Zastosowanie
Wymienniki gruntowe koszowe (GWC koszowe) stanowią pośrednią konstrukcję pomiędzy wymiennikiem poziomym i sondą gruntową głębinową. Wykonane są w postaci spiral z rur PEX lub PE100 zwiniętych w formie kolumny o wysokości do kilku metrów. Wyglądem przypominają spleciony z wikliny kosz, stąd ich nazwa. Stosunkowo mała wysokość wymiennika kompensowana jest dużą długością rury, co zapewnia wysoką wydajność wymiany ciepła. GWC koszowe znajdują zastosowanie na działkach, na których z powodu małej powierzchni nie jest możliwe zastosowanie wymiennika poziomego, lub działkach na których istnieją trudne warunki do wykonania odwiertów głębokich. Dodatkową zaletą koszowych GWC są aspekty prawne. Zgodnie z Prawem Geologicznym i Górniczym (Dz.U. 2011 nr 163, poz. 981) do wykonywania wykopów lub odwiertów o głębokości do 30 m nie jest wymagany projekt robót geologicznych pod warunkiem, że prace nie są prowadzone w terenie górniczym.
Rodzaje koszowych GWC
GWC koszowe zwane też klatkami energetycznymi lub wymiennikami pionowo-spiralnymi, to rozwiązanie dostępne na rynku w kilku firmach o odmiennej nazwie i konstrukcji. W firmie REHAU o nazwie handlowej Helix, w firmie Uponor o nazwie Uponor Geo Calix.
Wymienniki Helix wykonywane są z polietylenu sieciowanego PEX-a. Przemawia za tym mały promień gięcia rur PEX i pamięć kształtu materiału, która pozwala wykonać na gorąco gotową spiralę o małej średnicy.
Fot.1 Sonda Helix z PEX-a, o teleskopowej budowie. Kolorami oznaczono przewody zasilenia i powrotu.
Sondy Helix wykonywane są z rury PEX-a o średnicy 25×2,3mm o długości 40m i średnicy zwoju 36cm. Dzięki wewnętrznej taśmie spinającej możliwe jest ich teleskopowanie na długość od 1,1m do 3m. Ułatwia to transport i składowanie wymiennika.
Moc użyteczna jednego wymiennika Helix zależy od rodzaju gruntu i wynosi do 700W (zob. tabela)
Tabela. Wydajność wymiennika koszowego Helix
| Rodzaj gruntu | Wydajność cieplna w W |
| Piasek suchy (wilgotność <5%) | 100-200 |
| Piasek średnio wilgotny (<14%) | 200-300 |
| Piasek wilgotny | 300-700 |
| Glina/muł suchy (<19% wody) | 200-300 |
| Glina/muł suchy (<40% wody) | 300-400 |
| Glina/muł w wodzie gruntowej | 400-650 |
| Ił/ twarda glina | 250-350 |
| Ił pyłowy do 26% wody | 300-400 |
| Ił pyłowy do 43% wody | 400-500 |
| Ił pyłowy mokry | 500-700 |
Firma Rehau wykonuje też wymienniki Helix w wersji XXL, gdzie spirala z rury PEX oparta jest na zbrojeniu stalowym. Całość stanowi gotową do zamocowania w ziemi konstrukcję. Wymienniki Helix XXL produkowane s w oparciu o gotowy projekt i mają różne średnice jak i długości spiral. Wysoki ciężar sprawia, że wymagają do montażu specjalistycznego sprzętu. Nie jest to więc oferta dla użytkowników indywidualnych a przemysłowa.
Fot.2 Helix XXL.
Zasady montażu sond Helix
Podczas montażu sond RAUGEO Helix PE-Xa należy zachować następujące odstępy, o ile inne normy i wytyczne nie stanowią inaczej:
– granice działki / budynki: 1,5 m
– instalacje wodne / gazowe oraz kanały: 1,5 – 2m
– inne instalacje: 0,5 m
Nie wolno naruszać stabilności istniejących kanałów, instalacji i budynków. Należy zapewnić, że przewody instalacji zaopatrujących w media nie zamarzną. W razie potrzeby należy zastosować odpowiednie środki ochronne. Odstęp między osiami sond powinien wynosić 3-4 m. Przy bardzo dobrych warunkach związanych z wodą gruntową odstępy między sondami mogą być mniejsze.
Montaż sond RAUGEO Helix może odbywać się na różne sposoby w zależności od warunków gruntu i od ilości dostępnego miejsca. W celu zapewnienia minimalnej straty ciśnienia w całym systemie, przewody sond Helix powinny być prowadzone do rozdzielacza w dwóch równoległych obwodach. Możliwy jest montaż zespołów do 3 sond Helix, które mogą być zainstalowane w szeregu. 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
odpowietrzacz, aby było możliwe całkowite odpowietrzenie.
Układanie
Sondy RAUGEO Helix PE-Xa powinien montować profesjonalny instalator, który posiada wymagane narzędzia, wiedzę i umiejętności. Należy przestrzegać przepisów prawa pracy, zapobiegania wypadkom oraz innych obowiązujących norm, wytycznych i przepisów.
W oparciu o plan wykonywania otworów w gruncie należy oznaczyć miejsca montażu sond spiralnych i studni. Minimalne odstępy należy sprawdzić na miejscu. Zmiany należy zaznaczyć w projekcie i przekazać inwestorowi. Jeśli grunt rodzimy nie nadaje się do wypełnienia wykopu ze względu
na wielkość ziaren, inwestor musi dostarczyć wymaganą ilość piasku (mniej więcej 1 m3 na jeden otwór, wielkość ziaren 0-3 mm). Oprócz tego do wypełnienia jest wymagane przyłącze wodne i wystarczająco długi wąż (min. ½”). Powierzchnie składowania i drogi dojazdowe muszą być dostępne.
Etap I – Wykonanie wykopu
Zalecane jest wykonanie otworu wiertniczego w przygotowanym wykopie. Alternatywnie można wykonać odwiert od poziomu górnej rzędnej terenu po zebraniu warstwy humusu. W tym przypadku najpierw trzeba wykonać wykop, którego dno będzie położone w miejscu wolnym od ujemnych temperatur. Zaleca się głębokość ok. 1,2 m.
Fot.3 Etap I. Wykonanie wykopu.
– Wykonać wykop lub usunąć humus w miejscu, w którym nie ma
zagrożenia zamarznięcia
– Zalecana głębokość wykopu: 1,2 m
– Przy głębokościach od 1,25 m należy zastosować szeroki wykop
Etap II – Wykonanie otworu wiertniczego
Montaż sond RAUGEO Helix można przeprowadzić za pomocą standardowych narzędzi i maszyn, do których może być podłączony
świder. Minimalna średnica świdra zależy od zastanego na miejscu gruntu rodzimego. Średnica otworu wiertniczego powinna wynosić co najmniej 0,42 m.
Otwór w wykopie powinien sięgać 3 m w dół, tak aby głębokość całkowita wynosiła ok. 4,2 m poniżej górnej rzędnej terenu. Głębokość odwiertu należy kontrolować za pomocą odpowiednich narzędzi
pomiarowych i protokołować. W przypadku bardzo piaszczystego gruntu lub silnego wpływu
wody gruntowej może być konieczne zastosowanie rur osłonowych. Zapobiegają one opadaniu wzgl. samoistnemu szlamowaniu otworu wiertniczego. Jeśli podczas wykonywania odwiertu napotka się na wodę gruntową, należy powiadomić odpowiedni urząd i skonsultować z nim dalsze postępowanie.
Fot.4 Etap II – Wykonanie otworu wiertniczego
Etap III – montaż sondy
Przed montażem sond należy sprawdzić, czy nie są uszkodzone. Produkty z widocznymi uszkodzeniami nie mogą być zamontowane. Przed wprowadzeniem sondy RAUGEO Helix PE-Xa 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 sondę Helix należy zamontować tak jak pokazano na fot.1 i wykonać węzeł mocujący. Tak przygotowaną sondę układa się w wywierconym otworze. Należy przy tym zwrócić uwagę, aby sonda RAUGEO Helix mieściła się całą długością w otworze i dotykała bezpośrednio dna otworu. W ten sposób można zapewnić, że sonda jest wprowadzona na odpowiednią głębokość i nie tworzą się puste przestrzenie u podstawy sondy, które mogą spowodować znaczne pogorszenie przewodności cieplnej. W celu obciążenia sondy Helix i jej umocowania na dnie otworu, można np. wsypać łopatą piasek do środka sondy. Nie można obciążać taśm podtrzymujących służących do zachowania odstępów między rurami.
Fot. 5 Umieszczanie sondy w otworze i obciążanie ziemią.
Etap IV – wypełnianie otworu i wykopu
Po odpowiednim ułożeniu sondy Helix w otworze, można rozpocząć ręczne wykonywanie obsypki. Najpierw należy wprowadzić wąż na dno odwiertu i polać otwór wodą. Krok po kroku wykonuje się obsypkę piaskiem. W celu zapewnienia
dobrego związania sondy Helix z podłożem, podczas wykonywania obsypki zaleca się polewanie wodą materiału obsypki za każdym razem po ułożeniu warstwy o wysokości 0,5 m. Należy przy tym wyciągać krok po kroku wąż ku górze. Przy wykonywaniu obsypki należy zwrócić uwagę, aby między przewodami sondy a ściankami otworu nie powstawały puste przestrzenie. Do wykonania obsypki 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.
Fot. Wszystkie połączenia zaciskowe rur PEX należy zabezpieczyć przed wpływem gruntu tulejami termokurczliwymi
Z energetycznego punktu widzenia optymalnym materiałem na obsypkę jest piasek gliniasty.
Po wykonaniu całej obsypki można wyciągnąć przyrząd montażowy. W tym celu należy przeciąć węzeł mocujący i ponownie zalać otwór wodą. Jeśli było stosowane rury osłonowe w otworze, należy je wyciągnąć i jeszcze raz uzupełnić wykop piaskiem / gruntem oraz zalać wodą, aby wypełnić pozostałą przestrzeń.
Fot. Etap IV – wypełnianie otworu piaskiem
ETAP V – podłączenie instalacji i próba szczelności
Zagęszczone w ziemi sondy łączy się z przewodami połączeniowymi. Kolory końcówek oznaczają odpowiednio:
– niebieski – zasilenie
– czerwony – powrót
Na połączenia zaleca się stosować złączki zaciskowe lub mufy elektrooporowe. następnie przeprowadza się próbę szczelności zgodnie z PN-EN 805.
Próbę można przeprowadzać osobno na poszczególnych sondach spiralnych lub na szeregu połączonych sond. Po udanej próbie szczelności sondy należy podłączyć do studni rozdzielaczowej. Ostatnim etapem jest zasypanie studni i wykonanie ostatecznej próby szczelności z której protokół należy przekazać inwestorowi. Na koniec należy napełnić instalację gotowym medium (np. glikolem etylenowym). Należy ustawić zabezpieczenie przed zamarzaniem do ok. -15 °C. Równomierność przepływu w sondach RAUGEO Helix PE-Xa należy kontrolować przy rozdzielaczu np. za pomocą przepływomierzy i w razie potrzeby regulować.
Fot. Przy dużej liczbie sond dopuszcza się łączenie do jednego rozdzielacza do trzech sond Helix spiętych szeregowo.
Rys. Uponor Geo Calix
Posiada stożkowy kształt o średnicy od 2,4 – 1,4 m. Rury produkowane są z tlenowo-sieciowanego polietylenu (PE-Xa) wykorzystującego metodę Engela, zgodnie z normą PN-EN ISO 15875 „Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do instalacji wody zimnej i ciepłej, Usieciowany polietylen (PEX)“. Przeznaczone do stosowania dla kolektorów gruntowych. Posiadają warstwę ochronną z czarnego PE, odporne na promieniowanie UV. Temperatura pracy: -50°C do 95°C. Zawiera przyłączeniowy odcinek rury zasilenia i powrotu o długości 20 lub 25 m. Dopuszczone do zgrzewania elektrooporowego ze złączkami Uponor EF, PE100, PN16. Zgodnie z DVGW W 400-2 możliwość układania bez podsypki z piasku. Klatki Geo Calix produkowane są w dwóch wielkościach o całkowitej długości rury 150 i 200m.
Montaż klatek energetycznych Uponor Geo Calix
Wszystkie przeszkody, takie jak drzewa, instalacje (wodne, telefoniczne, kanalizacja, itp.) muszą być uwzględnione podczas projektowania. Tylko w ten sposób można uniknąć potencjalnych problemów na bardzo wczesnym etapie i określić dokładne położenie klatek energetycznych. Klatki energetyczne nie są niczym ograniczone. Należy pamiętać, aby ni e 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 komunikacyjnych, 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 32×2,9 mm, a klatka energetyczna Uponor
XL z 200 m takiej rury. Rura jest zamocowana do ramy składającej się z czterech ramion, wykonanych
ze spienionego poliuretanu. Stożkowy kształt pozwala na zwiększenie powierzchni, z której pobierane będzie ciepło, a przez to objętość czynnika transportującego. Rury PE-Xa dają gwarancję niezawodności braku uszkodzeń. Rury są jednak narażone na zniszczenie podczas zasypywania wykopów przez 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.
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.
Klatki energetyczne Uponor 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, należy dostosować ciśnienie montując przy rozdzielaczach
przepływomierze.
Klatki energetyczne Uponor są zwykle montowane na głębokości 1,4 m licząc od poziomu terenu do góry klatki. Klatki energetyczne Uponor są dostarczane na miejsce budowy ciężarówkami. Z powodu ich
niewielkiej wagi, mogą być one po wyładowaniu przetoczone na miejsce instalacji lub włożone na miejsce koparką.
Wykop pod klatkę energetyczną może 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 powinna być zainstalowana w następującej kolejności:
1, Wykonanie wykopów
2, Ułożenie klatki energetycznej Uponor i wypełnienie wykopu
3, Podłączenie do rozdzielaczy
4, Próba ciśnieniowa
5, Wypełnienie rur czynnikiem roboczym
6, Zatwierdzenie i przekazanie dokumentacji systemu klatek energetycznych
Aby zamontować pierwszą klatkę energetyczną Uponor lub klatkę energetyczną Uponor XL, należy
wykonać koparką kwadratowy wykop o boku 2,5 m. Głębokość wykopu zależy od lokalnej głębokości przemarzania. W przypadku większości regionów, wystarczy 0,7-1,2 m poniżej powierzchni ziemi. Należy zatem przyjąć, że wykop będzie miał głębokość 3,2-3,7 m. Następnie trzeba wykonać rów łączący pierwszy wykop z rozdzielaczami. Zanim klatka zostanie umieszczona na dnie wykopu, należy odpowiednio go przygotować. Przewód łączący, zintegrowany z koszem, musi być wyciągnięty
od wewnątrz i przymocowany do pętli rur opaskami kablowymi. W ten sposób zapobiega się
skręceniu przewodu, co ułatwia później jego układanie w przygotowanych wykopach. Poniższe zdjęcia pokazują ten proces.
Po wykonaniu wykopów klatka jest opuszczana na dno (np. przez koparkę), a wykop jest wypełniany
wydobytą glebą. Istotne jest, aby przepłukać glebę odpowiednią ilością wody. Pozostałe klatki energetyczne są układane w ten sam sposób.
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 o d p o w i e d n i m wyprzedzeniem. Przepust przez mur powinien zostać uszczelniony i nie przepuszczać do wnętrza wilgoci. Można też użyć do tego celu gotowego przepustu Uponor. Dla każdego obwodu przewodów należy wykonać
próbę ciśnieniową, zgodnie z EN 805, System klatek energetycznych musi być wypełniony płynem przeciwzamarzającym zgodn
ie z VDI 4640 do minimalnie -15 °C. W przypadku użycia płynów przeciwzamarzających 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! Po ułożeniu systemu klatek energetycznych zaleca się wprowadzić właściwe położenie klatek na planie działki i zaznaczyć przebieg biegnięcia wszystkich przewodów. Dokumentacja ta przyda się przy podłączaniu przewodów do rozdzielaczy i jako materiał dla odpowiednich służb . Osoba instalująca system jest odpowiedzialna za zachowanie zgodności z wszelkimi standardami i regulacjami prawnymi. Musi się też odbyć odbiór instalacji.
Wymienniki GEO-WELL firmy SANO
Fot. Wymienniki Geo-well
Wykonywane są z rur PE100 o wysokościach montażowych 3 lub 5m. Rury posiadają średnicę DN20, zwinięte są spiralnie i zamocowane na dodatkowym rdzeniu z siatki metalowej. Rozwiązanie takie zapewnia sztywność i pewność montażu w w wywierconym otworze, ale jednocześnie utrudnia transport (sondy nie da się teleskopować).
Moc osiągana z jednej spirali wynosi w zależności od rodzaju gleb i stopnia jej nawodnienia od 400-900W dla sondy 3m i od 500-1100W dla sondy o wysokości 5m. Podane wartości dotyczą pompy ciepła pracującej 1800h/rok. Firma zaleca układanie sond w odległościach liczonych w osi minimum 4-7m. Sondy powinny być zagęszczane pisakiem o granulacji 0-2mm. Na jedną sondę wymagana ilość piasku wynosi około:
– 0,9m3 dla sondy o wysokości 3m
– 1,6m3 dla sondy o wysokości 5m
Tabela. Parametry sond geo-well
| Parametr | sonda 3m | sonda 5m |
| długość [cm] | 300 | 500 |
| średnica [cm] | 38 | 38 |
| ciśnienie robocze [bar] | 3 | 3 |
| ciśnienie próbne [bar] | 5 | 5 |
| materiał rur | PE100 | PE100 |
| długość spirali [m] | 50 | 75 |
| średnica nominalna | DN20 | DN20 |
| ciężar [kg] | 8kg | 14kg |
| pojemność wodna [litry] | 24 | 37 |
| głębokość odwiertu [cm] | 4500 | 6500 |
| średnica odwiertu [cm] | 45-50 | 45-50 |