Jak zamontować sondy do gruntowych pomp ciepła?

Wykorzystywanie energii geotermalnej za pomocą pionowych sond geotermalnych przeżywa rozkwit w ostatnich latach. Najczęściej montuje się sondy pojedyncze lub rzadziej podwójne U na głębokości do 100 m. Ze względu na wzrost temperatury gruntu wraz ze wzrostem głębokości i związaną z tym większą efektywnością oraz stabilnością pracy pompy ciepła obserwujemy tendencję do stosowania coraz dłuższych sond geotermalnych np. 200 m. Znajduje to swoje zastosowanie szczególnie w termomodernizacji starego budownictwa, gdzie dostępna przestrzeń jest ograniczona ze względu na otaczającą zabudowę. Obecnie technicznie możliwy jest montaż na głębokości kilkuset metrów, jednak powoduje to znacznie wyższe wymagania w stosunku do materiału oraz profesjonalnego wykonania instalacji dolnego źródła ciepła.

 

Wykonanie odwiertu

Wykonanie odwiertów pod sondy pionowe ma na celu wprowadzenie na zadaną głębokość sondy w postaci U-kształtnej rurki o określonej średnicy rur. Najczęściej stosuje się rury o średnicy DN32 lub DN40. Wyróżnia się różne metody wiercenia, głębokości odwiertów i średnice wiercenia. Wybór określonej metody wiercenia zależy przede wszystkim od warunków gruntowych. Wśród metod wiercenia wyróżnia się: okrętne, obrotowe, udarowe oraz obrotowo-udarowe. W przypadku odwiertów pod sondy pionowe najczęściej stosuje się wiercenie obrotowe z płuczką przy gruntach miękkich lub wiercenie obrotowo-udarowe z motkiem dolnym przy gruntach twardych (np. skały). Głębokość odwiertu wynika najczęściej z doboru projektowego dolnego źródła ciepła (w tym symulacji długoterminowej poboru ciepła z gruntu), na który wpływ mają następujące czynniki: dostępność miejsca, ilość energii potrzebnej do uzyskania z gruntu, możliwości techniczne firmy wykonawczej oraz względy ekonomiczne. Zrozumiałym jest, że wykonanie 1 odwiertu na 100 m będzie tańsze niż wykonanie 10 odwiertów po 10 m. Z tego względu zaleca się wiercenia otworu tzw. jednym marszem – bez wyciągania narzędzia. Przy wierceniu sond pionowych w większości przypadków planuje się wiercenie jedną średnicą na całej długości otworu, tak żeby zagwarantować bezproblemową aplikację sondy w otwór (fot. 1).

Wobec powyższych aspektów wiercenia najważniejszym wydaje się być rozpoznanie geologiczne podłoża, w którym planujemy wykonać odwiert. Skuteczne zdefiniowanie warstw górotworu pozwoli na dobrać optymalną metodę wiercenia, głębokość oraz średnicę odwiertu.

Minimalne odległości dla sondy pionowej

Zgodnie z zaleceniami wytycznych PORT PC (wydanie 01/2013) oraz niemieckich VDI 4640 należy zachować minimalną odległość od fundamentów budynku wynoszącą 1,5 m. Przy montażu sond pod budynkiem nie wolno naruszyć jego stabilności. W przypadku zastosowania kilku sond ciepła geotermalnego minimalna odległość między nimi powinna wynosić:

• 6 m dla długości sond > 70 m,
• 8 m dla długości sond 70-100 m,
• min. 8% głębokości odwiertu dla długości sond > 100 m (np. 8% x 150 m = 12 m).

Odległość sond od pozostałych sieci zaopatrzenia powinna wynosić 1,5 m. W przypadku zmniejszenia tej odległości rury należy zaopatrzyć w odpowiednią ochronną izolację lub zastosować rury preizolowane. Minimalna odległość odwiertów od granicy sąsiedniej działki powinna wynosić 3 m.

fot. 2 Zalecane odległości sond pionowych od innych elementów infrastruktury – źródło Wytyczne PORT PC

Kontrola sondy

Po dostawie należy sprawdzić, czy sondy nie zostały uszkodzone podczas transportu. Nie wolno montować sond z widocznymi uszkodzeniami. Bezpośrednio przed wprowadzeniem sondy w odwiert należy przeprowadzić próbę ciśnieniową (zgodnie z PN-EN 805:2002), aby sprawdzić, czy sonda jest nienaruszona oraz wykluczyć uszkodzenia powstałe podczas magazynowania i transportu. Sondę można montować dopiero po uzyskaniu pozytywnego wyniku testu ciśnieniowego. Warunki badania oraz wyniki należy wpisać do protokołu badań.

 

Wprowadzanie sondy do otworu wiertniczego

Aby ułatwić wprowadzanie sondy w przypadku wypełnionego wodą otworu wiertniczego, zaleca się napełnić sondę wodą. W przypadku suchych otworów wiertniczych wprowadzamy do otworu pustą sondę, a następnie wypełniamy ją wodą najpóźniej przed wypełnieniem otworu wiertniczego. Jeżeli przystąpimy do wprowadzania w suchy odwiert napełnionej wodą sondy, to celem zapobieżenia zgnieceniu rur sondy, należy wypełnić odwiert wodą. Dzięki ww. zabiegom unikniemy uszkodzenia sondy pionowej przez działanie ciśnienia hydrostatycznego (np. na głębokości 150 m aż 15 bar). W celu kompensacji siły wyporu podczas wprowadzania sondy w otwór i wypełniania otworu wiertniczego należy zamontować odpowiedni obciążnik. Rury sondy muszą być szczelnie zamknięte aż do wykonania przyłącza, aby zapobiec dostaniu się zanieczyszczeń do środka.
Sondę pionową aplikuje się do otworu wiertniczego za pomocą rozwijarki, która przymocowana jest do wieży wiertniczej (fot. 3). Rura wypełniająca wsuwana jest wraz z sondą do otworu wiertniczego. Przy większej głębokości może być potrzebna dodatkowa rura wypełniająca, aby zapewnić równomierne wypełnienie.

Wypełnienie otworu wiertniczego

Wypełnianie otworu wiertniczego należy przeprowadzić zgodnie z VDI 4640 cz. 2 tak, aby zapewnić trwałe, stabilne fizycznie i chemicznie połączenie sondy z otoczeniem skalnym. Fachowcy z branży pomp ciepła powołują się w tym zakresie najczęściej na wytyczne niemieckiego stowarzyszenia inżynierów VDI, ponieważ w polskich regulacjach budowlanych niestety brakuje podobnych zapisów. Dopiero od niedawna funkcjonuje na polskim rynku nowa pozycja literaturowa w tej materii. Są to „Wytyczne projektowania , wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła” Cz.1 Dolne źródła do pomp ciepła, wydane przez Polską Organizację Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC) w październiku 2013 r. Zapisy w tych wytycznych bazują w dużej mierze na ww. wytycznych VDI i stanowią niewątpliwie „kamień milowy” dla polskiego rynku pomp ciepła. Dlatego w umowie inwestora z firmą wykonawczą warto powołać się na zapisy tych wytycznych, żeby zagwarantować sobie odpowiednie wykonanie dolnego źródła ciepła oraz uniknąć w przyszłości ewentualnych problemów z ich eksploatacją.
Wypełnienie otworu wiertniczego należy wykonać od głowicy sondy w górę otworu z wykorzystaniem rury wypełniającej. W literaturze branżowej opisuje się tę procedurę jako metoda kontraktor. Proces wypełniania odwiertu „od dołu” gwarantuje całkowite usunięcie płuczki (powstałej podczas wiercenia otworu) i musi trwać do momentu, gdy gęstość aplikowanego materiału wypełniającego oraz tego, który wypływa na górze otworu, będzie jednakowa (fot. 4). Rurę wypełniającą można wyciągać z otworu sukcesywnie w trakcie wypełniania lub pozostawić wypełnioną na stałe w otworze. W przypadku suchych otworów wiertniczych należy wypełnić sondę wodą najpóźniej przed wypełnieniem otworu. Aby nie przekroczyć dopuszczalnego ciśnienia zaleca się, szczególnie dla sond o długości powyżej 150 m, całkowite odpowietrzenie sond przed wypełnieniem otworu, dokładne uszczelnienie i użycie ciśnieniomierza do kontroli ciśnienia wewnętrznego. Podczas wypełniania otworu nie może ono przekroczyć 21 bar.

W wypełnieniu otworu sondy nie mogą znajdować się pęcherzyki powietrzne ani puste przestrzenie. W przypadku ich powstania będą one izolować przewód sondy pionowej, ograniczając w znaczący sposób efektywność wymiany ciepła pomiędzy czynnikiem roboczym (np. glikolem) a gruntem. Współczynnik przewodzenia ciepła dla powietrza (λ = 0,02 W/(m·K)) jest kilkudziesięciokrotnie niższy niż dla dedykowanego materiału wypełniającego. Z tego względu należy dołożyć wszelkich starań, żeby uniknąć pustych przestrzeni w odwiercie z sondą. Wyłącznie należycie przeprowadzona aplikacja sondy i wypełnienie otworu zgodnie z wytycznymi PORT PC lub VDI 4640 zapewnia odpowiednie funkcjonowanie szczególnie głębszych sond.

Jaki wybrać materiał wypełniający?

Warto zwrócić uwagę na stosowany przez firmę wiercącą materiał do wypełnienia przestrzeni otworu wiertniczego. Należy zweryfikować jego właściwości w zakresie następujących parametrów:

• przewodność cieplna – współczynnik λ min. 1 W/(m·K), a najlepiej ok. 2 W/(m·K) – sprawdzony w warunkach laboratoryjnych,
• brak szkodliwego wpływu na środowisko – przystosowanie do nieograniczonego stosowania w wodzie gruntowej oraz znikoma zawartość chromu zgodnie z Dyrektywą UE 2003/53/WE,
• brak kurczenia się w czasie poprzez proces oddawania wody – najlepiej znikoma lub całkowity brak zawartości bentonitu. Bentonit w przypadku zbytniego wysuszenia ma właściwość kurczenia się i oddawania wody, co powoduje powstawanie pustych przestrzeni,
• niski współczynnik przepuszczalności wody kf < 1×10^-9 m/s – co zapewnia dobry efekt uszczelnienia również pomiędzy poszczególnymi warstwami wodonośnymi,
• właściwość tiksotropowa, która gwarantuje szybkie krzepnięcie po iniekcji w otworze wiertniczym oraz brak roznoszenia materiału wypełniającego do wód gruntowych,
• mrozoodporność przy 10 cyklach zamrażania i odmrażania dla -15^oC – zapewnia długotrwałe i całkowite związanie sondy z górotworem.

Zaleca się stosowanie wyłącznie dedykowanych materiałów wypełniających, które spełniają powyższe parametry. W żadnym razie nie należy stosować płuczki wiertniczej do wypełniania otworów lub stosować tzw. żwirkowania otworu od góry. W przypadku płuczki wiertniczej nie uzyskamy odpowiedniego zespolenia sondy z górotworem oraz ze względu na duży udział bentonitu w płuczkach może dojść do powstania pustych przestrzeni na skutek wysuszania się bentonitu. Przy braku wody bentonit charakteryzuje efekt kurczenia się, co spowoduje powstanie powietrznych blokad do przewodzenia ciepła.
Żwirkowanie od góry, czyli wsypywanie żwiru do otworu wiertniczego z poziomu gruntu jest obarczone niebezpieczeństwem zatkania się otworu na głębokości np. 30 m i niedotarcia żwiru do głowicy sondy np. na 100 m. Ponadto jeżeli nawet uda się umieścić żwir na całej długości sondy, to i tak może dojść do przemieszczania się żwiru w warstwach wodonośnych i w przypadku przewiercenia różnych warstw wodonośnych pojawią się spięcia hydrauliczne albo zanieczyszczenie ich przez brudne wody powierzchniowe. Innymi słowy metoda żwirkowania nie gwarantuje szczelnego wypełnienia odwiertu.
Z kolei przygotowywanie tzw. mieszanek na budowie jest obciążone możliwym błędem przy doborze i utrzymaniu odpowiednich proporcji poszczególnych składników. Ponadto tego typu mieszanka nie będzie zweryfikowana laboratoryjnie pod kątem optymalnego, z góry założonego, współczynnika przewodności cieplnej.

Małe, a cieszy!

Ważnym aspektem wykonawczym jest ponadto stosowanie dystansowników (fot. 5) montowanych na przewodach sondy pionowej w odległościach min. co 2 m. Zadaniem dystansowników jest utrzymanie stałej odległości pomiędzy przewodami zasilania i powrotu sondy pionowej, tak żeby ustrzec instalację przed tzw. zwarciami termicznymi lub efektem bocznikowej wymiany ciepła, czyli negatywnym przekazywaniem ciepła z przewodu zasilania pompy ciepła do przewodu powrotu. Dystansowniki należy stosować zarówno przy pojedynczych, jak i podwójnych sondach pionowych. Spełniają one również rolę ułatwiającą wprowadzenie dodatkowej rury do iniekcji materiału wypełniającego.

Przyłącze sondy i równoważenie instalacji DZC

Po wypełnieniu otworu wiertniczego przeprowadza się kontrole końcowe sondy napełnionej i odpowietrzonej za pomocą wody o nadciśnieniu minimum 6 bar zgodnie z normą PN-EN 805: 2002. Wynik badania należy zapisać w protokole i przekazać inwestorowi. Jeżeli sonda nie może zostać bezpośrednio podłączona i występuje niebezpieczeństwo zamarznięcia, należy opróżnić sondę do 2 m poniżej powierzchni terenu. Można to wykonać poprzez otwarcie na jednej stronie przyłącza sprężonego powietrza i zapewnienie niskiego ciśnienia. Wówczas na drugiej stronie dojdzie do wypłynięcia wody. Gdy zabraknie ciśnienia, słup wody ustabilizuje się na żądanym poziomie we wnętrzu sondy. Rury sondy muszą być szczelnie zamknięte i zabezpieczone przed zabrudzeniami aż do momentu podłączenia. Przewody zasilające i powrotne sond należy podłączyć do belki rozdzielacza. Rury należy poprowadzić do rozdzielacza w równoległych obwodach (fot. 6). Rozdzielacz z urządzeniem odpowietrzającym należy zainstalować w najwyższym miejscu. Rozdzielacze należy koniecznie wyposażyć w przepływomierze (fot. 7) służące do regulacji przepływu medium w sondach oraz termomanometr do kontroli temperatury i ciśnienia za zasilaniu i powrocie. Przed uruchomieniem całego systemu dolnego źródła ciepła należy przeprowadzić próbę szczelności, np. zgodnie z PN-EN 805. Należy również sprawdzić, czy we wszystkich sondach odbywa się równomierny przepływ i sporządzić protokół z próby szczelności.

Dopiero w taki sposób wykonane dolne źródło ciepła do gruntowych pomp ciepła ma prawo optymalnie, efektywnie i bezpiecznie pracować przez wiele lat, nie przysparzając problemów np. z wymrożeniem gruntu czy przebiciem warstw wodonośnych. Jak widać z powyższego wykonanie dolnego źródła ciepła do gruntowych pomp ciepła to jednak nie takie łatwe zadanie. Dlatego warto zlecić je profesjonalnemu i doświadczonemu wykonawcy (firmie wiertniczej). Jednak przed przystąpieniem do tego etapu pamiętajmy również o przygotowaniu projektu dolnego źródła i jego optymalnym zwymiarowaniu, tzn. oszacowaniu ilość i długości sond pionowych. Niestety nie ma nic gorszego jak niedowymiarowane lub przeszacowane dolne źródło ciepła. Zwracajmy zatem szczególną uwagę na jakość wykonania tego bardzo ważnego elementu instalacji z pompą ciepła, bo jak wielokrotnie powtarzam: Pompa ciepła jest sercem układu grzewczo-chłodzącego, ale jego płucami jest dolne źródło ciepła. Dbajmy o te płuca!