1. Mechanizmy wymiany ciepła

Na początku chciałbym wyjaśnić, jakie mechanizmy wymiany ciepła wyróżniamy. Pomoże nam to w zrozumieniu, co jest bardziej ważne przy pracy sondy gruntowej, co mniej, a czym w ogóle można się nie przejmować.

Rys. 1 – Zobrazowanie trzech mechanizmów wymiany ciepła [1].

Zgodnie z powyższą ilustracją, mechanizmy przepływu ciepła (tzn. jego transportu) są trzy: przewodzenie (conduction), konwekcja (convection) oraz promieniowanie (radiation).

Przewodzenie w analizowanym przypadku zobrazowane jest nagrzewaniem się rączki garnka od samego garnka, można więc powiedzieć, że energia przekazywana jest na drodze bezpośredniego kontaktu dwóch obiektów, w wyniku oddziaływania cząsteczek. Atomy obiektu cieplejszego mają więcej energii, a więc i drgają z większą częstotliwością (żwawiej). Sam przepływ ciepła następuje gdy dochodzi do zderzeń cząsteczek obiektu cieplejszego, z tymi obiektu zimniejszego. Atomy pierwszego obiektu, po zderzeniu z atomami drugiego przekazują swoją energię i wibrują już mniej żwawo, te drugie natomiast zostają pobudzone i drgają bardziej, co mówi nam o tym, że część energii (ciepła) została do nich przekazana.

Konwekcja zachodzi wewnątrz garnka, gdzie ma miejsce ogrzanie się wody od metalowej ścianki. Woda przy samej ściance jest najcieplejsza, z tego to też powodu jej gęstość jest najmniejsza i wypiera ona wodę zimniejszą o gęstości większej. Powstaje zjawisko nazywane konwekcją naturalną – pionowy ruch płynu (cieczy bądź gazu) w wyniku zmian w jego gęstości.

Promieniowanie natomiast przedstawione jest jako ciepło, które po prostu od ogniska czuć, gdy usiądzie się zbyt blisko. Jest to dokładnie taki sam rodzaj promieniowania, jak np. promieniowanie słoneczne. Zachodzi tu więc emisja energii z całego ośrodka obiektu, który tę energię wytwarza (ogniska). Energia podróżuje w postaci fal, które gdy docierają do powierzchni innego obiektu są przez niego pochłaniane (ciało osoby siedzącej przy ognisku), co powoduje przepływ ciepła [6].

Pionowe sondy gruntowe działają głównie wykorzystując mechanizmy przewodzenia i konwekcji. Promieniowanie ciepła występuje oczywiście i również, ale jego wartość uznaje się za pomijalnie małą przy analizowaniu gruntowych wymienników [5]. Co to w praktyce oznacza? Za moment, po krótkim objaśnieniu zasady działania sondy się tego dowiemy.

2. Zasada działania sondy geotermalnej (tryb grzania)

Rys. 2 – Zasada działania sondy gruntowej na przykładzie  „U-rury” [7].

Jak można zauważyć na rys. 2, głównym celem działania pionowego wymiennika jest ogrzanie płynu pośredniczącego znajdującego się w jego wnętrzu. Płyn przepływając rurami stopniowo ogrzewa się od napływającego do niego ciepła. Ciepło oczywiście pochodzi z otaczającej odwiert ziemi. Szacuje się, że temperatura od ok. 8-20m (w zależności od rodzaju gruntu) pod powierzchnią naszej planety jest w przybliżeniu stała i kształtuje się mniej więcej na poziomie średniej rocznej temperatury powietrzna na danym obszarze [4]. Im bardziej w głąb ziemi, tym temperatura ta wzrasta, zgodnie z obowiązującym w danej lokalizacji stopniem geotermicznym.

Schemat i mechanizmy przepływu ciepła od gruntu do krążącego płynu są następujące – po pierwsze przewodzenie (grunt -> materiał wypełniający -> rury wymiennika), po drugie konwekcja (tzw. przejmowanie ciepła przez płyn z powierzchni ciała stałego, w tym przypadku od wewnętrznej ścianki rury przez cyrkulujący płyn pośredniczący). Dla bardziej obrazowego zilustrowania występującej wymiany ciepła naszkicowałem rys. 3.

Rys. 3 – Ilustracja przepływu ciepła w pionowej sondzie gruntowej [oprac. własne].

Przykładowo, załóżmy, że średnia temperatura gruntu na całej 200m długości wykonanego wymiennika wynosić będzie ok. 10°C. Jaka będzie więc temperatura płynu pośredniczącego opuszczającego odwiert? Odpowiedź wcale nie jest taka prosta, bo temperatura medium (czyli nośnika ciepła) jest zależna od wymiany ciepła, która będzie w sondzie występować, a ta z kolei od jej konstrukcji i parametrów pracy. Im konstrukcja lepsza, tym straty w przepływie ciepła podczas jego przewodzenia mniejsze, a tym samym wyższa temperatura płynu docierającego do parownika pompy ciepła, w efekcie tańsza eksploatacja (niższe koszty utrzymania) urządzenia. Jeżeli chodzi o parametry pracy to sytuacja jest odrobinę trudniejsza do wyjaśnienia w paru zdaniach, dlatego zostaną one omówione później, w osobnym dziale. W tym miejscu wspomnę tylko, że efektywność konwekcyjnej wymiany ciepła zależy właśnie od nich.

Firmy produkujące pompy ciepła zawsze podają nam parametry temperaturowe, dla których nasza pompa osiągać będzie konieczną wydajność grzewczą (tzn. będzie w stanie zapewnić nam niezbędną ilość ciepła). Dla przykładu posłużmy się pompą ciepła firmy X12345 o wydajności grzewczej 10 kW w warunkach 0/35 (0°C na wyjściu płynu z sondy, 35°C temperatura zasilania dobrze wykonanego ogrzewania podłogowego). To na czym się teraz skupimy, to rzecz jasna pierwsza z liczb.

Wracając do toku myślowego: założona średnia temperatura gruntu wynosi 10°C, zaś założona temperatura płynu pośredniczącego gdy opuszcza on wymiennik gruntowy 0°C. Co to właściwie oznacza? I niby jak za pomocą 0°C można ogrzać dom?

3. Zasada działania sprężarkowej pompy ciepła zasilanej energią z gruntu (tryb grzania)

Zacznę od odpowiedzi na to drugie pytanie. Oczywiście można za pomocą tak niskiej temperatury z powodzeniem ogrzać mieszkanko dzięki temu, że pompa ciepła działa zgodnie z prawami rządzącymi urządzeniami chłodniczymi. Poniżej przedstawiono ilustrację całościowej zasady działania pompy ciepła wraz z kolektorem geotermalnym (tu dla celów grzewczych budynku).

Rys. 4 – Zasada działania pompy ciepła współpracującej z sondą gruntową w trybie grzania [2].

Jak widać po lewej stronie rys. 4 kolorem czerwonym zaznaczono płyn pośredniczący już ogrzany. To oznacza, że temperatura 0°C odnosi się do sytuacji gdy opuszcza on sondę zmierzając do parownika pompy ciepła (evaporator). Zaraz, zaraz…opuszcza? Więc jaka jest temperatura płynu który zostaje wtłoczony do odwiertu? Około 3-4 K niższa (używam tu stopi Kelvina, gdyż wg. poprawnej nomenklatury technicznej gdy mówimy o różnicy używamy K. W rzeczywistości gdybym napisał 3-4°C wyszło by dokładnie na to samo, bo różnica jest stała niezależnie od skali temperatury, ale nie byłoby to określenie właściwe). To właśnie w tych kilku stopniach różnicy kryje się cała idea ogrzewania za pomocą niskotemperaturowego ciepła z gruntu, bo wystarczają one aby odparował czynnik chłodniczy krążący w środkowej pętli (szare tło), oznaczonej tu jako pompa ciepła (heat pump).

Proces odparowania zachodzi w wymienniku ciepła do którego z jednej strony napływa ogrzany płyn pośredniczący, z drugiej zaś ciekły i zimny czynnik chłodniczy o niskim ciśnieniu. W wyniku wymiany ciepła pomiędzy jednym płynem a drugim zachodzi odparowanie czynnika chłodniczego, który następnie jest zassany przez sprężarkę. Sprężarka (compressor) zwiększa ciśnienie czynnika roboczego, co powoduje drastyczny wzrost jego temperatury (jedna z cech charakterystycznych czynników chłodniczych). Gorący czynnik o wysokim ciśnieniu wpływa do skraplacza (condenser) gdzie oddaje ciepło do obiegu co. I to już w uproszczeniu cała filozofia.

Powróćmy do pytania zadanego pod koniec rozdziału 2, na które nie została jeszcze udzielona odpowiedź: co oznacza temperatura płynu 0°C, gdy średnia temperatura gruntu wynosi 10°C?

Po pierwsze, może oznaczać to kilka rzeczy:

1. Nasz wymiennik, który został dobrany jest bardzo słaby i mało efektywnie przewodzi ciepło, skoro istnieje aż 10°C różnicy pomiędzy płynem a gruntem;
2. Na etapie instalacji systemu ktoś źle i niedbale wywiercił, umieścił i uszczelnił nam sondę gruntową;
3. Na etapie projektowym ktoś źle dobrał konieczną długość sondy;
4. Nasz kolektor i pompa ciepła pracują więcej godzin w przeciągu roku niż powinny.

Na trzy pierwsze punkty rozwiązania po prostu nie ma. Jeżeli wymiennik został już umieszczony w ziemi i zapieczętowany, nic z nim nie można zrobić. Jedyną możliwą opcją jest rozpoczęcie procesu projektowego i instalacyjnego od początku, czyli wykonanie nowego odwiertu.

Punkt 4 jest natomiast sprawą dosyć problematyczną, w szczególności, jeżeli pompa jest jedynym urządzeniem ogrzewającym budynek. Długa praca pompy ciepła, tzn. powyżej 1800 godzin rocznie powoduje wychłodzenie otaczającego gruntu w ten sposób, że ciepło dochodzące do płynu dopływa do niego w coraz to mniejszej ilości. W efekcie temperatura medium gdy opuszcza on odwiert jest niestety niższa niż być powinna. Czy nasza sonda pracuje zbyt długo? Można to sprawdzić bardzo łatwo. Wystarczy wyłączyć pompę ciepła na jakiś czas (powiedzmy godzinę) i sprawdzić, jaka będzie temperatura płynu dochodzącego z sondy po ponownym uruchomieniu urządzenia. Jeżeli będzie różnić się w sposób znaczny – odpowiedź nasuwa się sama.

Dlaczego temperatura płynu pośredniczącego jest tak ważna? Znając już w przybliżeniu zasadę działania pompy ciepła i wiedząc, że sprężarka pełni w niej funkcję „zwiększacza temperatury”, sami możemy sobie wywnioskować, że przecież im temperatura płynu na wyjściu z pionowego kolektora będzie wyższa, tym mniejszą pracę sprężarka będzie musiała wykonać, bo o mniejszą wartość będzie musiała podnieść ciśnienie czynnika chłodniczego. Dokładnie oznacza to, że im wyższa temperatura na wyjściu z odwiertu, tym mniejsze koszty energii elektrycznej zużytej do napędu wspomnianego urządzenia.

4. Zasada działania pionowego kolektora gruntowego i sprężarkowej pompy ciepła w trybie chłodzenia

Rys. 5 – Zasada działania rewersyjnej pompy ciepła w trybie grzania (heating) i chłodzenia (cooling) na przykładzie pompy typu solanka-powietrze [3].

Sprężarkowa pompa ciepła w trybie chłodzenia działa o tyle w inny sposób, że wymienniki ciepła składające się na całe urządzenie pracują po prostu na odwrót. Ten, który wcześniej był skraplaczem (podgrzewał wodę w obiegu co) zamienia się swoją rolą z wcześniejszym parownikiem, tzn. to on jest teraz miejscem poboru ciepła, zabierając je z pomieszczenia, czytaj: chłodząc. Wymiennik, który w trybie grzania był z kolei parownikiem (pobierał ciepło z gruntu) teraz staje się skraplaczem i ciepło do gruntu oddaje. Oczywiście, żeby pompa ciepła nadawała się również i do chłodzenia, jej konstrukcja musi być wzbogacona o dodatkowe zawory trój-drogowe bądź o zawór cztero-drogowy (opisany jako „refigerant reversing valve” na Rys. 5), które umożliwiają zmianę rodzaju pracy (grzanie/chłodzenie). Takie urządzenie, które umożliwia zarówno grzanie, jak i chłodzenie nazywa się odwracalną bądź rewersyjną pompą ciepła.

Ciepło oddawane do ziemi, a konkretnie do sondy geotermalnej jest rozpraszane w gruncie, tzn. wykorzystuje się tu fakt, że charakteryzuje się on stałą (i de facto niską) temperaturą w przeciągu całego roku (np. wcześniej założonymi 10°C). Temperatura ta z powodzeniem wystarcza do schłodzenia płynu pośredniczącego ogrzanego w skraplaczu, a co za tym idzie do skraplacza powraca zimny płyn, który powoduje skroplenie się czynnika chłodniczego.

Powyższe rozwiązanie (tzn. chłodzenie za pomocą rewersyjnej pompy ciepła) ma przede wszystkim jedną dużą wadę – cały proces odbywa się poprzez wykorzystanie sprężarki.  O ile udział tego urządzenia w trybie grzewczym jest absolutnie konieczny i nie za bardzo mamy jakąkolwiek możliwość wprowadzenia zmian, w trybie chłodzenia istnieje inna, dużo tańsza metoda na produkcję chłodu – chłodzenie pasywne.

Chłodzenie pasywne jest sposobem na ominięcie udziału pompy ciepła w całym procesie poprzez zastosowanie dodatkowego wymiennika ciepła. Najprościej będzie posłużyć się ilustracją.

Rys. 6 – Systemem chłodzenia pasywnego [oprac. własne].

Rys. 6 przedstawia uproszczony schemat systemu chłodzenia pasywnego (GSHP – sprężarkowa pompa ciepła zasilana energią z gruntu). Wcześniej wspomnianym wymiennikiem jest tu tzw. pasywna stacja chłodzenia, w której zachodzi wymiana ciepła pomiędzy chłodnym płynem pośredniczącym a wodą obiegu chłodzenia. Jest to współcześnie najlepszy i najtańszy w utrzymaniu (eksploatacji) sposób chłodzenia budynków jednorodzinnych spośród wszystkich rozwiązań obecnych na rynku, ponieważ jak można zaobserwować w procesie jego produkcji biorą udział tylko dwie pompy cyrkulacyjne. Przykładowo, do wyprodukowania i rozprowadzenia ok. 7kW chłodu (wartość, która z powodzeniem może wystarczyć do zapewnienia temperatury komfortu w okresie letnim w budynku o 160m2 powierzchni zamieszkałego przez 4 osobową rodzinę) zużycie energii może wynosić nawet tak mało, jak praca 4 żarówek, każda po 50W lub działanie nowoczesnego, 42” telewizora LCD (200W) [7].

Na zakończenie może jeszcze odpowiedź na nasuwające się samo z siebie pytanie. Czy chłodzenie pasywne można zrealizować w inny sposób niż za pomocą sondy geotermalnej? Oczywiście, że istnieje taka możliwość, jeżeli dysponujemy innym źródłem ciepła o stałej i stosunkowo niskiej temperaturze. Przykładowo ziemia na małej głębokości (instalacja źródła w postaci kolektorów poziomych) kompletnie się do tego celu nie nadaje (na głębokości posadowienia kolektorów występują silne, sezonowe wahania temperatury). Natomiast woda głębinowa już tak. Problem tylko w tym, że woda głębinowa nie jest wcale taka prosta w użyciu (pompa ciepła woda-woda ma status urządzenia wodnego i wymaga pozwolenia wodno-prawnego, które wcale nie jest takie łatwe do uzyskania [w myśl art.9 ust. 1 pkt. 19 lit. d) ustawy z dnia 18 lipca 2001 – Prawo wodne (tekst jedn.: Dz. U. z 2005 r. Nr 239, poz. 2019 z późn. zm. )), zaś sama eksploatacja i konserwacja pompy typu woda-woda stwarza bardzo dużo trudności. Można stąd wyciągnąć prosty wniosek, że na dzień dzisiejszy sonda gruntowa jest jedynym opłacalnym do wykorzystania źródłem chłodu do zrealizowania systemu chłodzenia pasywnego.

Bibliografia:

1. http://www.physics.louisville.edu/cldavis/phys298/notes/heat_transfer_mech.html
2. http://www.energygroove.net/images/clip_image004_000.jpg
3. http://www.zandxmechanicalinstallations.com/ground-source-heat-pumps/
4. Biernacka, B. (2010). „Wpływ właściwości termofizycznych gruntu na rozkład
   temperatury w gruncie”. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna Nr 8/2010, str 329 – 334 ;
5. Geotrainet (2011). Geotrainet Training Manual for Designers of Shallow Geothermal Systems. Brussels;
6. Mikielewicz, D. (2008). „Wykłady z wymiany ciepła”. Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny, Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej;
7. Wajman, M. (2011). Technical and Economical Analysis of Ground Source Heat Pump Systems with BHE in Poland. Master of Science Thesis in Energy Technology. Stockholm: KTH, Sweden;