Projektowanie dolnych źródeł ciepła

    Projektowanie sond gruntowych  (tekst na podst. wytycznych wydanych przez PORT PC)

 

  Wymagania prawne

  Wiadomości wstępne

  Dobór sond gruntowych dla pomp ciepła o mocy ≤ 30kW

  Dobór sond gruntowych dla pomp ciepła o mocy > 30kW

  Zasady lokalizacji sond gruntowych

  Próby i odbiór sond gruntowych

 

  Wymagania prawne

ASPEKTY PRAWNE DOTYCZĄCE PIONOWYCH GRUNTOWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA:

Wykorzystując do pracy pompy ciepła pionowy gruntowy wymiennik ciepła (tak zwaną sondę gruntową), instalacja grzewcza podlega zapisom poniższych ustaw:

1. Prawo Wodne (Dz. U. 2012 nr 0 poz. 145 z późniejszymi zmianami)

2. Prawo geologiczne i górnicze (Dz. U. 2011 nr 163 poz. 981 z późniejszymi zmianami)

3. PRAWO OCHRONY ŚRODOWISKA (Dz. U. 2008 nr 25 poz. 150 z późniejszymi zmianami)

4. Prawo budowlane (Dz. U. 2010 nr 243 poz. 1623 z 7 lipca 1994 roku z późniejszymi zmianami)

5. Ustawa o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym (Dz. U. 2012 poz. 647 z późniejszymi zmianami)

6. Ustawa o udostępnianiu informacji o środowisku i jego ochronie, udziale społeczeństwa w ochronie środowiska oraz o ocenach oddziaływania na środowisko (Dz. U. 2008 nr 199 poz. 1227 z późniejszymi zmianami).

  

Zgodnie z prawem geologicznym i górniczym wszelkie prace związane z wykonaniem otworów w celu wykorzystania ciepła Ziemi, o głębokości do 30 metrów, nie wymagają projektu robót geologicznych. Prace te nie mogą być prowadzone na obszarach górniczych, wtedy też mimo nieprzekroczenia głębokości 30 metrów projekt robót geologicznych jest wymagany.

Tabela. Wymagania odnośnie PRG i PRZG w zależności od głębokości odwiertu

hw[m[

głębokość otworu wiertniczego

PRG

projekt robót geologicznych

PRZG

projekt ruchu zakładu górniczego

≤ 30 (poza obszarem górniczym) NIE NIE
≤ 30 (na obszarze górniczym) TAK NIE
≤ 100 (poza obszarem górniczym) TAK NIE
≤ 100 (na obszarze górniczym) TAK TAK
> 100 (niezależnie od obszaru) TAK TAK

 

Na podstawie Ustawy Prawo geologiczne i górnicze można wymienić następujące procedury  i obowiązujące etapy wykonywania otworów wiertniczych:

 

A. Opracowanie projektu robót geologicznych PRG i projektu ruchu zakładu górniczego PRZG w przypadku, gdy są wymagane z uwagi na projektowaną głębokość odwiertów.

 

B. Zgłoszenie projektu i zawiadomienie o przystąpieniu do robót wiertniczych. Zgodnie z przepisami projekt zgłasza się:

1) organowi administracji geologicznej, którym jest marszałek województwa, starosta lub Minister Środowiska jako organ I instancji,

2) wójtowi (burmistrzowi, prezydentowi miasta) właściwemu ze względu na miejsce wykonywanych robót, a na obszarach morskich Rzeczypospolitej Polskiej – właściwemu dyrektorowi urzędu morskiego;

3) organowi nadzoru górniczego, którym jest Prezes Wyższego Urzędu Górniczego, dyrektorzy okręgowych urzędów górniczych, dyrektor Specjalistycznego Urzędu Górniczego – jeżeli do robót geologicznych stosuje się wymagania dotyczące ruchu zakładu górniczego.

Zgłoszenie projektu wymaga wypełnienia wniosku we właściwym organie. Wniosek powinien zawierać:

–  Pisemne zgłoszenie o zamiarze przystąpienia do wykonywania robót geologicznych wraz z oznaczeniem wnioskodawcy (miejsce zamieszkania lub siedziby), zawierające:

a) zamierzone terminy rozpoczęcia i zakończenia robót geologicznych,

b) rodzaj i podstawowe dane dotyczące robót geologicznych,

c) imiona i nazwiska osób sprawujących dozór i kierownictwo oraz numery świadectw stwierdzających kwalifikacje do wykonywania tych czynności.

 

C. Przeprowadzenie właściwych prac wiertniczych

Zgodnie z zapisami ustawy, roboty geologiczne mające na celu wykorzystania ciepła ziemi można rozpocząć jeżeli w terminie 30 dni od daty złożenia projektu robót geologicznych do Starostwa Powiatowego organ nie wniesie sprzeciwu.

Jeżeli roboty wiertnicze wykonuje się na głębokości przekraczającej 100 metrów, zgodnie z zatwierdzonym przez Okręgowy Urząd Górniczy planem ruchu, zamiar rozpoczęcia prac wiertniczych powinien zostać zgłoszony właściwemu organowi administracji geologicznej, organowi nadzoru górniczego oraz wójtowi, burmistrzowi lub prezydentowi właściwemu ze względu na miejsce prowadzenia prac. ZGŁOSZENIE powinno być dokonane najpóźniej na 2 tygodnie przed planowanym terminem rozpoczęcia wierceń.

Prace mogą być wykonywane jedynie przez osoby, które posiadają odpowiednie kwalifikacje do kierowania robotami geologicznymi, natomiast nadzór nad pracami mogą sprawować osoby posiadające potwierdzone stosowne uprawnienia.

 

D. Sporządzenie dokumentacji powykonawczej i przekazanie jej do właściwego organu administracji geologicznej

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 23 czerwca 2005 roku w sprawie określania przypadków, w których konieczne jest sporządzenie innej dokumentacji geologicznej (Dz. U. Nr 116, poz. 893) wyniki prac wiertniczych i badań w otworze przedstawia się w dokumencie zatytułowanym „Dokumentacja prac geologicznych wykonywanych w celu wykorzystania ciepła ziemi”.

Dokumentacja obejmuje omówienie i podsumowanie wykonanych prac oraz badań. Jest ona sporządzana najpóźniej w ciągu 6 miesięcy od zakończenia prac geologicznych, a następnie w 3 egzemplarzach przekazywana właściwemu organowi administracji geologicznej, do którego zgłaszany był projekt prac geologicznych. Dokumentacja stanowi jedynie zgłoszenie wykonanych prac do celów ewidencyjnych, i jako taka nie podlega zatwierdzeniu.

Załącznikiem do dokumentacji prac geologicznych jest operat geodezyjny. Operat obejmuje inwentaryzację geodezyjną wykonanych otworów za pomocą niwelacji technicznej dowiązanych do reperu zastabilizowanego na badanym terenie.

A językiem bardziej zrozumiałym dla wszystkich: operat geodezyjny to oznaczenie na planie zagospodarowania terenu miejsc wykonanych otworów, opisanie ich współrzędnych oraz wysokości nad poziomem morza i podpisanie oraz opieczętowanie mapki przez uprawnionego geodetę.

 

  Wiadomości wstępne

– Przy prawidłowym doborze wymienników gruntowych nie dochodzi do zbytniego wychłodzenia gruntu. Grunt ma czas na regenerację i odzyskanie naturalnej temperatury w czasie postoju pompy ciepła. Jeśli wymiennik jest zbyt mały, a pompa mocno obciążona, dochodzi do szybkiego wychłodzenia gruntu. W skrajnym przypadku, przy braku odpowiedniej regeneracji, może dojść do obniżenia jego temperatury do granicznej temperatury pompy ciepła, przy której zostanie ona zablokowana. 

Dobór GWC według danych PORT PC przebiega obecnie dla trzech przypadków:

A. Dla pomp ciepła o mocy grzewczej do 8kW

B. Dla pomp ciepła o mocy grzewczej >8kW ale  30kW

C. Dla pomp ciepła o mocy grzewczej >30kW

 

 

A. Dobór sond dla pomp ciepła o mocy do 8kW.

Przeprowadza się w sposób uproszczony według poniższej tabeli 1

Tabela.1 Długość i liczba pionowych GWC dla instalacji pomp ciepła o mocy do 8kW.

W zakresie przewodności cieplnej gruntu (1,5-2,5)W/mK

Moc grzewcza

pompy ciepła w kW

Liczba GWC m/GWC liczba GWC m/GWC
3     1 75
4 2 50 1 100
5 2 63    
6 2 75    
7 2 88    
8 2 100    
W zakresie przewodnosci cieplnej gruntu od (2,5-3,5) W/mK

Moc grzewcza

pompy ciepła w kW

Liczba GWC m/GWC liczba GWC m/GWC
3     1 60
4     1 80
5 2 50 1 100
6 2 60    
7 2 70    
8 2 80    

 

B. Dobór sond dla pomp ciepła o mocy >8kW ale <30kW.

 

Przepisy wyróżniają tutaj dwa odrębne przypadki.

1. Obliczenia dla pomp ciepła pracujących tylko w trybie ogrzewania, bez przygotowania c.w.u.

2. Obliczenia dla pomp ciepła pracujących w trybie ogrzewania i przygotowania c.w.u.

 

Warunki ogólne

 

1. Przy projektowaniu wymiennika gruntowego należy dążyć do tego aby temperatura cieczy niskokrzepnącej nie była nigdy niższa niż:

– (0°C) na wejściu do wymiennika gruntowego GWC, dla średniej mocy grzewczej w miesiącu

– (-3°C) na wejściu do GWC przy obciążeniu szczytowym

Z kolei maksymalna temperatura na wyjściu z wymiennika gruntowego GWC, przy pracy w trybie chłodzenia nie może być większa niż (+20°C)

2. Minimalne odległości między osiami wymienników pionowych wynoszą 6m

3. Przepływ w sondach jest turbulentny

4. Maksymalna ilość sond wynosi 5 (dotyczy przypadku B)

5. Głębokość otworów waha się pomiędzy 50-200m

6. Czas pracy sprężarki wynosi 1200-2400h

7. Sonda w wykonaniu podwójnej U-rurki

Jeśli sonda pracuje też w trybie chłodzenia, to maksymalna moc chłodnicza nie może przekraczać 75% mocy cieplnej pompy, a czas pracy  w trybie chłodzenia nie może być dłuższy niż 300h. Dla powyższych wartości dobór wymienników pionowych GWC jest obecnie częściowo stabelaryzowany. 

 

Dla pierwszego przypadku i instalacji spełniających kryteria opisane powyżej, dla wyznaczenia jednostkowego współczynnika wydajności cieplnej gruntu korzysta się z tabeli 2.

 

Tabela 2. Jednostkowe wydajności cieple gruntu dla pionowego GWC dla pomp pracujących tylko w trybie „ogrzewanie”.

Ilość godzin pracy sprężarki przy pełnym obciążeniu w ciągu roku Liczba wymienników ciepła Jednostkowa wydajność cieplna gruntu w W/m
Przewodność cieplna gruntu W/(mK)
1,0 2,0 3,0 4,0
1200 h/rok 1 32,2 44,7 52,8 58,6
2 29,4 41,6 49,9 55,9
3 27,4 39,4 47,8 53,9
4 26,0 37,7 46,1 52,2
5 25,2 36,8 45,3 51,6
1500 h/rok 1 27,8 40,3 48,8 55,0
2 25,1 37,1 45,6 51,9
3 23,3 34,9 43,4 49,7
4 22,0 33,3 41,6 48,0
5 21,3 32,4 40,7 47,1
1800 h/rok 1 24,5 36,9 45,4 51,8
2 22,0 33,6 42,1 48,5
3 20,3 31,5 39,8 46,2
4 19,1 29,9 38,0 44,4
5 18,4 28,9 37,0 43,4
2100 h/rok 1 22,1 34,1 42,7 49,2
2 19,7 30,9 39,2 45,7
3 18,1 28,8 36,9 43,4
4 17,0 27,1 35,0 41,4
5 16,4 26,2 34,0 40,3
2400 h/rok 1 20,4 32,1 40,6 47,1
2 18,0 28,8 37,0 43,4
3 16,5 26,6 34,5 40,9
4 15,4 25,0 32,7 39,0
5 15,0 24,3 31,9 38,2

 

Dla pompy ciepła pracującej w trybie ogrzewania i przygotowania c.w.u. korzysta się z tabeli 3.

Tabela 3. Jednostkowe wydajności cieple gruntu dla pionowego GWC dla pomp pracujących w trybie „ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody użytkowej.

Ilość godzin pracy sprężarki przy pełnym obciążeniu w ciągu roku Liczba wymienników ciepła Jednostkowa wydajność cieplna gruntu w W/m
Przewodność cieplna gruntu W/(mK)
1,0 2,0 3,0 4,0
1500 h/rok 1 28,6 41,2 49,7 55,8
2 25,8 37,9 46,4 52,7
3 23,9 35,6 44,1 50,4
4 22,6 33,9 42,3 48,7
5 21,8 33,0 41,4 47,8
1800 h/rok 1 25,3 37,7 46,3 52,6
2 22,6 34,3 42,8 49,3
3 21,2 32,1 40,5 46,9
4 19,6 30,4 38,6 45,1
5 18,8 29,5 37,6 44,1
2100 h/rok 1 22,8 34,9 43,5 50,0
2 20,2 31,6 39,9 46,4
3 18,5 29,3 37,5 44,0
4 17,3 27,7 35,6 42,0
5 16,7 26,7 34,6 41,0
2400 h/rok 1 21,0 32,8 41,3 47,9
2 18,5 29,4 37,7 44,2
3 16,9 27,2 35,2 41,6
4 15,8 25,5 33,3 39,6
5 15,1 24,5 32,1 38,5

 

Wykorzystując powyższe tabele wymaganą długość wymienników gruntowych można wyznaczyć ze wzoru:

 

ozepom533.jpg

Gdzie:

Qo – moc chłodnicza parownika pompy ciepła w [W]

nGWC – ilość pionowych wymienników w szt.

qv – jednostkowa wydajność cieplna gruntu wyznaczona z tabel w [W/m]

Moc chłodniczą pompy ciepła obliczamy ze wzoru:

 

ozepom413.jpg

gdzie:

Qc – moc cieplna pompy ciepła

COP – współczynnik sprawności energetycznej pompy ciepła (np. przy parametrach pracy B0/W35)

Przykład: Oblicz wymaganą długość sond gruntowych dla pompy ciepła o mocy 12 kW i współczynniku sprawności COP=4,0, przyjmij czas pracy pompy ciepła 2400 h/rok. Pompa pracuje w trybie ogrzewania i przygotowania c.w.u. Wyznaczony współczynnik przewodności cieplnej gruntu wyniósł λ=2,0W/mK

 

 Moc chłodnicza pompy ciepła (moc parownika) wyniesie:

 

Jednostkowa wydajność cieplna gruntu odczytana z tabeli 3 wyniesie (przyjęto wstępnie 3 sondy pionowe):

27,2 W/m. Stąd wymagana długość wymienników (sond) pionowego GWC wyniesie:

 

 ozepom534.jpg

 

Przyjęto 3 sondy po 111m. Tak długie sondy wymagają projektu ruchu zakładu górniczego i osobnych zezwoleń. Aby ich uniknąć można zwiększyć ilość sond do 4. Wtedy ich jednostkowa wydajność cieplna wyniesie dla ww. warunków 25,5W/m, a długość pojedynczego GWC spadnie do około 90m.

   

Wyznaczanie współczynnika przewodzenia gruntu λ

 

Przy znajomości budowy geologicznej gruntu wydajność jednostkową wyznacza się obliczając w pierwszej kolejności tzw. średni ważony współczynnik przewodzenia gruntu  λśr. Średni ważony współczynnik przewodzenia gruntu  λśr oblicza się ze wzoru:

 

 

gdzie:

Ui – grubość warstwy geologicznej

λi – współczynnik przewodzenia ciepła dla warstwy (odczytany z tabeli 1)

 

Tabela 1 Wartości współczynników przewodzenia ciepła dla różnych warstw gruntu (dane firmy Biocon)

Rodzaj gruntu Wartość współczynnika λ [W/mK]
amfibolit 2,9
andezyt 2,2
anhydryt 4,1
aplit 3,1
arkoza 2,9
bazalt 1,7
bentonit 12% 0,7
bentonit/ piasek 12%/50% 1,5
beton 1,6
brekcja 2,8
dioryt 2,6
dolomit 3,2
gabro 1,9
gips 1,6
gneis 2,9
granit 3,4
ił, glina sucha 0,4
ił wilgotny 1,6
iłowiec 2,2
kwarcyt 6,0
łupek ilasty 2,1
marmur 2,6
margiel 2,1
margiel dolomityczny 2,2
mica 2,0
pegmatyt 3,0
perydotyt 4,0
piasek suchy 0,4
piasek suchy zbity 1,2
piasek wilgotny 1,0
piasek nasycony (nawodniony) 2,4
piasek zmrożony 2,0
piaskowiec 2,3
pył suchy 0,4
pył wilgotny 1,8
pyłowiec 2,4
powietrze 0,02
serpentyn 3,0
wapień marglisty 2,2
wapień oolitowy 2,4
torf 0,4
woda (temp 0-10C) 0,6
węgiel 0,3
wapień zbity 2,8
żwir suchy 0,4
żwir nasycony 1,8
zlepieniec 2,8

 

Przykład: Oblicz średni ważony współczynnik przenikania gruntu dla otworu wiertniczego o budowie geologicznej:

0-20m – piasek wilgotny

20-40m – wapień marglisty

40-80m – żwir wilgotny

80-110m – wapień zbity

 

 

Na podstawie wyliczonej wartości możemy wyznaczyć jednostkową wydajność cieplną gruntu qv według tabel 2 i 3. Według R. Barthela dla wyznaczenia qv można się posłużyć zależnością (dla sprężarki pracujęcej 1800 h/rok):

 

Według   SIA 384/6 i norm szwajcarskich wartość „q” można wyznaczyć z nomogramu

Rys. Nomogram do wyznaczania wartości wydajności cieplnej gruntu wg SIA 384/6.

 

Tab. 1. Zestawienie źródeł informacji geologicznej do projektowania otworowych wymienników ciepła

 

W powyższych materiałach na szczególną uwagę zasługuje poz. 11, tzw. termomapy (http://www.thermomap-project.eu) z których można szybko odczytać czy wybrana przez nas lokalizacja dla pompy ciepła jest optymalna. Poniżej warunki dla Lublina i okolic.

Rys. Termomapa okolic Lublina. Kolor czerwony przewodność cieplna >1.2 W/mK (najbardziej optymalny), pomarańczowy 1,1-1,2W/mK, żółty 1,0-1,1 W/mK

 

 

Projektowanie sond gruntowych dla pomp ciepła o mocy > 30 kW.

 

Dla tej grupy pomp ciepła zaleca się stosowanie programów symulacyjnych opartych o modelowanie numeryczne.  Należy wykonać test odpowiedzi cieplnej gruntu tzw. TRT. Należy w tym celu wykonać próbny odwiert i umieścić w nim sondę, a następnie po jej zacementowaniu i ustabilizowaniu cieplnym przeprowadzić test próbny obciążając ją cieplnie i wyznaczając współczynnik „λ” gruntu. na tej podstawie można przeprowadzić modelowaniu numeryczne całego pola. Modelowanie takie powinno być przeprowadzone na okres 50 lat.

 

Zasady lokalizacji sond gruntowych

Rys. Zalecane odległości pionowych GWC od innych obiektów. Ozn. hw- głębokość posadowienia sond gruntowych względem poziomu terenu, lw – długość pionowa sond brana do obliczeń, ap- odległości między osiami sond, b – odległość od fundamentu budynku, c – głębokość posadowienia rur dobiegowych 

 

Minimalne odległości pionowego GWC od uzbrojenia terenu i innych budowli wynoszą:

– 2,5 m od granicy sąsiedniej działki licząc od osi wymiennika

– 1,5m od fundamentu budynku, sieci wodociągowych, kanalizacji, gazu, odwodnienia terenu, korony drzew o głębokich korzeniach, instalacji telekomunikacyjnych, elektrycznych, ciepłowniczych

– 0,2-0,4m poniżej strefy przemarzania dla danej strefy klimatycznej (1,0-1,8m, przepis dotyczy przewodów dobiegowych od studzienki rozdzielaczowej do budynku, oraz rozprowadzających od studzienki do sond gruntowych)

– 0,7m pomiędzy przewodami rozprowadzającymi, jeśli odległości tej nie da się spełnić (np. przy studzience rozdzielaczowej), przewody należy zaizolować

– przy krzyżowaniu się rur w ziemi, rury należy zaizolować cieplnie na odcinku co najmniej 3m

Dopuszcza się też wykonanie sond gruntowych pod budynkiem po dokonaniu odpowiednich uzgodnień budowlanych.

 

ozepom441.jpg

Rys. Zalecane odległości pionowego GWC w rzucie. Ozn. a- odległość od sieci gazowej, elektrycznej i ciepłowniczej, d-odległość od ogrodzenia, g- minimalna odległość pomiędzy przewodami rozprowadzającymi, e-odległość od korony drzew, f- odległość od sieci wodociągowej i kanalizacyjnej.

 

Minimalne odległości między sondami

 

Z uwagi na wzajemny wpływ dwóch sąsiadujących ze sobą sond należy zachować między nimi minimalną odległość, która   wynosi 6m. Odległość ta dotyczy sond o głębokosci do 200m i pomp ciepła o mocy cieplnej do 30kW. W przypadku większych pomp dopuszcza się odstępstwo od wymiaru 6m, jesli odległość minimalna jest potwierdzona obliczeniami symulacyjnymi. 

  Przy lokalizacji sond należy też zwrócić uwagę na kierunek przepływu wody gruntowej. Strumień wód ma bardzo duży wpływ na wymianę ciepła, dlatego sondy należy lokalizować w poprzek, a nie równolegle do kierunku napływu wód gruntowych. Jeśli sondy umieszcza się w dwóch lub więcej rzędach, wyznaczanie ich prowadzi się za pomocą siatki trójkątów równobocznych.

ozepom442.jpg

Rys. Zasady planowania sond gruntowych w stosunku do kierunku przepływu wód gruntowych

 

Inne wymagania przy wykonywaniu sond pionowych

 

Dla prawidłowego i bezproblemowego wykonania odwiertów pod sondy gruntowe inwestor powinien:

– przekazać wykonawcy zaktualizowaną mapę geodezyjną z naniesionym uzbrojeniem podziemnym

– zapewnić dojazd dla wiertnicy oraz wolną przestrzeń na działce dla swobodnej jej pracy. Orientacyjna szerokość dróg dojazdowych wynosi tutaj 1,5m dla wiertnicy gąsienicowej, 2,5m dla wiertnicy zamocowanej na samochodzie ciężarowym; wymiary działki dla swobodnej pracy wynoszą odpowiednio 6x5m dla wiertnic gąsienicowych i 8x5m dla wiertnic na samochodach ciężarowych

– zapewnić dostęp do wody wodociągowej z punktem poboru o wydajności min. 50l/min

– zapewnić przyłącze elektryczne jedno- lub trójfazowe (do uzgodnienia z wykonawcą)

– zapewnić w razie potrzeby kontener na odpady