Ilość ciepła jaką może pobrać sonda gruntowa pionowa zależy od wielu czynników, w tym:
- budowy geologicznej gruntu
- wilgotności gruntu
- współczynnika przewodzenia ciepła gruntu: λ [W/(mK)]
- głębokości sondy
- czasu pracy pompy ciepła w h/rok
- różnicy temperatur między wlotem i wylotem czynnika
- odstępu między sondami, a także odstępu i układu rur w samej sondzie
- średnicy rury, natężeniu przepływu, jego prędkości, itp.
Budowa geologiczna gruntu
Ma decydujące znaczenie dla wydajności sondy. Im bardziej suchy grunt i posiadający dużą ilość zamkniętego w porach powietrza, tym mniejsza dostępna ilość ciepła. Poniżej w tabeli przedstawiam symulację ilości energii w W/mb sondy dla różnych rodzajów gruntu oraz dla dwóch przypadków pracy pompy ciepła: 1800 h/rok i 2400h/rok.
Jak widać, grunty wilgotne charakteryzują się zdecydowanie większą jednostkową mocą cieplną. Im dłuższy czas pracy pompy ciepła, tym bardziej wychłodzony grunt, tym samym jego wydajność spada. Średnia wartość dla gruntów o nieznanej budowie geologicznej może być przyjmowana na poziomie 50W/m dla pompy pracującej 1800h/rok i 40W/m dla pompy pracującej 2400h/rok. Dokładana wartość wydajności cieplnej gruntu może być jednak poznana dopiero po tzw. teście TRT.
Parametry pracy sondy
W Polsce średni wzrost temperatury na każde 100m wynosi około 1,5-3K. Z badań prowadzonych w różnych miejscach kraju wynika, że do głębokości 25m większy wpływ na zmiany temperatur ma promieniowanie słoneczne. Między 25-100m, udział promieniowania spada na poczet energii geotermalnej, pochodzącej z wnętrza ziemi. Przy głębokościach >100m, energia cieplna docierająca do sondy pochodzi w 100% z energii wnętrza ziemi. Na tej głębokości temperatura formacji geologicznych wynosi od 9-12C.
Typowe parametry pracy sond pionowych, zapewniające optymalne wykorzystanie ciepła z głębi ziemi to:
- przepływ rzędu 1,8m3/h (0,5dm3/s)
- prędkość przepływu zapewniająca przepływ turbulentny
- różnica temperatur pomiędzy dopływem i odpływem rzędu 3-4K
Układ sond w otworze
To bardzo istotny element na który mamy niestety tylko częściowy wpływ. Znaczenie ma tutaj zarówno położenie względem siebie rury zimnej i „gorącej”, jak też sama ich konstrukcja. Spróbujmy na początek porównać ze sobą otwory w których umieszczono wymienniki typu U-rura, dwururowe, w różnych układach.
Rys. Rozkłąda temperatur w otworach sony pionowej dwururowej systemu U-rura. figura.2 rury maksymalnie oddalone od siebie w otworze, figura 3-4 -rury zamocowane obok siebie, bez elementów dystansowych, figura 5 – rury umieszczone w centrum otworu, 6- oddalone od siebie o 13mm, scentrowane, 7-jw. ale umieszczone na brzegu otworu, 8-oddalone o 38mm umieszczone centrycznie i 9-na brzegu otworu.
Dla wszystkich powyższych sytuacji montażowych w tabeli po lewej podano strumień ciepła. Widać z niej, że największą wydajność mają rury maksymalnie oddalone w otworze (30,2W/m), najmniejszą rury umieszczone dokładnie w środku otworu, położone obok siebie (18,3 W/m). Dane pochodza z artykułu „Local Conduction Heat Transfer in U-pipe Borehole Heat Exchangers” autorstwa J. Acuña, B. Palm
The Royal Institute of Technology KTH.
Kolejny rys. pokazuje wartość oporu cieplnego gruntu Rb dla różnych konfiguracji położenia rur. Wartość Rb waha się tutaj od 0,118-0,260 Km/W.
Rys. Wartość oporu cieplnego gruntu Rb przy różnych konfiguracjach położenia rur w otworze.
Okazuje się, że najlepsze wyniki uzyskują rozwiązania, w których rury znajdują się przy ścianie otworu i są wtedy maksymalnie oddalone od siebie.