalewa się betonem. Następnie wyciąga się zewnętrzną stalową rurę. Taki rodzaj pali stosuje się w przypadku skomplikowanych systemów fundamentowych i budynków o dużym ryzyku uszkodzenia. Ścianki szczelinowe Ścianki szczelinowe to ścianki montowane w gruncie z wylewanego na miejscu betonu, które mogą sięgać na dużą głębokość. Ścianki – ich grubość zależy od obliczeń, wymagań i wykorzystywanego sprzętu – są produkowane przy użyciu cichych i bezwibracyjnych metod.

Betonowa ścianka szczelinowa odlewana na miejscu Kiedy żądana głębokość zostanie osiągnięta, zawiesina jest zwykle zastępowana zbrojonym betonem, który zastyga w wodoszczelną, sztywną barierę. Jednofazowe ściany łączące Są to ścianki szczelinowe wykonane z samotwardniejącej zawiesiny, która zastyga w wykopanej w ziemi szczelinie. Samotwardniejąca zawiesina służy jednocześnie jako zabezpieczenie szczeliny przed zawalaniem się. Można też dodatkowo stosować przepony lub folie osłonowe.

Ścianki szczelinowe mogą się minimalnie odkształcać, dlatego są wykorzystywane przede wszystkim jako ściany oporowe przy fundamentach wielkomiejskich bu-

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Aktywowanie pali fundamentowych Pale wiercone (puste) Puste wbijane betonowe pale i pale wciskane są po umieszczeniu w gruncie w rury kolektora. To ogromna zaleta tego rodzaju pali, ponieważ rury kolektora mogą być d o p a s owan e d o o s ią gni ę t ej głębokości, a ryzyko uszkodzenia rur jest minimalizowane poprzez ich inspekcję przez rdzeń pala. Podobnie jak w przypadku kolek-

Wykopywanie ziemi i przygotowywanie układu pali.

torów pionowych, w grunt wpuszczane są dwie pętle, a otwór wypełniany jest odpowiednim materiałem. W przypadku niewielkich promieni skrętu obwodów rur, zaleca się wykorzystywać zgrzewane elektr ycznie kolana lub bezpośrednie wkładanie kolekt o r ó w p i o n o w yc h. P o d c z a s w yp e ł niania r dze nia nal e ż y pamiętać, żeby materiał wype łniając y miał wysoki

Wbijanie pustych, łączonych ze sobą pali

Układanie i montowanie poziomych linii łączących oraz połączeń z rozdzielaczami. Próba ciśnieniowa gotowego układu i wylanie płyty fundamentowej.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Przepływ zasilający i wychodzący z konkretnego pala geotermalnego może być połączony z innymi poprzez rozgałęźniki i trójniki.

Odcinanie wystających pali, sprawdzanie rdzenia i obmierzanie długości efektywnej przy pomocy taśmy

Mocowanie podwójnego kolektora i wypełnianie rdzenia

współczynnik przewodzenia ciepła i zac how y wa ł dobr y kont ak t z materiałami w różnych warunkach oraz by nie tworzyły się podc zas je go nape ł niania pus te przestrzenie.

Wykonanie skorupy i montowanie pompy cyrkulacyjnej (CP) i pompy ciepła (HP)

Montaż aktywnych termicznie pustych w środku pali

Betonowe wbijane pale prefabrykowane Betonowe wbijane pale prefabr ykowane są fabr ycznie wyposażone w rury kolektora. Aby

Wykonywanie wykopu

musiała być prowadzona wokół pala. W zależności od podłoża może się okazać, że założona głębokość nie

Przygotowywanie układu pali.

Układanie i montowanie poziomych linii łączących oraz połączeń z rozdzielaczami. Próba ciśnieniowa gotowego układu i wylanie płyty fundamentowej.

tego dokonać, rura kolektora jest mocowana wewnątrz klatki zbrojeniowej i pal jest zabetonowywany. Liczba pętli jest dopasowana do formy pala i jego średnicy. Wykop pod linie łączące powinien dochodzić aż do spodu pala. Końce rur kolektora powinny być wyprowadzone tak, aby po montażu pali linia rozprowadzająca nie

ciśnieniowe są wykonywane w fabryce, a ich zniszczenie poprzez nieumiejętne betonowanie jest wykluczone.

Wbijanie pali prefabrykowanych

Usunięcie płaszcza ochronnego i instalowanie połączeń kątowych

to, że układanie rur i próby

Wykonanie skorupy i montowanie pompy cyrkulacyjnej (CP) i pompy ciepła (HP)

Montaż aktywowanych termicznie prefabrykowanych pali betonowych.

zostanie osiągnięta i pal musi być przycięty. W przypadku aktywowania pętli usunięcie nadmiaru bet o n u p r ó by c i ś n i e n i owe s ą pr zepr owadz ane w f abr yc e, a zniszczenia rur wymiennika cieplnego są wykluczone, ze względu na zabetonowywanie pala na budowie. Zaletami użyciu gotowych pali jest

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Pale betonowe odlewane na miejscu W przypadku pali, które są wytwarzane przy użyciu tej metody, klatka zbrojeniowa jest wyposażana w rury kolektora, zanim zostanie wprowadzona w przygotowany ot-

Składowanie gotowych klatek zbrojeniowych

wór. Rury kolektora są zwykle montowane wewnątrz klatki zbrojeniowej, aby uniknąć ich zniszczenia w momencie wsuwania zbrojenia w otwór. Podczas tej czynności, rury kolektora są mocowane pionowo spiralnie na bokach klatki zbrojen-

iowej lub naprzemiennie u podstawy pala lub w pojedyncze pętle z przekierowywaniem (łuk omega) lub też mocowane w klatce przy pomocy wiązadeł lub trytytek.

Przewody łączące wykonane z rur Uponor PE-Xa

Pętle zamocowane w klatce zbrojeniowej

Wkładanie pętli z rur PE-Xa

Przycinanie zamocowanych pętli do odpowiedniej długości

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Mocowanie obwodów rur

Możliwe warianty instalacji

Instalacja meandrowa

Instalacja w pętlach równoległych

Należ y pr zemyśle ć pr omień zagięcia rur, szczególnie w przypadku małych niewielkich średnic pali. W przypadku niewielkich promieni skrętu obwodów rur zaleca się wykorzystywać zgrzewane elektrycznie kolana lub specjalne kształtowniki. W przypadku krótkich odcinków słupów, możliwe jest układanie rur z asilając yc h i p owr otow yc h meandrująco i bezpośrednie ich podłączanie do rozdzielaczy. LicŚrednica Lic zba rur pi opala nowych 20 – 70 cm 4 – 6 kolan lub zgrzewanych elektr yc znie kolan u podstawy 75 – 80 cm 4 – 6 z łukiem omega u podstawy 90 – 120 6 – 8 cm 130 – 180 8 – 12 cm

Instalacja w pętlach ułożonych krzyżowo

zba pętli, które będą umieszczone w palu zależy od średnicy klatki zbrojeniowej. Wartości referencyjne wynoszą: Dopływ i odpływ czynnika w palu geotermalnym może być sterowany przez główny rozdzielacz, rozgałęziacze lub trójniki i łączony z innymi palami w grupy. W przypadku różnych poziomów konstrukcyjnych końce rury w palu powinny być osłonięte ochronnymi zaślepkami lub zaizolowane przynajmniej na długość usuwanego betonu po montażu pala. Wszystkie końcówki rur powinny być zaślepione w celu wnikania weń zanieczyszczeń.

Instalacja spiralna

przewidzieć potencjalne osłabienie statyczne. W celu zapobieżenia zniszczenia kolektora pal musi być zabetonowany w rurze wypełniającej (metoda tremie). Podczas wypełniania należy pamiętać, aby wąż tremie nie uszkodził rur. W trakcie zagęszczania betonu nie można używać zagęszczarek wibracyjnych. Jeśli pal ma być zabetonowywany w inny sposób, należy o tym powiadomić ekipę budowlaną.

Mówiąc ogólnie, podczas montowania poszczególnych komponentów p ala b e t on owe go, nale ż y

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Ścian\ szczelinowe W przypadku ścian szczelinowych, które są wylewane na miejscu, należy zamocować w klatkach zbrojeniowych rury kolektora, zanim całość zostanie zalana betonem. Rury kolektora są zwykle montowane wewnątrz klatki zbrojeniowej.

Wiercenie otworu świdrem i wbijanie rur osłonowych

Rury kolektora są zwykle montowane wewnątrz klatki zbrojeniowej, aby uniknąć ich zniszc zenia w momencie wsuwania zbrojenia w otwór. Przeciętna długość pala fundamentowego to ok. 10-30 m. Temperatura w górnych warstwach

Wkładanie zbrojenia z rurami

Wypełnianie rur betonem przy pomocy metody tremie przy jednoczesnym wyciąganiu rur osłonowych

Usunięcie płaszcza ochronnego i instalowanie połączeń kątowych

Układanie i montowanie poziomych linii łączących oraz połączeń z rozdzielaczami. Próba ciśnieniowa gotowego układu. Betonowanie płyty fundamentowej.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

ziemi zmienia się wraz z porami roku. Kiedy temperatura spada poniżej temperatury zamarzania, zmiany są wyraźnie mniejsze. Na głębokości mniej więcej 15 m ziemia ma stałą temperaturę.

Wykonanie skorupy i montowanie pompy cyrkulacyjnej (CP) i pompy ciepła (HP)

Montaż aktywowanych termicznie prefabrykowanych pali betonowych.

Wymiarowanie pali geotermalnych Wymiarowanie pali geotermalnych zależy od rocznego użytkowania systemów pomp ciepła oraz rodzaju zastosowanych pali, jak również od wzajemnego współdziałania pali geotermalnych. Im niższy jest opór termiczny R E pala geotermalnego, t ym wyższe jest przewodzenie ciepła. Opór termiczny oznacza stratę temperatury podczas przesyłu ciepła spod powierzchni do czynnika nośnego (solanki). Kryteriami decyzyjnymi dot. oporu termicznego są m.in. średnica wierconego pala, przewodnictwo cieplne materiału, z którego wykonany jest pal i rodzaj pala geotermalnego. Mniejsza średnica pala ogranicza opór termiczny. Zwiększone przewodnictwo cieplne materiału, z którego wykonany jest pal obniża straty ciepła i ogranicza opór przenoszenia ciepła. Grunt < > materiał, z którego wykonany jest pal < > rura < > czynnik przenoszący ciepło (solanka) Opór materiału:

Rc Współczynnik przenoszenia ciepła czynnik przenoszący ciepło / rura RS Współczynnik przenoszenia ciepła pętle rur R E = Rc + R R + R P[W/(m²K)]

RP Współczynnik przenoszenia ciepła materiał, z którego wykonany jest pal Wymagana długość pętli rury L, jest wyliczana na podstawie swoistej możliwości przyjmowania qE gleby oraz w ydajności

chłodniczej QO solanki lub wody w pompie ciepła.

Pojemność chłodnicza odnosi się po udziału wydajności pompy

QO qE

[m]

ciepła, jaką ta pobiera z otoczenia i równa się różnicy wydajności ogrzewania QH i zużycia energii elektrycznej Pel. Podczas wymiarowania przewodów zasilających do pali geotermalnych QO = QH + Pel

[W]

należy uwzględnić straty ciśnienia w rurach (trzeba pamiętać, że solanka ma zwiększoną lepkość w porównaniu z wodą), ponieważ wydajność pompy zmniejsza współczynnik wydajności sezonowej β systemu pompy ciepła lub

Szczególna pojemność oddawania na metr głębokości pala Podłoże

Szczególna pojemność oddawania qE na metr głębokości pala w przypadku wydajności grzania do 30 kW 1800 h/a 2400 h/a 20 W/m Słabe podłoże, suche osady 25 W/m Zwykłe skaliste podłoże i os- 60 W/m 50 W/m ady przesiąknięte wodą 70 W/m Gęsta skała o wyższym prze- 84 W/m wodnictwie cieplnym

W trakcie dłuższych okresów użytkowania trzeba wziąć pod uwagę zarówno pojemność oddzielenia swoistego q oraz współczynnik rocznego oddawania.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Źródło: VDI 4640

obniża opór termiczny. Dlatego też opór termiczny pala geotermalnego RE jest sumą oporów poszczególnych elementów i szczególnych oporów materiałowych. Maksymalna prędkość przepływu powinna wynosić 1 m/s. Prędkość przepływu w palach geotermalnyc h powinna być zmienna, ponieważ taki przepływ pozwala na lepsze przenoszenie ciepła z rury do solanki, a przez to podwyższa jej temperaturę. W przypadku monowalentnego wymiarowania pompy ciepła solanka/woda, źródło ciepła musi być zwymiarowane tak, aby spełniać wymagania wydajnościowe budynku QG a nie wymagania pompy QWP = (QG + QWW) · Z

[W]

ciepła. Całkowita wydajność cieplna QWP obejmuje wymagania dot. wydajności budynku QG i ogrzewania ciepłej wody użytkowejQww w odniesieniu do czasu zatrzymania Z. Jeśli podczas wyboru pompy ciepła

wybrany zostanie model o niższej wydajności cieplnej lub pętle będą krótsze, czas pracy pompy ciepła będzie dłuższy. Oznacza to, że pal geotermalny będzie mocniej eksploatowany lub roczny współczynnik oddawania będzie większy. W celu skompensowania zwiększenia czasu pracy należy zwiększyć długość pętli, co z kolei zaowocuje zwiększonym poborem energii. W przypadku wymiarowania systemu pali geotermalnych znajomość własności termicznych podłoża jest niezwykle istotna. Wyliczenie przewodnictwa cieplnego na podstawie nienaruszonych próbek odwiertów jest w zasadzie możliwe, ale wyłącznie przy użyciu skomplikowanych metod, przeprowadzanych jedynie w laboratorium. Wymiarowanie systemów pali geotermalnych przy użyciu programów symulacyjnych wymaga wielu informacji na temat efektywnego przewodnictwa cieplnego na całej długości odwiertu. Taka informację może zapewnić bezpośrednio na budowie test TRT

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

(Thermal Response Test). Thermal Response Test Test ten jest przeprowadzany na zmontowanym palu geotermalnym. W trakcie testu pal jest poddany wymianie ciepła, aż osiągnie stałą wydajność cieplną, a potem wyciągany. Badanie odbywa się przy użyciu teorii lorda Kelwina. Wynik pokazuje dokładne własności geologiczne miejsca odwiertu na całej długości pala geotermalnego i w typowych warunkach eksploatacji, włączając efekt potencjalnie istniejącego przepływu wód gruntowych. Ze względu na skomplikowane geologiczne i hydrogeologiczne powiązania wymiarowania pali geotermalnych oraz wymagana do planowania ekspercką wiedzę, symulacja i wymiarowanie systemów pali geotermalnych muszą być przeprowadzane przez doświadczonych specjalistów.

Układanie i montaż System pali geotermalnych powinien być wykorzystywany w taki sposób, aby służyły one na zmianę jako wymienniki ciepła i chłodu. Ze w zglę du na zabudowaną powierzchnię, naturalne dostarczanie ciepła jest często niewystarczające, dlatego po kilkuletnim używaniu systemu temperatura gruntu może się obniżyć i spaść poniżej poziomu opłacalności. Podczas grzania temperatura powinna być utrzymy wana na możliwie jak najniższym poziomie (< 35 °C), a podczas chłodzenia – na jak najwyższym (> 16-18 °C). Wszystkie pale geotermalne oraz ich przewody połączeniowe powinny mieć taką samą długość i powinny być podłączone do pompy ciepła wg zasady Tichelmanna popr zez r ozdzielac ze sterujące dopływem i odpływem.

Podczas układania rur w układzie Tichelmanna wymagana długość pala geotermalnego jest dzielona na poszczególne pale łączone równolegle stosownie do ich zdolności oddawania. Z tego względu, mając na uwadze straty ciśnienia w poszczególnych palach geotermalnych, należy dokładnie wymierzyć długość i średnicę rur. Jeśli nie można zainstalować pali i przewodów łączących o tej samej długości, należy doprowadzić do kompensacji hydraulicznej przy pomocy zaworów wyrównujących, aby uzyskać takie same straty ciśnienia w każdej pętli. Dopływ i odpływ czynnika w palu geotermalnym może być sterowany przez główny rozdzielacz, rozgałęziacze lub trójniki i łączony z innymi palami w grupy. Połączenie z poziomo ułożonym

przewodem łączącym jest wykonywane na szczycie pala. Końce rur są wyprowadzone ze szczytu pala, co zapobiega prowadzeniu przewodów łączących wokół pali. Specjalne złączki kątowe pozwalają na takie połączenie rur wychodzących z pala i przewodów łączących, że w tym miejscu nie tworzą się kieszenie powietrzne. Przewody łączące należy kłaść z minimalnym spadkiem w kierunku rozdzielacza, aby zapewnić odpowietrzenie. Można do tego wykorzystać miejsce w podbudowie lub podsypce z piasku – w przypadku rur z PE-Xa podsypka z piasku nie jest wymagana – pod p ł y t ą fundamentową , prowadząc w kierunku odpowiedniego rozdzielacza. Należy zadbać o to, aby przewody łączące nie był y ułożone w bezpośrednim sąsiedztwie, aby

Pale geotermalne: Wykorzystanie termiczne podłoża Sytuacja wyjściowa Temperatura podłoża ok. 8–12°C

Chłodzenie latem Podłoże służy jako zbiornik ciepła

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Jesień Gromadzenie ciepła w podłożu o temp ok. 12–16°C

Ogrzewanie zimą Podloże służy jako źrodło ciepła

Wiosna Gromadzenie chłodu podłożu ok. 4–8°C

nie wywołać mostków termicznych międz y rurami zasilając ymi, a odprowadzającymi. W idealnym przypadku przewody łączące powinny być zaprojektowane jako rury izolowane, np. rury systemu Uponor Ecoflex Thermo Mini. Przewody łączące mogą być popr owadzone do odpowiednich rozdzielaczy (równolegle) lub w prowadzone w wiązce (seryjnie). Zaletą łączenia pojedynczych pali z rozdzielaczem jest to, że w przypadku awarii pala tracone jest pozyskiwanie ciepła lub chłodu tylko z tego pala. Wszystkie rozdzielacze i złączki powinny być montowane na zewnątrz w studzienkach lub komorach, chroniących przed deszczem. Wszystkie pale powinny być wyposażone w zawory kulowe przy rozdzielaczach, aby można je było zamknąć. Przewody łączące powinny być podłączone do rozdzielaczy bez naprężeń. P o d c z a s p lan owania nal e ż y przewidzieć wzajemne o d dzia ł y wani e c i e p ln e p ali. Określenie liczby i rozmieszczenia

rury łączące przechodzące przez ś c iany or az r ur y z solanką , znajdujące się w budynku muszą być zaizolowane (izolac ją paroszczelną), w celu zapobieżenia kondensowania się pary wodnej.

Uponor Ecoflex Thermo Mini

pali geotermalnych, w odniesieniu do aspektów geotermalnych, jest zazwyczaj niemożliwe i zależy od statycznych warunków budynku. Istnieje też możliwość pojawienia się tzw. efektu „utraconego pala”, czyli nieaktywnego termicznie lub zainstalowanego dodatkowo jako pal geotermalny bez wymagań statycznych.

Ważne Połączenia, które są wykonywane na budowie i do k tór ych nie będzie dostępu, powinny być wykonywane przy użyciu technologii zapewniającej swobodne łączenie, np. Uponor Quick & Easy

Ze względu na uwarunkowania stat yc zne należ y przestrzegać limitów temperatur (min. > 0 °C/max. 25 – 30 °C).

lub poprzez złączki zgrzewane elektrooporowo. Zgodnie z DIN 4140-2, wszystkie

Próba ciśnieniowa instalacji pala geotermalnego

Ponadto, system pompy ciepła jest wypełniony płynem, tradycyjnie zwanym solanką – zwykle mieszaniną w o d y i g l i k o l u (c z y n n i k a transportującego ciepło) – aby zapobiec zamarznięciu wymiennika ciepła, rur, połączeń i parownika.

Podłączanie pala geotermalnego przy użyciu rur Uponor PE-Xa

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Trzeba też zadbać o to, aby można było łatwo napełniać i opróżniać system. Aby uniknąć przepełnienia systemu pompy ciepła, należy wyposażyć go w zawór bezpieczeństwa.

Linia zasilająca

Taśma ostrzegająca w wykopie 30-40 cm ponad rurami

120 - 150 cm

Główne wypełnienie wł. konstrukcję drogi

min. 70 cm

Podsypka: PE-Xa – niewymagana PE100 – piasek o grubości ok. 30 cm

Czynniki transportujące ciepło do wymienników ciepła powinien być starannie wybrany, aby w przypadku przebicia maksymalnie ograniczyć poziom skażenia gleby i wód gruntowych. Należy w tym celu wybierać nietoksyczne lub biodegradowalne substancje organiczne, zgodne z VDI 4640,

Podłoże dla przewodów łączących. Przepływ nieizolowany – odpływ izolowany

Zawartość glikolu w czynniku powinna wynosić 25-30 procent. W takim pr zypadku strat y ciśnienia w rurach kolektora są wyższe o 1,5-1,7 raza wyższe niż w przypadku wypełnienia instalacji czystą wodą. Trzeba wziąć to pod uwagę podczas wymiarowania pompy. Te s t s z c z e l n o ś c i n a l e ż y przeprowadzić zgodnie z EN 805, W zależności od rodzaju rur używanych do wykonania przewodów łączących należy prowadzić w podsypce z piasku. Tylko w pr-

Ważne Mieszanie płynu przeciwzamarzającego i wody powinno odbywać się w odpowiednio dużym zbiorniku, zanim zostanie ona wlana do instalacji!

zypadku korzystania z Rury Uponor PE-Xa, piasek jest niepotr zebny z powodu ich odporności na wolne i szybkie pękanie.

Łączenie przewodów łączących (wysokość w gruncie i dystans) może być wykonane przy użyciu haków lub poprzez mocowanie rur na zbrojeniu.

Pojemność wodna rur Wymiary rur PE-Xa Ś r e d n i c a we w n . O b j ę t o ś ć [l/m] [mm] [mm] 20 x 2,0 25 x 2,3 32 x 2,9 40 x 3,7 50 x 4,6 63 x 5,8 75 x 6,8 90 x 8,2 110 x 10,0 125 x 11,4

16,0 20,4 26,2 32,6 40,8 51,4 61,4 73,6 90,0 102,2

wody

0,201 0,327 0,539 0,835 1,307 2,075 2,961 4,254 6,362 8,203

Regulacje prawne W przypadku montażu pali geotermalnych może być potrzebne zezwolenie, wydawane przez odpowiednie władze lokalne. Należy też przestrzegać postanowień VDI 4640 i Wasserhaushaltsgesetz (Ustawa federalna dot. stosunków wodnych), SIA 384/6 oraz BAFU-Vollzugsrichtlinie, jak również innych przepisów, dotyczących prawa budowlanego.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Kolektory pionowe System/zakres zastosowania Aby skorzystać z energii geotermalnej, kiedy brak jest miejsca na dostępnej działce, wykorzystuje się kolektory pionowe. Kolektory pionowe mogą być użyte w przypadku każdego rodzaju podłoża.

Korzyści System zajmujący niewiele powierzchni w porównaniu do innych. Może być wykonywany w przypadku różnych rodzajów podłoża. Można stosować zarówno aktywne, jak i pasywne grzanie i chłodzenie. Idealne rozwiązanie do budynków mieszkalnych i niemieszkalnych. Opis zastosowania Mówiąc ogólnie, kolektory pionowe to wymienniki ciepła, instalowane pionowo w gruncie. Ciepło w nim zawar te oraz pompa ciep ła pozwalają wykorzystać energię, doprowadzając do uzyskania temperatur, pozwalających na ogrzanie domu i wody użytkowej. Podobnie, jak w przypadku innych systemów energii geotermalnej, kolektory pionowe mogą być używane latem do chłodzenia pasywnego (swobodnego) oraz aktywnego. To jedna z głównych korzyści w porównaniu do ogrzewania konwencjonalnego. W trakcie chłodzenia budynku latem, pobrane ciepło jest odprowadzane do gruntu. Niezbędna wydajność oddawania

Schematyczna ilustracja systemu kolektorów pionowych

zależy od uwarunkowań geologicznych i klimatycznych, zastosowanej technologii pozyskiwania ciepła i sezonowych zmian w zapotrzebowaniu na ciepło. W przypadku dużego za-

potrzebowania można uzyskać tzw. pola kolektorowe, czyli zgrupowania pojedynczych kolektorów.

Kolektor Uponor Simple U

Uponor G12

zwany solanką, a w rzeczywistości będący mieszaniną wody i substancji pr zeciwzamar zającej. Solanka ogrzewa się płynąc przez

ku do pompy ciepła i chłodna wraca do podłoża. Pozyskana z gruntu energia służy do podnoszenia przez pompę ciepła temperatury w systemie grzewczym

Ograniczenia zastosowania Kolektor pionowy zwykle składa się z je dnej lub dwó c h r ur w kształcie litery U. W rurach płynie czynnik pozwalający na w ymianę ciep ła, tradyc y jnie

podłoże, oddaje ciepło w parowni-

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

W zależności od systemu, kolektory pionowe do celów geotermalnych mogą mieć nawet 400 m długości. Zgrzewy pomiędzy rurami pionowymi, a pozostałymi są fabrycznie poddawane próbie ciśnieniowej, zgodnie z EN 805, Zgrzewanie w miejscu montażu jest niedozwolone. Cały zestaw kolektora pionowego musi być dostarczony na miejsce budowy fabrycznie przygotowany i poddany próbie ciśnieniowej. Temperatura w górnych warstwach ziemi zmienia się wraz z po-

Temperatura (powierzchnia ziemi) [°C] 0

Głębokość w glebie [m]

do odpowie dnie go poziomu. Z reguły temperatura zasilania takiego systemu wynosi ok. 35 °C. Temperatura systemu powinna być utrzymywana na jak najniższym poziomie, aby zapewnić wysoki współczynnik wydajności sezonowej

Kolektory pionowe Uponor

Głębokość instalacji: 30 to 250 m

Temperatura (głębokość) [°C]

Temperatura gruntu rośnie średnio o 1 °C na każde 33 m w głąb. 1. lutego

1. maja

rami roku. Kiedy tylko temperatura spada poniżej temperatury zamarzania, wahania tempera-

1. listopada

1. sierpnia

tury zanikają.

Rodzaje kolektorów pionowych Istnieją trzy podstawowe rodzaje kolektorów pionowych:

Przekrój kolektora pojedynczego

Przekrój kolektora podwójnego

Przekrój pojedynczego współosiowego

Kolektor pojedynczy Kolektor pojedynczy składa się z dwóch rur, połączonych na s p o d z i e zg r ze wa n ą z ł ą c z k ą w kształcie litery U. Stąd kolektor pojedynczy ma jedną rurą zasilającą i jedną odprowadzającą.

Kolektor podwójny Kolektor podwójny składa sie z czterech rur, które są połączone na spodzie parami przez podwójną zgrzewana złączkę w kształcie litery U. Dlatego kolektor podwójny ma dwie rury zasilające i dwie odprowadzające.

Kolektor współosiowy Taki rodzaj kolektora jest zaprojektowany dla przypadków, w których trzeba liczyć się z różnymi osiami obrotu w trzech wymiarach. Dlatego kolektor współosiowy składa się z dwóch rur, jednej wpuszczonej w drugą (wewnętrznej i zewnętrznej). W zależności od wykorzystania, rura wewnętrzna jest rurą zasilającą lub na odwrót.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Rodzaj specjalny: izolowana rura z ułożonymi promieniście na zewnątrz nieizolowanymi rurami

Wymiarowanie kolektora pionowego Wymiarowanie kolektora pionowego zależy od własności podłoża, czasu pracy pompy ciepła w skali r o k u, ś r e dni c y o dwi e r t u, wypełnienia otworu oraz umiejscowienia rur w odwiercie, jak również odziaływania systemów kolektorów pionowych na siebie. Im niższy jest opór termiczny RE pala geotermalnego, tym wyższe jest przewodzenie ciepła. Opór termiczny oznacza stratę temperatury podczas przesyłu ciepła spod powierzchni do czynnika no ś ne go (s olank i). K r y te r ia decydujące o oporze odwiertu to jego średnica, przewodnictwo cieplne materiału wypełniającego oraz rodzaj kolektora pionowego. Niewielka średnica odwiertu zmniejsza jego opór. Wyższe przewodnictwo cieplne wypełnienia odwiertu zmniejsza utratę ciepła podczas jego transferu i zmniejsza opór odwiertu. Dlatego też opór termiczny odwier tu jest sumą oporów poszczególnych elementów i szczególnych oporów materiałowych.

Opór przenoszenia:

Podłoże < > wypełnienie odwier tu < > r ura < > c z ynnik przenoszący ciepło (solanka) Opór materiałub: Rc Współczynnik przenoszenia R b = Rc + R S + RV[W/(m²K)] ciepła czynnika przenoszący ciepło / rura RS Współczynnik przenoszenia ciepła rury kolektora pionowego RV Współczynnik przenoszenia ciepła materiału wypełnieniowego

Wymagana długość kolektora L, jest wyliczana na podstawie swoistej możliwości przyjmowania qE gleby oraz w ydajności

QO qE

[m]

chłodniczej QO solanki lub wody w pompie ciepła. Pojemność chłodnicza odnosi się po udziału wydajności pompy ciepła, jaką ta pobiera z otoczenia i równa się różnicy wydajności QO = QH + Pel

[W]

ogrzewania QH i zużycia energii elektrycznej Pel. P o dc z a s w ymiar owania linii doprowadzających do kolektorów pionowych trzeba uwzględnić straty ciśnienia w rurach (solanka

Szczególna wydajność oddawania na metr kolektora pionowego Podłoże

Szczególna wydajność oddawania qE na metr kolektora w przypadku wydajności grzania do 30 kW 1800 h/a 2400 h/a Słabe podłoże, suche os- 25 W/m 20 W/m ady 50 W/m Zwykłe skaliste podłoże 60 W/m i osady przesiąknięte wodą Gęsta skała o wyższym 84 W/m 70 W/m przewodnictwie cieplnym Źródło: VDI 4640 W trakcie dłuższych okresów użytkowania trzeba wziąć pod uwagę zarówno wydajność oddawania swoistego q oraz współczynnik rocznego oddawania. W przypadku kolektorów pionowych powinna ona wynosić pomiędzy 100 a 150 kWh/(m²/rok).

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

ma zwiększoną lepkość w porównaniu z wodą) ponieważ wydajność pompy obniża wspó ł c z ynnik wydajności sezonowej β systemu pompy ciepła lub obniża opór termiczny. Maksymalna prędkość przepływu powinna wynosić 1 m/s. Prędkość pr zepł ywu w pr zewodach zagłębionych w ziemi powinien być zmienny, ponieważ t aki przepływ poprawia przekazywanie ciała z rury do solanki, a przez to powyższa jej temperaturę. W przypadku monowalentnego w ymiar owania pompy ciep ła solanka/woda, źródło ciepła musi być zw ymiar owane t ak, aby spełniać wymagania wydajnościowe budynku QG a nie wymagania pompy ciepła.

QWP = (QG + QWW) · Z

[W]

Całkowita wydajność cieplna QWP obejmuje wymagania dot. wydajności budynku QG ai ogrzewanie ciepłej wody użytkowej Qww w odniesieniu do czasu zatrzymania Z. Jeśli wybrany zostanie model pompy ciepła o niższej wydajności cieplnej lub długość przewodów będzie krótsza, czas pracy pompy ciepła będzie dłuższy. Oznacza to, że kolektor pionowy będzie

mocniej eksploatowany lub roczny współczynnik oddawania będzie większy. W celu skompensowania zwiększenia czasu pracy należy zwiększyć długość pętli, co z kolei zaowocuje zwiększonym poborem energii. Należy bezwzględnie przestrzegać poniższych reguł: W przypadku monowalentnego wymiarowania pompy ciepła solanka/woda, wydajność pompy ciepła musi pokrywać przynajmniej 100 procent całkowitej wymaganej wydajności. W pr zypadku wymiarowania większych systemów kolektorów pionowych (powyżej 30 kW), należy dobr ze sprawdzić własności termiczne podłoża. Wyliczenie przewodnictwa cieplnego na podstawie nienaruszonych próbek odwier tów jest w zasadzie możliwe, ale przy użyciu skomplikowanych metod, które można wykonywać jedynie w laboratorium.

bezpośrednio na budowie test TRT (Thermal Response Test). Thermal Response Test Test ten jest przeprowadzany na gotowym kolektorze. W trakcie testu jest on napełniany ciepłem, aż osiągnie stałą wydajność cieplną, a potem jest wyciągany. Badanie odbywa się przy użyciu teorii lorda Kelwina. Wynik pokazuje dokładne własności geologiczne miejsca odwiertu na całej długości odwiertu i w typowych warunkach eksploatacji, włączając efekt potencjalnie istniejącego przepływu wód gruntowych. Ze względu na skomplikowane zależności geologiczne i hydrogeologiczne dotyczące wymiarowania kolektora pionowego, jak również konieczność posiadania odpowiedniej wiedzy na temat planowania, symulacja i wymiarowanie kolektora pionowego musi być dokonywane wyłącznie przez wykwalifikowany personel.

Wymiarowanie systemów kolektorów pionowych przy użyciu p r o gr a m ów s y mul a c y jnyc h wymaga wielu informacji na temat efektywnego przewodnictwa cieplnego na całej długości odwiertu. Taką informację może zapewnić tylko przeprowadzony

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Układanie i montaż podłączone do rozdzielaczy bez naprężeń. Aby uniknąć wzajemnego oddziaływania, kolektory pionowe powinny być instalowane w odpowiedniej odległości, gwarantującej niezależność od wp ł ywów

Łączenia rur, które są wykonywane na budowie i do których dostęp będzie niemożliwy, powinny być wykonywane przy użyciu technologii zapewniającej swobodne łączenie, np. Uponor Quick & Easy lub łączenia zgrzewane elektrooporowo.

Podczas podłączania kolektorów pionowych zgodnie z zasadą Tichelmanna, wymagana długość kolektora powinna być podzielona między poszczególne kolektory na równe odcinki. Kolektory są łączone równolegle. To, w odniesieniu do strat ciśnienia, kontrolować przepływ objętości poszczególnych kolektorów pionowych poprze odpowiednią średnicę i długość rur.

śr odowiskow yc h (zmiennyc h w zależności od kraju). W przypadku podłoża nasączonego wodą kolektory pionowy powinny być

Zgodnie z DIN 4140-2, wszystkie rury łączące przechodzące przez ś c iany or az r ur y z s olanką ,

Przewody łączące należy kłaść z minimalnym spadkiem w kierunku rozdzielacza, aby zapewnić odpowietrzenie. Bezpieczeństwo użytkowania Wszystkie rozdzielacze i złączki powinny być montowane na zewnątrz w studzienkach lub komorach, chroniących przed deszczem. Co więcej, kolektory pionowe powinny być wyposażone w zawory kulowe przy rozdzielaczach, aby można je było zamknąć. Przewo d y ł ą c z ą c e p owin ny być

Linia zasilająca

Taśma ostrzegająca w wykopie 30-40 cm ponad rurami

120 - 150 cm

Główne wypełnienie wł. konstrukcję drogi

min. 70 cm

Jeśli nie można zainstalować kolektorów pionowych i przewodów łączących o tej samej długości, należy zapewnić kompensację hydrauliczną poprzez zastosowanie zaworów wyrównujących straty ciśnienia w poszczególnych pętlach.

Podsypka: PE-Xa – niewymagana PE100 – piasek o grubości ok. 30 cm

Wszystkie kolektory pionowe oraz ich przewody połączeniowe powinny mieć taką samą długość i powinny być podłączone do pompy ciepła wg zasady Tichelmanna popr zez rozdzielac ze sterujące dopływem i odpływem.

Podłoże przewodów łączących. Rura zasilająca nieizolowana – rura odprowadzająca izolowana

ułożone pod odpowiednim kątem wobec kierunku płynięcia wód gruntowych. Należy unikać zakrywania miejsc, w których zostały

znajdujące się w budynku, muszą być zaizolowane (izolac ją paroszczelną), w celu zapobieżenia kondensowania się pary wodnej.

zainstalowane kolektory pionowe. W zależności od rodzaju zastosowanych rur, przewody łączące powinny być kładzione w podłożu wykonanym z piasku. Tylko w przypadku stosowania rur Uponor PE-Xa zakopanych w piasku, nie ma takiej konieczności, ze względu na ich odporność na pękanie.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Ponadto, system pompy ciepła jest wypełniony płynem, tradycyjnie zwanym solanką – zw ykle mieszaniną wody i glikolu (czynnika transportującego ciepło) – aby zapobiec zamarznięciu kolektora i parownika.

Budowa, a środowisko naturalne Czynnik transportujący ciepło do wymienników ciepła należy zawsze starannie dobrać, aby w przypadku przebicia maksymalnie ograniczyć poziom skażenia gleby i wód gruntowych. Należy w tym celu wybierać nietoksyczne lub biodegradowalne substancje organiczne, zgodne z VDI 4640,

ania pompy. Kolektory pionowe są montowane fabrycznie przed dostarczeniem ich na budowę. Aby zainstalować kolektor pionowy po wykonaniu odwiertu, musi on być wypełniony przed montażem wodą, aby zapobiec jego wypł ywaniu na powierzchnię. Zwykle do spodu systemu mocowane są obciążniki. Ich długość należy uwzględnić

Pojemność wodna rur Wymiary rur PE-Xa Średnica [mm] wewnętrzna [mm]

Objętość [l/m]

40 x 3,7 50 x 4,6 63 x 5,8 75 x 6,8 90 x 8,2 110 x 10,0 125 x 11,4

0,835 1,307 2,075 2,961 4,254 6,362 8,203

32,6 40,8 51,4 61,4 73,6 90,0 102,2

Trzeba też zadbać o to, aby można było napełniać i opróżniać system. Aby uniknąć przepełnienia systemu pompy ciepła, należy wyposażyć go w zawór bezpieczeństwa. Zawartość glikolu w czynniku powinna wynosić 25-30 procent. W takim pr zypadku strat y ciśnienia w rurach kolektora są wyższe o 1,5-1,7 raza wyższe niż w przypadku wypełnienia instalacji czystą wodą. Trzeba wziąć to pod uwagę podczas wymiarow-

wody

podczas dokonywania odwiertu. Wybór średnicy odwiertu zależy od projektu kolektora pionowego i warunków panujących w określonym miejscu i kraju. Im mniejsza jest średnica odwiertu, tym lepszy jest przesył ciepła. Jeśli wymagane jest wypełnienie kolektora pionowego, powinno być dokonane przy użyciu ulepszonego materiału wypełnieniowego. Standardowy

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

materiał wypełnieniowy, np. bentonit, ma współczynnik przewodnictwa cieplnego wynoszący 0,70,8 W/mK; t e r mi c zni e udoskonalone materiał y wypełnieniowe wykazują przewodnictwo cieplne, liczące nawet 2, 5 W/m K . D l a t e g o m o ż n a osiągnąć wyższą temperatura solanki lub skrócić długość obwodów przy tej samej temperaturze solanki. Zalewanie kolektorów pionowych pod ciśnieniem przez rurę napełniającą powinno następować zawsze od dołu do góry, aby zapobiec tworzeniu się pustych przestrzeni. Rozpórki pomiędzy rurami kolektora zapobiegają przed tworzeniem się mostków termicznych między rurą zasilającą , a odprowadzającą. Pozwalają one również na maksymalne zbliżenie rur do brzegów odwier tu, co zapewnia lepszy przepływ ciepła do i od rur.

Ważne Czynnik przeciwzamarzający i woda muszą być w ymieszane w odpowiednio dużym zbiorniku, zanim mieszanina zostanie wlana do instalacji!

Te s t s z c z e l n o ś c i n a l e ż y przeprowadzić zgodnie z EN 805, Test powinien być przeprowadzony bezpośrednio po wypełnieniu

– przed stwardnieniem materiału wypełnieniowego lub bezpośrednio po st wardnieniu materiału wypełnieniowego, w celu uniknięcia

Regulacje prawne W przypadku kolektorów pionowych może być potrzebne zezwolenie, wydawane przez odpowiednie władze. Firmy wykonujące odwierty muszą posiadać certyfikat zgodny z DVGW W120 (D) lub inne krajowe certyfikaty.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

tworzenia się kieszeni powietrznej między ścianką rury, a materiałem wypełnieniowym po zwolnieniu ciśnienia. Tworzenie się kieszeni powietrznej daje w efekcie efekt izolacyjny, a przez to obniża przepływ ciepła w kierunku rur i czynnika roboczego. Mocowanie przewodów łączących (wysokość w gruncie i odległość) może polegać na przywiązaniu rur do zbrojenia lub poprzez użycie haków gruntowych.

Materiały używane przez Uponor PE-Xa Rury Uponor PE-Xa cechują się długotr wałą sprawnością i niezwykłą wytrzymałością dając przez to nie tylko bezpieczeństwo t r an s p o r t owania, al e t ak że doskonał y stosunek ceny do jakości. Niewielka różnica sprawia, że k lie nc i c ie s z ą s i ę p r ze z dziesięciolecia pewnością stosowanych rozwiązań. Uponor to jedyna firma, która oferuje przedłużoną gwarancję na 10 lat, włączając zadośćuczynienie za straty do wartości 1 mln. euro, w zależności od indywidualnego przypadku, dla rur niew ymagając yc h k ł adze nia w podsypce z piasku, zgodnie z ogólnie obowiązującymi przepisami. Oprócz możliwości łączenia przy użycia systemu łączenia Uponor Quick & Easy, rury Uponor PE-Xa można zgrzewać w konwencjonalny sposób i taki sposób łączenia nie odbiega jakością od połączenia rur z polietylenu sieciowanego. Podczas produkcji rur Uponor PEXa cząsteczki poliet ylenu są łączone w gęstą, trójwymiarową sieć. Procedura ta jest opatentowana. Przez wzgląd na usieciowanie rura zyskuje niezwykłe właściwości termiczne i mechaniczne, co sprawia, że nadaję się doskonale na zaawansowane systemy energii geotermalnej. Rury Uponor PE-Xa używane do zastosowań energii geotermalnej to rury z wysokociśnieniowego polietylenu sieciowanego, wykonywanego przy użyciu opatentow-

anej metody Engela. Proces ten polega m.in. na topieniu polietylenu wysokiej jakości i produkcji rur w wyciskarkach. Ze względu na wysokie temperatury i ciśnienie, towarzyszące temu procesowi, dodawany perhydrol reaguje w procesie topnienia i częściowo oddziela atomy wodoru od atomów węgla łańcuchów polietylenowych. Następnie zachodzi w tych miejscach połączenie łańcuchów. W ten sposób powstaje stabilna trójwymiarowa sieć, która nie może wrócić do poprz-

Naprawianie zagięć gorącym powietrzem.

Rozchodzenie się polietylenu niesieciowanego, wywołane napięciami materiałowymi.

Struktura molekularna polietylenu sieciowanego zapobiega przed niszczeniem się w przypadku napięć

edniej postaci. Dlatego też rury PE-Xa nadają się szczególnie do wszystkich instalacji, w których występują jakiekolwiek napięcia materiałowe.

maks. 140 °C.

W przeciwieństwie do rur z polietylenu niesieciowanego, te z polietylenu sieciowanego posiadają tzw. efekt pamięci. Materiał wraca niemal automatycznie do pierwotnego kształtu po zniekształceniu wywołanym np. rozciągnięciem.

Efekt pamięci rur PE-Xa to kluczowa cecha, używana w technologii łączenia Uponor Quick & Easy. Polega ona na rozszerzeniu rury, włożeniu złączki i zaciśnięciu się rury z powrotem na zasadzie efektu pamięci. Połączenie jest mocne, szczelne i nie wymaga dodatkowego uszczelnienia – szybko i bezpiecznie!

Nawet zagięcia można łat wo naprawić, ogrzewając rurę do

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Rury ścienne wykonane z PE 80 lub PE 100 posiadają wiele zalet, niedostępnych rurom wykonanym z metalu. Muszą być one jednak zawsze kładzione w podsypce z piasku, co jest procesem skomplikowanym i kosztownym. Rury wykonane z polietylenu sieciowanego perhydrolem są z kolei bardzo ciągliwe, mogą być poddawane duż ym naprężeniem i mogą być instalowane bez podsypki z piasku lub żwiru, zgodnie z DVGW Worksheet W 400-2,

Często wykopywana gleba może być używana bezpośrednio jako wypełnienie. To oszczędza czas i pieniądze. Jeśli plastikowe rury są kładzione bez podsypki z piasku, narażone są na silne przeciążenia. Na rury dzia ł a r ównie ż napr ę że nie włókien zewnętr znych, wywołanych przez nacisk na część zewnętrzną, np. przez kamienie lub inne obiekty lub napięcie styczne rury, wywołane przez ciśnienie wewnętrzne. Oby-

W przypadku rur Uponor PE-Xa do zastosowań geotermalnych, dzięki szc zególnym własnościom materiału, nie występują pęknięcia. Właściwość ta została potwierdzona przez niezależne testy (S4, Notch, FNC-Test). Ważnym kryterium podczas instalacji bez podsypk i p i a s ko w e j, j e s t a n a l i z a wytrzymałości rur na pełzanie w FNCT (Full Notch Creep-Test). W tym teście sprawdzana jest wytrzymałość na rozciąganie próbki materiału w podwyższonej tem-

Tworzenie się pęknięć w rurach z polietylenu niesieciowanego

2 Wywołane naprężenie styczne

Układanie rur PE-Xa bez podsypki

Rury PE-Xa do zastosowań geotermalnych osiągają najlepsze rezultaty w czterech najważniejszych testach: Wolne rozchodzenie się pęknięcia: Test zakończony bez rezultatów (przy 14 300 h). Szybkie rozchodzenie się pęknięcia: S4 – test nie wykazał żadnego rozchodzenia się pęknięcia. Wytrzymałość na pełzanie: 30 lat testowania i gwarantowane ponad 100 lat użytkowania. Wydajność po wystawieniu na nacisk miejscowy: brak efektów, zatwierdzono do instalowania bez podsypki z piasku, zgodnie z DVGW W400-2,

Słabe rozchodzenie się pęknięcia od wewnątrz na zewnątrz jako typowe zniszczenie tradycyjnych rur z niesieciowanego polietylenu.

Naprężenia włókien zewnętrznych

wywołane przez nacisk miejscowy pi

Rezultat:

przez nacisk wewnętrzny

Nakładanie się sił na ściance wewnętrznej rury

Fr Fr+Ft

Grunt

Nacisk miejscowy

Ft +Fr

dwie siły nakładają się na siebie, działając na wewnętrzne ścianki rury. W polietylenie niesieciowanym pojawiają się pęknięcia ścianek wewnątrz, które rozchodzą się z czasem na zewnątrz. Teraz czas mierzony jest do momentu utworzenia pęknięcia, rozszerzenia się pęknięcia i w końcu przerwania rury. Sprawdzanie rur Uponor PE-Xa w temperaturze 95 °C zostało zatrzymane po 14 300 godzinach ciągłego spr awdzania. Nie w ykazano żadnego zniszczenia. Po obniżeniu temperatury do 80 °C, która częściej dotyczy polietylenu oznacza wydłużenie czasu pracy rury do ponad 70 000 godzin – to o wiele dłużej niż mogą wytrzymać nawet najnowocześniejsze produkty z polietylenu niesieciowanego.

Ścianka rury

peraturze. Aby tego dokonać, próbka jest nacinana na grubość 10 procent grubości materiału i poddawana rozciąganiu w kąpieli z surfaktantu. Ze względu na wysoką wytr zymałość na naprężenia FNCT – σ = 4 N/mm · czas pełzania w υ = 80 °C

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Ekstrapolowane do 80 °C

80,000 70,000

PE-Xa

60,000 50,000 40,000

Test w temp. 95 °C zatrzymany bez pęknięcia Pęknięcie PE 100

20,000 10,000

Pęknięcie PE 80

30,000

PE-Xa

mechaniczne, rury Uponor PE-Xa są szczególnie godne polecenia do zastosowań geotermalnych: W przypadku montowanych na miejscu budowy pali geotermalnych istnieją naprężenia i możliwe są zniszczenia podczas mocowania rur do klatek zbrojeniowych, wkładania zbrojenia do odwiertu oraz podczas betonowania. Ze względu na procesy budowlane, przewody łączące kolektory pionowe i pale geotermalne są często poddawane naprężeniem

mechanicznym, zarówno podczas, jak i po instalacji. Rezultatem jest nieodpowiednie ułożenie rur i naprężenia na nie oddziałujące, wywołane przez ludzi i maszyny.

lepszym materiałem do wypełniania wykopów jest grunt rodzimy. Oprócz wyższej wydajności energetycznej daje to również niższe koszty.

Dodatkową korzyścią ze stosowania rur PE-Xa jest to, że nie są one umie szc zone w piasku, ponieważ suchy piasek jest słabym podłożem termicznym w przypadku kolek torów poziomych ze względu na stosunkowo niski współczynnik przewodzenia ciepła. W przypadku rur PE-Xa częstokroć

Quick & Easy Rury Uponor PE-Xa (wykonane z wysokociśnieniowego polietylenu sieciowanego przy pomocy metody Engela) posiadają pamięć materiałową, dając tzw. efekt pamięci. Użycie technologii Quick & Easy daje niezwykłe możliwości powrotu do pierwotnego kształtu. Jeśli rura Uponor PE-Xa jest rozszerzana przy użyciu odpowiedniego narzędzia, wróci po chwili do pierwotnego kształtu. W takim układzie materiał konstrukcyjny staje się materiałem uszczelniającym. Złączki Quick & Easy są łączone bardzo mocno i p e w n i e, a s t u p r o c e n t ow ą

szczelność zapewniają dodatkowo o-ringi.

Zanim koniec rury powróci do pierwotnego kształtu, zakłada się końcówkę Uponor Quick & Easy. Już po kilku sekundach koniec

W przypadku zastosowań geotermalnych można zastosować szereg złączek Uponor Quick & Easy, wykonanych z PPSU. Wysokowydajny p olif e nylo s ulf on (PP SU) wytrzymuje duże naprężenia i jest odporny na działanie różnych temperatur.

Wkładanie pierścienia

Rozszerzanie końca rury

Nakładanie rury na złączkę

Najpierw na koniec rury nasuwa się pierścień i całość poddawana jest rozszerzaniu. Wykorzystuje się do tego specjalny hydrauliczny manip ul at o r z r óż ny mi głowicami, dostosowanymi do różnych średnic rur Uponor PEXa.

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

rury wraca do pierwotnych rozmiarów, tworząc całkowicie pewne i szczelne połączenie. W zależności od temperatury roboczej, często tuż po zakończeniu montażu można pr zepr owadzić pr óbę szczelności.

Planowanie projektu Harmonogram projektu Realizacja projektu Działania na etapie planowania w odniesieniu do kwestii energii geotermalnej można podzielić na dwa obszary: planowanie TBA i TGA. Planowanie TBA dotyczy gruntowych systemów pozyskiwania energii, z kolei planowanie TGA dotyczy kwestii technicznych instalacji w budynkach i robót budowlanych. Poniżej przedstawiono proces planowania, obejmujący zakres i przydzielanie zadań z zakresu

planowania systemów energii geotermalnych i planowania technicznych k westii związanych z montażem, co ma na celu zapewnienie inżynierowi instrumentu do wykonywania tych zadań krok po kroku. Ponadto, taki harmonogram ma na celu ułatwienie k li e n t owi p o r ozumi e ni e s i ę z różnymi fachowcami oraz monitorowanie wykonania poszczególnych zadań.

Etapy planowania 1.

Definiowanie założeń

Planowanie przedwstępne

Projektowanie inżynierskie

Planowanie dot. pozwoleń

Planowanie wdrożeniowe

Przygotowywanie montażu

Współpraca podczas procesu montażu

Nadzór budowlany

Zarządzanie obiektem, dokumentacja

Harmonogram planowania. Źródło: Manja Gust, HGN Hydrologie GmbH, Niederlassung Magdeburg, 2008

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Treść/przypisanie zadań

Planowanie TBA

Planowanie TGA Określenie rodzaju i zakresu, wymagań odnośnie ogrzewania lub chłodzenia oraz wydajności

Prace testowe, jeśli są konieczne Określanie parametrów

Przedwstępne studium wykonalności energii geotermalnej (technicznie/w odniesieniu do zezwoleń)

Analiza, czy energia geotermalna (ekonomicznie) stanowi alternatywę dla systemów konwencjonalnych

Szacowanie potencjału energii geotermalnej na miejscu Prace testowe Modelowanie/symulacje

Szczegółowe określenie potrzeb grzewczych/chłodniczych

Porównanie wariantów, studium wykonalności Szacowanie warunków ramowych

Prace testowe np. test GRT

Szacowanie wymiarowania systemu geotermalnego

Podłączanie budynków

Szacowanie usług budowlanych

Preferowany wariant Planowanie energii geotermalnej

Planowanie usług budowlanych

Szczegółowy plan systemu energii geotermalnej, sterowanie procesem budowlanym, program mierniczy Przygotowanie dokumentów dot. zatwierdzeń (Dokument służby odp. za gosp. wodną lub górniczych)

Pozwolenie na budowę, jeśli jest wymagane

Przygotowanie szczegółów dot. systemu geotermicznego

Przygotowanie szczegółów dot. realizacji

Szczegółowe planowanie gotowe do wdrożenia Przygotowanie dokumentacji przetargowej dot. systemów geotermalnych jeśli wymagane, Optymalizacja budowy Udział w umiejscowieniu systemu energii geotermalnej

Przygotowanie dokumentacji przetargowej dot. technologii Udział w umiejscowieniu technologii budowlanych

Przetarg/wybór Wykonawcy Wsparcie dla projektu, nadzór budowlany, optymalizacja budowy systemów energii geotermalnych Wsparcie, zatwierdzenie i przekazanie dokumentacji systemów energii geotermalnych

Nadzór budowy, przygotowanie sprzętu, jeśli jest wymagane, Optymalizacja procesu Zatwierdzenie i przekazanie dokumentacji sprzętu budowlanego

Optymalizacja operacji, ujednolicenie wzorca wykorzystania

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

Szczegółowe projektowanie Określanie założeń Podstawą wstępnych etapów projektowania jest koordynacja wszystkimi prac. W trakcie tej fazy określa się podstawowe cele użytkowe i docelową wydajność energet yc zną , osobno dla następujących przypadków: 1

Tylko ogrzewanie Tylko chłodzenie 3 Połączenie ogrzewania i chłodzenia 4 Gromadzenie ciepła i chłodu 2

Oprócz podstawowego wykorzystania, należy na t ym etapie koordynować parametry systemów ogrzewania i chłodzenia (temperatura docelowa, wydajność grzania i chłodzenia, współczynnik wydajności sezonowej, itd.) które należy połączyć z systemem energii geotermalnej, uzgadniając to z osobą odpowiedzialną za planowanie TGA. W celu poprawnego zwymiarowania systemu mogą być konieczne dodatkowe analizy lub roboty testowe. Należy je traktować jako zadanie specjalne i muszą być one uprzednio uzgodnione z klientem. Etapy planowania Opierając się na założeniach, badaniach i analizach właściwości podłoża, należy wypracować procedury wykorzystania energii gruntowej, jakie można zastosować w pr zypadku określonej budowy.

Na etapie projektowania określane są wszystkie wymiary, parametry i procesy instalacji systemu, m.in.: Systemy wytwarzania ciepła/ chłodu (pompa ciepła/ chłodziarka) Tryb działania, parametry wydajnościowe (współczynnik wydajności energetycznej) Wymiary, układ, podłączenia do systemów grzewczych i chłodzących, podłączenia do systemów energii geotermalnej, itp. Wybór systemu geotermalny Ułożenie odwiertów Projekt systemu dystrybucyjnego Miejsce wymagane na wdrożenie Umiejętności zespołu Materiał, z których zbudowane są kolektory i inne elementy Procedury i materiał użyty na zalewanie odwiertów Czynnik operacyjny dla obwodów Testy funkcjonalności Umiejscowienie/realizacja Jeśli uprzednio nie można było wcześniej przeprowadzić testu TRT instalacji przez otwór pilotażowy, zaleca się przeprowadzić ten test w pierwszej ukończonej instalacji. Następnie można przeprowadzić symulację, opierając się na wymierzonych parametrach. Jeśli okaże się to konieczne, trzeba odpowiednio dostosować plan. Przed

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

oddaniem systemu do użytku, systemy energii geotermalnej, k tór e w ykor z ys tują c z ynnik przekazujący ciepło i pompę do wymiany ciepła z gruntem, muszą być wypełnione odpowiednim przygotowanym uprzednio czynnikiem, a następnie oczyszczone. Należy udokumentować każdą próbę ciśnieniową wszystkich obwodów, zgodnie z EN 805, Co więcej, przed odebraniem systemu należy sprawdzić i, jeśli okaże się t o ko ni e c zn e, w y r e gul owa ć przepływ przez gruntowe wymienniki ciepła. W celu monitorowania ciśnienia, system wymiany energii geotermalnej powinien mieć zainstalowany manometr, pokazujący dopuszczalny zakres ciśnień. W przypadku używania płynnych czynników wymiany ciepła, system musi być w pełni szczelny i zabezpieczony przed przeciekaniem. Przyszły operator systemu musi zost ać pr zeszkolony w jego obsłudze, serwisowaniu i radzeniu sobie z problemami. Po ukończeniu fazy planowania zaleca się sprawdzić funkcjonowanie systemu, jego optymalizację, jeśli jest konieczna, i dopasowanie trybu użytkowania do systemu geotermalnego.

Demontaż Już na etapie planowania systemu, k tór y miałby wykor zyst ywać energię geotermalną, należy wziąć pod uwagę konieczność rozmontowania systemu. W trakcie demontażu system, należy zadbać przede wszystkim o to, aby jego elementy, pozostające w gruncie, nie spowodowały bezpośrednich lub pośr ednic h szkód dla środowiska w długim okresie.

Czynnik wymieniający ciepło w wymiennikach musi być usunięty i w y p ł u k a ny c z y s t ą w o d ą , a następnie w odpowiedni sposób zutylizowany. Rury wymiennika ciepła mogą pozostać w gruncie, pod warunkiem, że są nietoksyczne i wykonane są z materiałów odpornych na korozję. Następnie muszą być one wypełnione odpowiednim materiałem, aby zagwarantować ich tr wałe

325$'1,. TEC HNIC Z N< 832125 2012

wypełnienie. Jeśli istnieje obawa, że rury wymiennika ciepła mogą stanowić zagrożenie dla środowiska, muszą być usunięte, a pr zestr zeń po nich być wypełniona materiałem o dp owia dają c ym s t r uk t ur ze podłoża. Należy także zawiadomić odpowiednie władze o zaprzestaniu korzystania z wymienników ciepła.

Systemy instalacyjne Uponor pozwalają zbudować kompletne instalacje wody użytkowej, ogrzewania/chłodzenia płaszczyznowego, ogrzewania grzejnikowego, ogrzewania otwartych powierzchni w tym boisk piłkarskich oraz kompletny system rur preizolowanych. Wszelkie informacje na temat systemów firmy Uponor uzyskacie Państwo u naszych Przedstawicieli Handlowych w Dziale Obsługi Klienta oraz na stronie internetowej: www.uponor.pl

Kontakt z nami: Instalacje wodociągowe i grzejnikowe, instalacje ogrzewania/chłodzenia płaszczyznowego, sieci preizolowane

Województwo

Doradca Handlowy

Doradca Techniczny

dolnośląskie

T +48 607 461 313

T +48 601 224 831

kujawsko-pomorskie

T +48 601 373 421

T +48 605 067 437

lubelskie

T +48 605 067 402

T +48 605 350 840

lubuskie

T +48 603 786 753

T +48 605 067 406

łódzkie

T +48 601 825 973

T +48 605 067 415

T +48 605 067 214

T +48 605 350 840 T +48 601 224 831

mazowieckie

T +48 601 825 973 T +48 605 067 435

T +48 605 067 415

opolskie

T +48 691 980 218

T +48 601 224 831

podkarpackie

T +48 605 067 214

T +48 605 350 840

podlaskie

T +48 601 958 603

T +48 605 067 437

pomorskie

T +48 601 373 421

T +48 605 067 437

śląskie

T +48 691 980 218

T +48 601 224 831

świętokrzyskie

T +48 605 067 402

T +48 605 350 840

warmińsko-mazurskie

T +48 601 958 603

T +48 605 067 437

wielkopolskie

T +48 603 786 753

T +48 605 067 406

zachodniopomorskie

T +48 601 802 182

T +48 605 067 406

małopolskie

Geo

Produkty Uponor posiadają 10-letnią gwarancję (z wyjątkiem elementów mechanicznych oraz elektrycznych , które są objęte 2-letnią gwarancją) oraz są ubezpieczone na kwotę 1 000 000,-EUR.

EEI-PL-01.14

211

Koncepcja

Projekt

Wykonanie

K ATALOG 2014

Uponor oferuje swoim klientom jakość, najnowsze know-how, usługi oraz profesjonalne partnerstwo. Jako wiodąca firma w dziedzinie nowoczesnych i wydajnych instalacji z tworzyw sztucznych, oferujemy rozwiązania, które zapewniają wysoki komfort życia. Nasza filozofia „simply more“ towarzyszy Wam na wszystkich etapach projektu - począwszy od wstępnego projektu do użytkowania budynku.

Użytkowanie

simply more

Infolinia 0 801 000 425

Uponor Sp. z o.o. Pass 20 Budynek K 05-870 Błonie Poland

T 22 266 82 00 F 22 266 85 16 E recepcja@uponor.com W www.uponor.pl

Katalog 2014 POLSK A ważny od 1.03.2014

System wielowarstwowy Uponor MLC System Uponor PE-Xa System ogrzewania/chłodzenia płaszczyznowego Uponor Sieci preizolowane Uponor Ecoflex

marzec 2014

System kolektorów gruntowych Uponor Geo