Kolumny geotermalne

Zastosowanie

Kolumny geotermalne, lub inaczej pale energetyczne, to propozycja dla budynków przemysłowych i użyteczności publicznej, posadowionych na gruntach niestabilnych słabonośnych, na fundamentach palowych. Pale fundamentowe wykorzystane są w tym przypadku do zatopienia rur gruntowego wymiennika ciepła. Rozwiązanie takie zapewnia najtańsze dolne źródło ciepła dla budynku, nie wymagające żadnych dodatkowych powierzchni terenu. Wymiennik gruntowy znajduje się pod budynkiem bezpośrednio w betonie, dzięki czemu bardzo dobrze odbiera ciepło od gruntu. Koszt wykonania wymiennika jest bardzo mały, a jego sprawność energetyczna duża.

  Rodzaje wymienników, zasady montażu.

  Jako rury wymiennika palowego stosowane są przewody z polietylenu sieciowanego PEX-a, o niewielkim promieniu gięcia. Wymienniki gruntowe palowe wykonywane są na ogół jako u-kształtowe, ale są też możliwe inne rozwiązania.  Generalnie sposób montażu rur w zbrojeniu pala zależy w dużej mierze od jego średnicy. Im większa, tym więcej dostępnych opcji. Poniżej omówione zostaną systemy firmy Uponor i Rehau.  

Wymienniki gruntowe palowe Rehau Raugeo

Wykonywane są jako U-kształtowe (Rys. u dołu). Rury prowadzone są w odległościach od 20-40 cm od siebie i mocowane do zbrojenia opaskami tworzywowymi średnio co 0,5m oraz na załamaniu 180. Stosowane są rury PEX-a 20×1,9mm lub 25×2,3mm. Wielkość strat ciśnienia dla powyższych rur pokazuje wykres.

Wykres strat ciśnienia

Przy projektowaniu pali punktem wyjścia nie jest moc parownika w pompie ciepła tylko dostępna ilość pali fundamentowych. Koszty poniesione przy instalowaniu dodatkowych pali nie byłyby uzasadnione. Dodatkowe zapotrzebowanie na ogrzewanie lub chłodzenie pokrywane jest przez inne

niezależne systemy (np. sondy geotermalne). Eksploatacja może stać

się ekonomiczna w przypadku długości pali wynoszącej min. 6 m.

Dlatego przy projektowaniu i wymiarowaniu kolumn geotermalnych,

inaczej niż w przypadku innych systemów geotermalnych, nie wychodzi się od założonej mocy parownika, lecz od dostępnych pali fundamentowych.

Przykład

– Długość kolumn geotermalnych: 20 m

– Ilość kolumn geotermalnych: 100 szt.

– Wydajność poboru ciepła: 45 W/m

– Wydajność poboru ciepła kolumny geotermalnej: 900 W

– Możliwa do osiągnięcia wydajność poboru ciepła:

100 kolumn x 900 W/kolumnę = 90.000 W = 90 kW

Z reguły pale fundamentowe znajdują się w obszarze wód gruntowych. Przy eksploatacji jako system chłodzący temperatura wody gruntowej ulega podwyższeniu. Należy to wyjaśnić z właściwymi urzędami.

 

Montaż i instalacja

Przed montażem w koszu zbrojeniowym należy sprawdzić, czy rury nie są uszkodzone. Rury z widocznymi uszkodzeniami w żadnym wypadku nie mogą być zamontowane. Rury układane są w koszu zbrojeniowym w formie U-kształtnej. Ten rodzaj ułożenia rur gwarantuje skuteczne odpowietrzenie przewodów rurowych. Podłączenie przewodów zasilania i powrotu odbywa się na górze kolumny za pomocą sprawdzonej i szczelnej techniki połączeniowej typu tuleja zaciskowa REHAU. Tuleje zaciskowe i inne metalowe elementy połączeniowe w kolumnach geotermalnych wymagają ochrony przed korozją za pomocą taśmy zimnokurczliwej RAUGEO lub innych środków.

Fot. Montaż rur do konstrukcji zbrojeniowej

Następnie należy obciąć przewody podłączeniowe zasilania i powrotu, oznaczyć je i zamontować rurę ochronną. Rura ochronna powinna mieć długość co najmniej 1,0m, tak aby wystawała po zabetonowaniu około 0,5m. Przed zabetonowaniem należy przeprowadzić próbę szczelności rur. Jeśli próba szczelności nie przebiegnie pomyślnie, kosz zbrojeniowy z zamontowanymi rurami nie może być zainstalowany. Po wprowadzeniu w odwiert i zabetonowaniu kosza zbrojeniowego, należy przeprowadzić kolejną próbę szczelności, zanim przewody

podłączeniowe zostaną połączone z całym systemem. Po zakończeniu montażu całego systemu należy przeprowadzić ostateczną próbę szczelności i zapisać w protokole jej wynik i warunki, w jakich była przeprowadzona.

 

Fot. Zamocowanie rury ochronnej i oznakowanie rur, po prawej zamocowanie przyłączek i przeprowadzenie próby szczelności.

Podczas projektowania i eksploatacji kolumn geotermalnych należy pamiętać, że mogą one pracować w temperaturze solanki od min. +2 °C do maks. +40 °C. Temperatury spoza tego zakresu oraz silne

wahania temperatury mogą uszkodzić beton dookoła i tym samym pal fundamentowy oraz wpłynąć negatywnie na jego statykę.

Wymienniki palowe Uponor Geo Palix

Firma stosuje zasadniczo ten sam typ rur, dopuszcza jednak różne ich prowadzenie wewnątrz zbrojenia. Poniżej na rysunkach możliwe warianty instalacji.

   

Rys. Warianty montażu rur. Od lewej – system U-kształtowy równoległy, U-kształtowy krzyżowy, spiralny, meandrowy.

Wybór systemu zależy w dużej mierze od średnicy pala i jego długości. Przy palach wąskich ale długich zalecanym sposobem montażu jest U-kształtowy. Przy bardzo małych średnicach firma wykorzystuje do załamania o 180° specjalną kształtkę stosowana w sondach gruntowych. Złączka jest elektrooporowa   dla łączenia z rurami Uponor PE-Xa. Wykonana z PE100. Posiada dwa U-kształtne kolanka połączone śrubą, można je stosować oddzielnie. Złączka posiada dodatkowo ucho do odważników. Maksymalna temperatura czynnika  40°C.

Rys. Złączka U-kształtowa 

W przypadku pali krótkich ale szerokich możliwe są warianty z wężownicą meandrującą. Generalnie ilość rur jaką mona zamocować w słupie można przyjmować z tabeli.

Zasady montażu

Omówienie zaczniemy od szczegółowej charakterystyki systemów palowych (materiał na podstawie poradnika firmy UPONOR).

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 urządzeń, 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, dobrane 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 miejscu przy użyciu specjalnych kafarów hydraulicznych, nie wywołujących nadmiernych 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 przystosowany do pracy 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 płyty

podłogowej. W takiej płycie 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.

Pale prefabrykowane

Betonowe prefabrykowane pale są wytwarzane jako pełne pale o okrągłym lub kwadratowym przekroju. Mogą przenosić znaczne obciążenia na dużą głębokość ze względu na duży opór powierzchniowy i posiadają ciągłe zbrojenie.

Betonowe wbijane pale prefabrykowane Betonowe wbijane pale prefabrykowane to również niezwykle ekonomiczna i technicznie 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 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.

Aktywowanie pali fundamentowych

Pale wbijane (puste)

  W tym rozwiązaniu pale wbijane są w grunt jako puste w środku. Po osiągnięciu docelowej głębokości nadmiar pala jest ucinany a do środka wprowadzany kolektor gruntowy.  Podobnie jak w przypadku kolektorów pionowych, w grunt wpuszczane są dwie pętle, a otwór wypełniany jest odpowiednim

materiałem. W przypadku niewielkich promieni skrętu obwodów rur, zaleca się wykorzystywać zgrzewane elektrycznie kolana lub bezpośrednie wkładanie kolektorów pionowych. Podczas

wypełniania rdzenia należy pamiętać, żeby materiał wypełniający miał wysoki współczynnik przewodzenia ciepła i zachowywał dobry kontakt z materiałami w różnych warunkach oraz by nie tworzyły się podczas jego napełniania puste przestrzenie. Przepływ zasilający i wychodzący

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

Betonowe wbijane pale prefabrykowane

Betonowe wbijane pale prefabrykowane są fabrycznie wyposażone w rury kolektora. Aby 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 musiała być prowadzona wokół pala. Zaletą rozwiązania jest to, że  próby ciśnieniowe rur są

przeprowadzane w fabryce, a ich zniszczenie poprzez nieumiejętne betonowanie jest wykluczone.

 

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

Uwagi końcowe