Koszowe GWC w praktyce

Koszowe gruntowe wymienniki ciepła (GWC) stanowią optymalne rozwiązanie wszędzie tam, gdzie do dyspozycji jest działka o małej powierzchni niewystarczająca do montażu poziomego GWC oraz gdzie wykluczone są odwierty pod pionowe GWC np. z powodu przepisów geologicznych lub trudnych warunków gruntowych.
Konieczne prace ziemne mogą być z reguły wykonane przy użyciu standardowych maszyn budowlanych. Nie trzeba korzystać z usług firm specjalistycznych (wiertniczych).
*Jakub Koczorowski, ekspert ds. OZE, członek PORT PC oraz SPW, Manager Grupy Produktów OZE w firmie REHAU

Ze względu na łatwy montaż koszowe GWC doskonale nadają się do zastosowania w nowym budownictwie, przede wszystkim w domach niskoenergetycznych, jak również do renowacji starszych budynków.
Zastosowanie tworzywa PE-Xa (polietylen sieciowany) pozwala na wykorzystanie rodzimego gruntu, o ile ma on odpowiednie właściwości do wypełnienia i zagęszczenia odwiertu. Oba te aspekty powodują, że montaż koszowych GWC jest wyjątkowo prosty i ekonomiczny.
Ale po kolei…

Aspekty prawne

Koszowy GWC należy traktować jako przyłącze cieplne do budynku i w związku z tym nie wymaga pozwolenia na budowę (Prawo budowlane Dz.U. 1994 nr 89 poz. 414). Z kolei zgodnie z Prawem geologicznym i górniczym (Dz.U. 2011 nr 163 poz. 981 art. 3) do wykonania wykopów oraz otworów wiertniczych do głębokości 30 m w celu wykorzystania ciepła  Ziemi nie jest wymagany Projekt robót geologicznych pod warunkiem, że prace nie będą prowadzone na obszarach górniczych. Zamiar przystąpienia do wykonywania koszowego GWC należy zgłosić wójtowi, burmistrzowi lub prezydentowi, właściwemu ze względu na miejsce prowadzenia prac. Do montażu możemy przystępować, jeżeli w terminie 30 dni od doręczenia zgłoszenia właściwy organ nie wniesie, w drodze decyzji, sprzeciwu.

Typy koszowych GWC

Koszowe GWC są wykonywane najczęściej z polietylenu sieciowanego (PE-Xa), który umożliwia spiralne skręcenie rur z małym promieniem gięcia. Ponadto PE-Xa ze względu na efekt pamięci kształtu umożliwia nadawanie nietypowych kształtów po poddaniu materiału wysokiej temperaturze i odpowiednim procesie schłodzenia. Uformowany w tej technologii koszowy GWC w kształcie wąskiej spirali charakteryzuje się wysoką odpornością na zarysowania i propagację spękań, dzięki czemu można go umieszczać w gruncie rodzimym bez konieczności stosowania obsypki żwirowej. Grunt rodzimy, o ile ma odpowiednie właściwości do wypełnienia i zagęszczenia w odwiercie, wyróżnia się wyższym współczynnikiem przewodności cieplnej i poprawia w ten sposób efektywność wymiany ciepła między gruntem a wodnym roztworem glikolu w rurze koszowego GWC.

Przykładowe konstrukcje koszowych GWC zilustrowano w tabeli.

Projektowanie i wymiarowanie koszowych GWC

Podczas projektowania i wymiarowania koszowych GWC należy postępować zgodnie z wytycznymi PORT PC „Wytyczne do projektowania, wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła” (Wydanie 01/2013) lub wskazówkami zawartymi w dyrektywie VDI 4640.

Podstawą do projektowania koszowych GWC jest zapotrzebowanie budynku na ciepło. W poniższej tabeli zaprezentowano wydajność koszowych GWC w zależności od rodzaju gruntu i zawartości wody przy 1800 godzinach pracy pompy ciepła przy pełnym obciążeniu:

W przypadku projektowania instalacji grzewczych o mocy grzewczej do 30 kW można w fazie koncepcyjnej skorzystać z powyższej tabeli i na jej bazie określić wstępnie wymaganą ilość koszowych GWC. W tym celu musimy również posiadać informację o współczynniku efektywności pompy ciepła COP, żeby móc określić moc chłodniczą pompy ciepła.

Do określenia zestawionych w powyższej tabeli jednostkowych strumieni ciepła pobieranego przez koszowy GWC w konstrukcji firmy REHAU zostały przeprowadzone liczne prace naukowe oraz praktyczne testy pomiarowe. Skorzystano z prac naukowych dr Ramming „Bewertung und Optimierung oberflaechennaher Erdwaermekollektoren fuer verschiedene Lastfaelle” (tłum. Ocena i optymalizacja przypowierzchniowych GWC dla różnych obciążeń) oraz z literatury fachowej prof. dr Loose „Erdwaermenutzung – Versorgungstechnische Planung und Berechnung” (tłum. Wykorzystanie geotermii – techniczno-zaopatrzeniowe projektowanie i wymiarowanie). W zakresie praktycznych przykładów zastosowania koszowych GWC zweryfikowano dane z dwóch projektów budowlanych. Dodatkowo wykonano symulację termiczną dla takich samych warunków gruntowych – glina / muł < 40% zaw.H₂O. Podsumowanie wyników jest następujące:

W zależności od liczby godzin pełnego obciążenia, odstępów, warunków klimatycznych i wpływu wód gruntowych wartości przedstawione w powyższej tabeli podlegają pewnym wahaniom. Na dalszym etapie projektowania oraz dla instalacji o mocy grzewczej powyżej 30 kW zaleca się przeprowadzenie indywidualnych obliczeń w oparciu o miejscowe uwarunkowania oraz programy symulacyjne (np. Energy Earth Designer). Aby móc zapewnić niezawodne i długotrwałe funkcjonowanie systemu, konieczne jest określenie na dalszym etapie projektowania dokładnych danych o gruncie. Przydatne w tym zakresie może być również narzędzie ThermoMap dostępne na stronie: www.thermomap.project.eu Dzięki niemu dowiemy się, jaka jest przybliżona przewodność cieplna gruntu w danej lokalizacji na terenie Europy do głębokości 10 m.

Minimalne odległości koszowych GWC

Podczas montażu koszowych GWC należy zachować następujące odstępy (dane z PORT PC):
– od granicy sąsiedniej posesji > 3,0 m;
– od fundamentów budynku > 1,5 m;
– od instalacji wodociągowych, kanalizacyjnej, wody deszczowej, elektrycznych, gazowych, telekomunikacyjnych i ciepłowniczych > 1,5 m;
– od korony drzew o głębokich korzeniach > 1,5 m;
– przy krzyżowaniu się instalacji rury doprowadzające GWC należy zaizolować na odcinku 3,0 m;
– między rurami doprowadzającymi > 0,7 m, a ich głębokość zabudowy od 20 do 40 cm poniżej strefy przemarzania;
– dopuszcza się także montaż koszowych GWC pod budynkiem, po dokonaniu odpowiednich uzgodnień budowlanych;
– minimalny odstęp między osiami koszowych GWC ≥ 4 m.

Montaż koszowych GWC

Montaż koszowych GWC może odbywać się na różne sposoby w zależności od warunków gruntu i ilości dostępnego miejsca. W celu zapewnienia minimalnej straty ciśnienia w całym systemie, rury doprowadzające od koszowych GWC powinny być prowadzone do rozdzielacza w równoległych obwodach. Możliwy jest montaż zespołów do 3 koszowych GWC, które mogą być połączone szeregowo. Najlepiej jest, gdy rozdzielacz jest zamontowany w najwyższym punkcie systemu, aby zapewnić optymalne odpowietrzanie. Jeśli nie jest to możliwe, w najwyższym punkcie systemu należy zaprojektować odpowietrznik.
Montaż koszowych GWC można przeprowadzić za pomocą nieskomplikowanych narzędzi i maszyn budowlanych, do których należy podłączyć świder lub wiertło. Średnica świdra musi wynosić przynajmniej 450 mm. Otwór powinien mieć głębokość około 5 m, startując z poziomu rzędnej terenu lub 3 m po wcześniejszym wykonaniu wykopu na głębokość poniżej strefy przemarzania gruntu. W przypadku piaszczystego podłoża lub silnego napływu wody gruntowej należy zastosować rury osłonowe, które zapobiegają zasypywaniu się otworu podczas jego wykonywania.
Przed wprowadzeniem koszowego GWC w otwór należy rozpakować sondę i rozciągnąć sondę do długości montażowej ok. 3 m. Za pomocą przyrządu montażowego o długości 4-5 m lub listwy drewnianej koszowy GWC należy zamontować, tak jak pokazano na zdjęciu poniżej i wykonać węzeł mocujący.

Koszowy GWC układa się w wywierconym otworze. Należy przy tym zwrócić uwagę, aby koszowy GWC mieścił się całą długością w otworze i dotykał bezpośrednio dna otworu. W ten sposób można zapewnić, że koszowy GWC jest wprowadzony na odpowiednią głębokość i nie tworzą się puste przestrzenie u jego podstawy, które mogą spowodować znaczne pogorszenie przewodności cieplnej. W celu obciążenia koszowego GWC i jego umocowania na dnie otworu, można np. wsypać łopatą piasek do środka sondy. Nie można obciążać taśm podtrzymujących służących do zachowania równych odstępów między rurami spirali.

Po odpowiednim ułożeniu koszowego GWC w otworze, można rozpocząć ręczne wykonywanie obsypki. Najpierw należy wprowadzić wąż na dno odwiertu i polać otwór wodą. Następnie przystępuje się do obsypki. Do jej wykonania można użyć grunt rodzimy, o ile nadaje się do wiązania po podlaniu wodą. Jeśli udział drobnych ziaren w materiale podłoża jest zbyt duży, wówczas należy zmieszać go z piaskiem o średniej wielkości ziaren. Z energetycznego punktu widzenia optymalnym materiałem na obsypkę jest piasek gliniasty. W celu zapewnienia dobrego związania koszowego GWC z podłożem zaleca się polewanie wodą materiału obsypki za każdym razem po ułożeniu warstwy o wysokości 0,5 m. Należy przy tym wolno wyciągać wąż z wodą. Trzeba też zwrócić uwagę, aby między przewodami koszowego GWC a ściankami otworu nie powstawały puste przestrzenie. Po wykonaniu całej obsypki można wyciągnąć przyrząd montażowy. W tym celu należy przeciąć węzeł mocujący i ponownie zalać otwór wodą. Jeśli były stosowane rury osłonowe w otworze, trzeba je wyciągnąć i jeszcze raz uzupełnić wykop piaskiem / gruntem oraz zalać wodą, aby wypełnić pozostałą przestrzeń.

Po zdjęciu zaślepek należy oczyścić końcówki rur i połączyć je z przewodem podłączeniowym i dalej  doprowadzić do rozdzielacza znajdującego się w studni rozdzielaczowej względnie w pomieszczeniu technicznym budynku. Zalecane techniki połączeń to tuleja zaciskowa z nakładaną następnie ochroną antykorozyjną (np. taśmą zimnokurczliwą) lub mufy elektrooporowe. Zasilanie jest oznaczone na niebiesko, powrót na czerwono.

Przed uruchomieniem całego systemu należy przeprowadzić próbę ciśnieniową zgodnie z PN-EN 805 i kontrolować, czy zasilanie wszystkich sond jest równomierne za pomocą przepływomierzy zainstalowanych na rozdzielaczu.

Przykładowe zdjęcia z poszczególnych etapów montażu koszowych GWC:

Zalecam również zapoznanie się z wytycznymi PORT PC (część 1 Dolne źródła ciepła, wydanie 01/2013), gdzie znajdziecie Państwo więcej informacji szczegółowych na temat wymiarowania, montażu oraz eksploatacji koszowych GWC.