Jak właściwie wykonać gruntowe poziome wymienniki ciepła?

Popularność wymienników gruntowych poziomych wiąże się z prostotą konstrukcji, sposobem układania, jak też rodzajem wykorzystywanych narzędzi/urządzeń (jak np. koparka). Jednocześnie grunt wokół wymiennika poziomego charakteryzuje się zdecydowanie większą stabilnością temperatury niż powietrze atmosferyczne, występuje też możliwość samoistnej i pełnej regeneracji złoża w okresie lata. Wadą tego rozwiązania jest potrzeba dużej powierzchni i na dużą skalę prowadzone prace ziemne.

Gruntowy wymiennik ciepła (w postaci instalacji hydraulicznej umieszczonej w gruncie, wewnątrz której przepływa ciecz niezamarzająca) dostarcza ciepło i chłód dla gruntowej pompy ciepła (PC) lub też …wspomaga dogrzewanie/chłodzenie powietrza w instalacji wentylacji mechanicznej.
W przypadku PC poziomy wymiennik gruntowy stanowi jeden z najczęściej stosowanych sposobów zapewnienia ciepła niskotemperaturowego niezbędnego do funkcjonowania urządzenia.
W rozwiązaniu z kolei rozbudowania instalacji wentylacyjnej o grzanie i chłodzenie w oparciu o OZE, wymienniki gruntowe pełnią istotną rolę w obróbce cieplnej powietrza (chłodzenie, grzanie), wykorzystując urządzenia współpracujące z centralą (dostępne m.in. na rynku COOLER czy OCTAGON).
W obu przypadkach korzysta się z glikolowych gruntowych wymienników charakteryzujących się analogiczną budową, tyle że w pierwszym przypadku nazywane są dolnym źródłem – DŹ (większa wymagana moc chłodnicza na potrzeby PC), w drugim to glikolowy gruntowy wymiennik ciepła – GGWC (zwyczajowo mniejszy ze względu na wymaganą mniejszą moc chłodniczą).
Wielkość wymiennika związana jest z ilością energii, jaką chcemy uzyskać. W przypadku PC charakteryzowana jest przez tzw. moc chłodniczą, która uzależniona jest od jednostkowego strumienia ciepła gruntu, która to wielkość uzależniona z kolei jest od rodzaju gruntu.

Gruntowe wymienniki ciepła – meander lub spirala

Najczęściej wymiennik jest częścią instalacji podziemnej, na którą w przypadku występowania co najmniej kilku sekcji, składa się dodatkowo: rozdzielacz, rury dobiegowe.

Rura ułożona meandrycznie

W najprostszym, historycznym –  nadal jednak stosowanym rozwiązaniu – wymiennik stanowi rozłożona rura, która ułożona jest w sposób meandryczny w wykopie, zapewniając równomierne odebranie ciepła z gruntu. Jest to tzw. wymiennik meandryczny, wykonywany najczęściej na budowie. Celem ułożenia takiego wymiennika zdejmuje się całą masę ziemi, przygotowuje podłoże, wyrównuje je, oczyszcza. Wykonanie wymiennika wymaga „przemieszczania” dużych ilości ziemi (potrzebne jest miejsce na tymczasowe umieszczenie zdjętego urobku) i wymaga gruntownego odbudowania terenu. Jest to najlepsza metoda i jedynie ona gwarantuje poprawne przygotowanie podłoża i właściwe ułożenie wymiennika. Zdjęcie całej masy ziemi jest niezbędne szczególnie dla gruntów sypkich. W tym przypadku należy dodatkowo zabezpieczyć ściany wykopu przed osuwaniem się gruntu. W przypadku gruntów spoistych można ewentualnie posłużyć się np.: koparką podsiębierną o szerokiej łopacie czy koparko-ładowarką, niekiedy można też zastosować koparką łańcuchową „kopiąc pod rurę”. W przypadkach „kopania pod rurę” jest jednak wysokie niebezpieczeństwo osunięcia się ziemi. W zależności od szerokości wykopu układa się pojedynczą rurę, lub dwie po przeciwstawnej stronie wykopu. W każdym przypadku podczas wykonywania wykopu bezwzględnie należy zapewnić jego jednorodność oraz czystość.

Celem określenia odległości układania rur przyjmuje się zasadę, iż podaje się minimalne odległości rur od siebie dla standardowego gruntu o strumieniu 17 W/m². Nie ma potrzeby zmiany odległości, gdy grunt będzie charakteryzował się większym strumieniem. W tym przypadku osiągnie się wyższe wartości temperatury pracy układu, co zwiększy sprawność instalacji. W tabeli 1 podano minimalne odległości układania rur i maksymalne jej długości.

Dla gruntu o niewielkim strumieniu ciepła (około 10 W/m² i mniej) należy liczyć się z koniecznością zastosowania zdecydowanie powiększonej powierzchni wymiennika, jak też z możliwością okresowego wymrażania się wymiennika w części okresu grzewczego (dla DŹ).

Spirala

Innym typem wymiennika również powszechnie stosowanym jest wymiennik spiralny.
Wykonany jest z rury o średnicy 32 mm i długości 125 m ułożonej w postaci spirali.
Rozwijając wymiennik w wykopie, uzyskuje się spiralę z rury, którą łączy się sąsiednie okręgi celem zachowania odpowiedniego odstępu między rurami. Średnica zwoju wymiennika wynosi ok. 1 m. Na początku przed ułożeniem w wykopie należy wymiennik rozciągnąć i sprawdzić ciśnieniowo. Następnie celem zapewnienia odpowiedniego rozłożenia (tzn. sąsiednie rury powinny być oddalone o 50-60 cm), należy skleić taśmą co drugą rurę w osi wymiennika. Rurę powrotną następnie z końca rozłożonego wymiennika centrali trzeba przeciągnąć do rury zasilającej umieszczonej z przodu. Sposób ułożenia wymiennika (przygotowanie podłoża, podsypka, próba ciśnieniowa) jest opisany w kolejnym rozdziale.

Charakterystyka wymiennika:

• odległość kręgów dla rozłożonego wymiennika ok. 0,6 m;
• całkowita długość rozłożonego wymiennika to 18 m (wymiennik zbudowany jest z 125-metrowej rury);
• odległość osi wymienników od siebie w osi wynosi 5 m (dla strumienia ciepła co najmniej 17 W/m²).

Odległość środków wymienników pozostaje bez zmian, nawet w przypadku gdy strumień ciepła przekazywany przez grunt jest większy. Wymiennik pracuje wówczas na wyższych parametrach – gwarantuje to wyższą sprawność PC.
Spotkać się można również z tzw. wymiennikiem spiralno-meandrycznym (np. MS32).  Jest to rozwiązanie pośrednie pomiędzy meandrycznym a spiralnym. Występuje jako produkt gotowy. Na budowę przywożony jest w postaci „walca” o podstawie 1,2 m i wysokości 1 m, który rozwija się „jak dywan” na budowie. Wielkość wymiennika po rozłożeniu, odległość od kolejnego i szerokość wykopu są analogiczne, jak przy wymienniku spiralnym.

Wybór miejsca i posadowienie wymiennika poziomego

Wybór miejsca posadowienia wymiennika jest sprawą niezmiernie istotną. Uwzględnia się m.in.: lokalizację inwestycji, ukształtowanie terenu, sposób wykorzystania terenu, występujące instalacje podziemne, rodzaj gruntu i obecność wód przypowierzchniowych.

Głębokość posadowienia

Głębokość posadowienia wymiennika poziomego uzależniona jest od miejsca montażu, a ściślej głębokości strefy przemarzania gruntu (pośrednio również od głębokości posadowienia studni). Istotne jest, aby wymiennik umieścić poniżej tej strefy.  Zapewni to brak wymrożenia wymiennika w porze zimowej od strony warunków klimatycznych – podniesie więc ogólną sprawność pompy ciepła, zaś w przypadku wykorzystania wymiennika do obróbki cieplnej powietrza zwiększy ilość pozyskanego ciepła. Przyjmuje się, iż głębokość jest większa o 20-30 cm od głębokości przemarzania. W przypadku konieczności położenia części wymiennika w strefie przemarzania należy zastosować stosowną izolację (wówczas ta część wymiennika będzie pełniła jedynie funkcję transportową). Ważną kwestią jest, aby dno wykopu było jednorodne – poziome i oczyszczone (bez uskoków).

Wystawiony na działanie słońca

Ciepło do wymiennika poziomego pochodzi w zdecydowanej części od energii promieniowania słonecznego. Energia słoneczna dostaje się do zewnętrznych warstw gruntu na zasadzie promieniowania, a następnie przewodzenia (w gruncie), w przypadku występowania  przestrzeni niejednorodnych z powietrzem również konwekcji). Ciepło dostaje się do wymiennika również w okresie obfitych ciepłych deszczy. Również woda przypowierzchniowa oddziałuje pozytywnie na ilość pozyskanego ciepła (strumień cieplny). Spowodowane jest to pojemnością cieplną wody, która jest dwukrotnie większa niż dobrego gruntu, a nawet trzykrotnie od gruntu piaszczystego.
Podobną rolę spełniać może umieszczenie powyżej wymiennika systemu rozsączającego przydomowej oczyszczalni ścieków. Rozpływ przeczyszczonych ścieków musi charakteryzować się  stałym i dosyć wysokim strumieniem.
Z tych powodów wymiennik musi być wystawiony pośrednio na działanie słońca. Zapewnione będzie ono w przypadku pozostawienia wolnej przestrzeni nad wymiennikiem, tzn. niezabudowywanie, ani betonowanie, a pozostawienie w jak w najmniej zmienionym stanie, z roślinnością o płytkim systemie korzeniowym. Najlepiej sprawdza się krótko strzyżona trawa.
Ważną kwestią jest również umieszczenie wymiennika na terenie działki. Istotne są odległości od granic działki, od fundamentów budynku, innych instalacji, czy od drzew.

Pierwsza próba ciśnieniowa

Wymiennik gruntowy należy poddać dwóm próbom ciśnieniowym. Pierwsza dotyczy pojedynczego wymiennika, wykonać można na powietrzu, przed ułożeniem w wykopie. Ciśnienie próby jest większe o 2 bary od maksymalnego ciśnienia roboczego, czyli wynosi około 5 barów. Po pozytywnym przejściu próby można przystąpić do kolejnych etapów umieszczania wymiennika.

Układanie w odpowiedniej temperaturze

Wymienniki najlepiej układać w warunkach, gdy temperatura otoczenia nie spada poniżej 15⁰C (rura jest bardziej elastyczna), w przypadku gdy temperatura jest niższa (szczególnie dla wymienników spiralnego i meandryczno-sekcyjnego), warto umieścić wymiennik w pomieszczeniu ogrzewanym – choćby na jeden dzień – celem łatwiejszego jego ułożenia.

Rodzaj rury a sposób przygotowania podłoża

Sposób przygotowania podłoża pod wymiennik uzależniony jest od rodzaju gruntu i stosowanej rury.
Stosuje się rury polietylenowe, co najmniej klasy HDPE 100 (zaleca się PE-RC odporne dodatkowo na tzw. powolną propagację pęknięć). Dla wymienników poziomych – menadrycznych zaleca się stosować średnicę 40 mm. Uzyskuje się najlepszy efekt związany z ilością pozyskiwanego ciepła w stosunku do nakładów (ilości rury). Spotkać można również rury o średnicy 32 mm, a nawet 25 mm. Sposób układania dla każdej rury przebiega identycznie, z tym iż dla rur o mniejszych średnicach rury układa się ich więcej w przeliczeniu na 1 m² powierzchni gruntu.
Dla rur powszechnie jeszcze stosowanych HDPE wymagane jest zrobienie podsypki i obsypki. W przypadku rury wykonanej w najnowszej technologii z PE-RC wykorzystanie materiałów sypkich wokół rury nie jest konieczne. Jeśli decydujemy się na odporną rurę PE-RC, można stosować uproszczony sposób montażu przyśpieszający wykonywanie prac i obniżający koszt robót (m.in. nie ma potrzeby stosowania piasku). Wykorzystuje się oczyszczony, wyrównany i stabilny grunt rodzimy umieszczany na spodniej „niezruszonej” warstwie wykopu. Dodatkową zaletą z punktu widzenia przekazywania ciepła jest fakt, że ciepło transportowane jest wydajniej (wyższy współczynnik przewodzenia ciepła gruntu rodzimego niż piasku). Warto zatem stosować nowe technologie rur nawet w przypadku wymienników poziomych.
Dla gruntów sypkich nie ma konieczności wykonywania podsypki. Warunek: podłoże musi być jednorodne. W pozostałych przypadkach dla rur HDPE zaleca się układanie warstwy podsypki i obsypki (drobny piasek). Zabezpiecza ona przed ewentualnym oddziaływaniem zanieczyszczonego gruntu rodzimego np. w kamienie. Ze względu na konieczność uzyskania dobrego transportu ciepła z gruntu należy ograniczać grubość tej warstwy w stosunku do wymagań, które są stosowane np. w przypadku rur kanalizacyjnych. Często wystarczającą warstwą jest 10 cm, która okala rurę (suma grubości pod i nad). Warstwę też należy zagęścić.

Dalsze czynności po ułożeniu wymiennika gruntowego

Wymiennik, co do zasady, powinien być układany poziomo. Należy jednak zachować minimalny spadek w kierunku od studni do wymiennika, tak aby odpowietrznik zamontowany w studni rozdzielacza mógł odpowietrzyć układ.

Łączenie sekcji

Po ułożeniu wymiennika (dowolnego typu) łączymy poszczególne sekcje z rozdzielaczem, wykonując stosowne zgrzewy. W przypadku zastosowania studni rozdzielaczowych należy ściśle przestrzegać wytycznych ich posadowienia.

Właściwa próba ciśnieniowa

Przed zasypywaniem właściwym należy dokonać próby ciśnieniowej właściwej na wodzie, względnie na powietrzu. Wykonuje się ją dla ciśnienia analogicznego, jak dla próby wstępnej, czyli ciśnienie maksymalne pracy powiększone o 2 bary. Po pozytywnym przejściu próby można przystąpić do zasypywania właściwego wykopu (wcześniej należy zasypać gruntem sypkim). Zasypywanie należy wykonać do głębokości 70 cm  ponad wymiennikiem, pamiętając o jego zagęszczaniu.

Ułożenie taśmy ostrzegawczej

Na wysokości właśnie 70 cm (wysokości zasypania) umieszcza się metalizowaną taśmę ostrzegawczą. Dla wymiennika meandrycznego przyjmuje się 1 m taśmy na 1 m² wymiennika układanego w postaci równoległych pasów. W przypadku wymiennika spiralnego taśmę ostrzegawczą układa się w osi wymiennika.
Pomimo, że z założenia miejsce umieszczenia wymiennika jest terenem wykluczającym jakiekolwiek prace ziemne, to jednak zdarzają się przypadki, iż lokalnie takie prace należy przeprowadzić np. w przypadku bliskiego sąsiedztwa z instalacjami podziemnymi (serwis). Ułożona taśma informuje wtedy o miejscu ułożenia wymiennika.
Następnie należy zasypać gruntem rodzimym aż do wyrównania do poziomu gruntu przyległego. Na terenie, pod którym umieszczony jest wymiennik, należy zapewnić swobodną operację słońca.

Cykliczność pracy wymiennika

Wymienniki gruntowe pracują cyklicznie. Parametry podczas pracy zmieniają się. Okres późno letni i wczesno jesienny jest czasem największego wygrzania gruntu, w ten sposób temperatury na głębokości umieszczenia wymiennika poziomego są najwyższe. W momencie rozpoczęcia eksploatacji (po regeneracji w okresie letnim) następuje cykliczne wychładzanie się gruntu, co skutkuje powolnym spadkiem temperatury czynnika roboczego, który dochodzi np. do pompy ciepła. Jest to proces naturalny. Najniższa temperatura jest obserwowana z końcem zimy, wówczas wartości temperatury na głębokości wymiennika mogą oscylować wokół 0⁰C (a nawet być nieco poniżej tego poziomu). Odpowiednia głębokość posadowienie, średnica rury, odległość między sąsiednimi rurami, czas eksploatacji gwarantują uzyskiwanie w sposób niezakłócony założonego strumienia ciepła.

Materiał graficzny Aspol FV