Analiza modyfikacji konstrukcyjnych wybranych sond gruntowych do
advertisement
klimatyzacja Analiza modyfikacji konstrukcyjnych wybranych sond gruntowych do sprężarkowych pompy ciepła Bogusław BIAŁKO, Zbigniew KRÓLICKI, Stanisława SENDLER, Bartosz ZAJĄCZKOWSKI – Zakład Chłodnictwa i Pomp Ciepła, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów, Politechniki Wrocławskiej W pracy przedstawiono przegląd konstrukcji sond gruntowych stosowanych w sprężarkowych pompach ciepła. Na podstawie sporządzonego modelu obliczeniowego i danych literaturowych, dokonano oceny rozwiązań konstrukcyjnych i ich wpływu na jakość wymiany ciepła z gruntem. Przedstawiono propozycje własnych modyfikacji konstrukcyjnych, rezultaty analiz modelowych i wybrane dane eksperymentalne. Zwrócono uwagę na potrzebę dalszych prac w tym kierunku. Pionowe, gruntowe wymienniki ciepła znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie inwestorowi dysponującemu stosukowo niewielkim terenem zależy na wykorzystaniu wszystkich zalet gruntu, jako źródła ciepła. Do zalet tych zalicza się wysoka i stabilna temperaturę źródła, dobre współczynniki wymiany ciepła, możliwość pracy pompy ciepła w systemie monowalentnym [14]. Nie do zaniedbania są też korzyści, czyli stosunkowo niskie opory hydrauliczne czynnika roboczego i mniejsze moce pomp obiegowych. Firmy instalujące wymienniki gruntowe do pomp ciepła poszukują sposobu maksymalizacji poboru ciepła z gruntu, najczęściej poprzez modyfikację konstrukcji, która jednak nie zawsze przynosi spodziewane efekty. Problem jest o tyle istotny, że źle dobrana sonda czy ich zespół może przyczynić się do nadmiernego termicznego obciążenia gruntu i awarii pompy ciepła [12]. Dzieje się to najczęściej po paru latach i najczęściej po upływie terminu gwarancji. Gdy prześledzi się wpisy użytkowników Rys. 1. Typowa sonda tupu U wg [3, 18] 36 pomp ciepła na forach internetowych można zauważyć, że staje się to poważnym problemem [5]. Sondy typu U-rura W warunkach krajowych najbardziej rozpowszechnionym i zarazem najtańszym rozwiązaniem jest wymiennik typu U-rura, zbudowany z 2 rur polietylenowych (PE) połączonych na dole za pomocą dwóch kolanek. W sondzie przepływa czynnik roboczy – najczęściej solanka lub glikol i pobiera ciepło z gruntu, przepływając przeciwprądowo w dół a następnie w górę. [18, 19]. Wartość strumienia czynnika roboczego jest tak dobierana, aby zapewnić różnicę temperatury na wlocie i wylocie z wymiennika ΔT = 3 K [12]. Najczęściej w typowych sondach pionowych strumień wynosi około 1,8 m3/ h (0,5 l/s) [17], co gwarantuje przepływ turbulentny w rurze i zapewnia dobrą wymianę ciepła. Turbulentny charakter przepływu pozwala zmniejszyć opór cieplny sondy Rbh (wartości Rbh mieszczą się w przedziale 0,118÷0,260 Km/W [1]), ale zwiększa też wartość oporu hydraulicznego, a zatem moc pompy czynnika roboczego i pobór energii. Mniejsze wartości strumienia czynnika i wejście w obszar laminarny przepływu powoduje wzrost oporu termicznego sondy i mniejsze wartości różnicy temperatury czynnika. Poważnym problemem eksploatacyjnym sond typu U jest występowanie niekorzystnego zjawiska bocznego efektu cieplnego, które polega na tym, że czynnik „zimny” płynący rurą w dół odbiera ciepło nie tylko z gruntu, ale także od czynnika „ciepłego” płynącego rurą wznoszącą, obniżając tym samym temperaturę czynnika na wylocie z wymiennika. Zastosowanie izolacji na jednej z rur, ze względów termodynamicznych jest niekorzystne, ponieważ spowodowałoby sytuację, w której tylko druga z nich wymieniałaby ciepło z otaczającym gruntem Chęć wyeliminowania bocznego efektu cieplnego zaowocowała liczną modyfikacją konstrukcji U-rury a szczególnie różnymi konfiguracjami rozmieszczenia rur wewnątrz sondy, zastosowania podwójnej U-rury itp. [13]. W Tabeli 1. przedstawiono efekty badań eksperymentalnych zależności oporu cieplnego sondy pionowej od konfiguracji rur w sondzie. 4/2014 klimatyzacja Tabela 1. Zależność oporu cieplnego sondy pionowej od modyfikacji konstrukcyjnych – konfiguracje rur w sondzie [1] Opór cieplny Rbh Lp. Konfiguracja m·K/W 1 0,118 2 0,127 3 0,148 4 0,148 5 0,161 6 0,172 7 0,181 8 0,185 9 0,232 10 0,260 Analiza uzyskanych wartości wskazuje, że najmniejsze wartości zostały uzyskane przy możliwie maksymalnym rozsunięciu rur w sondzie. W praktyce jest to trudne do osiągnięcia na całej długości sondy a zastosowane przekładki dystansowe (rys. 1.) niestety powiększają opór cieplny [1]. Innym poważnym problemem stosowania sond typu U-rura jest konieczność wypełnienia odwiertu materiałem przewodzącym ciepło i minimalizującym obecność powietrza działającego jak izolator. Wypełnienie sondy jest też konieczne ze względu na nacisk górotworu na sondę, który poniżej głębokości 12 m staje się dosyć znaczący [5]. Grozi to przemieszczaniem rur w sondzie a w krytycznych sytuacjach nawet jej zniszczeniem. Stosowane materiały wypełniające: bentonit, bentonit z kwarcem, bentonit z grafitem, piasek kwarcowy, woda [7] zwiększają opór cieplny rury i pogarszają wymianę ciepła. Sondy współosiowe W sondzie współosiowej CBHE (Coaxial Borehole Heat Exchanger) zimny czynnik roboczy przepływa w dół przez jeden lub większą ilość zewnętrznych kanałów pierścieniowych, odbierając ciepło z gruntu. Na dnie wymiennika płyn przechodzi do kanału wewnętrznego. Od tego momentu ciepły czynnik płynie w górę w kierunku parowacza pompy ciepła (rys. 2.). W konstrukcji współosiowej istnieje możliwość bezpośredniego kontaktu kanałów zewnętrznych ze ścianą odwiertu, a w związku z tym zachodząca wymiana ciepła jest bardziej intensywna (rys. 2a). Zmiana średnic kanałów jest również próbą zmiany charakteru przepływu z turbulentnego na przepływ laminarny, co umożliwiłoby zmniejszenie oporów hydraulicznych i znaczne oszczędności energii na pracę pompy w porównaniu z U-rurą. Niestety w tych konstrukcjach sondy nie dało się wyeliminować efektu bocznej wymiany ciepła, który występuje nawet na większą skalę niż w klasycznej U-rurze [18, 19]. Zaizolowana cieplnie sonda pionowa (TIL) Najprostszym i skutecznym sposobem wyeliminowania tej wady jest zaizolowanie jednej z rur. Zaproponowano izolację wokół rury wewnętrznej, która ogranicza wymianę ciepła mię- www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl a) b) Rys. 2. Współosiowa sonda gruntowa: a) idea konstrukcji; b) przekrój poprzeczny analizowanej współosiowej sondy gruntowej [16] Rys. 3. Zaizolowana cieplnie sonda pionowa TIL [7]. Kolor czarny – ściana odwiertu, niebieski – rura centralna, różowy – rury zewnętrzne dzy rurą opadową a wznoszącą. Wydaje się jednak, że stosowanie izolacji w przypadku wlotu czynnika przez rurę zewnętrzną nie jest zasadne [18]. Przy strumieniu objętości czynnika (wody) wynoszącym 1,8 m3/h, różnica temperatury czynnika na wlocie oraz wylocie wynosi ΔT = 3 K a opór cieplny 0,03 Km/W [2, 15], wynika z tego, że to rozwiązanie charakteryzuje się lepszą wymianą ciepła niż U-rura. W pracy [9] zaproponowano wymiennik współosiowy nazywany „Zaizolowaną Cieplnie Sondą Pionową”(w jęz. ang. Thermal Insulated Leg, tzw. „TIL”). W zintegrowanym wymienniku typu „TIL” zaizolowana jest centralna rura, którą dopływa zimny czynnik roboczy. Kanałów zewnętrznych może być kilka lub kilkanaście (liczba może być bardzo różna), jednak im więcej jest tych kanałów, o mniejszej średnicy tym wymiana ciepła z gruntem jest korzystniejsza W sondach typu TIL efekt bocznej wymiany ciepła został całkowicie wyeliminowany. Na rysunku 3. przedstawiono przekrój wymiennika współosiowego typu TIL-G12. Geometria sondy jest tak dobrana, aby w zaizolowanej rurze centralnej wystąpił przepływ laminarny czynnika roboczego płynu pośredniczącego a w rurach zewnętrznych turbulentny. Sonda przejmuje dzięki temu więcej ciepła od gruntu, opór cieplny sondy R jest mniejszy, niż w standardowej U-rurze (zazwyczaj wartości osiągane przez TIL’ kształtują się na poziomie 0,01 do 0,03 Km/W) [13]. Podstawowe znaczenie dla pracy sondy ma przekrój poprzeczny rurek wznoszących i ich ilość. Małe średnice rur zewnętrznych (do 16 mm [13]) o jak najcieńszych ściankach (np. 1 mm) zapewniają dobrą wymianę ciepła. Przeprowadzone badania wskazują, że powinno ich być jak najwięcej (6÷12) [13]. Zwiększenie liczby rurek powoduje zwiększenie powierzchni wymiany ciepła z gruntem, lepszy 37 klimatyzacja go wymiennika w końcowym efekcie mogą zapewnić znaczącą poprawę efektywności gruntowej pompy ciepła. Niestety na przeszkodzie do rozpowszechnienia tego typu rozwiązania stoją koszty odwiertu i wykonania samej sondy [18]. Rys. 4. Porównanie wymiany ciepła między TIL a U-rurą [7, 13]. Kolorem niebieskim oznaczono profil temperatury czynnika w rurze opadowej, kolorem zielonym w rurze wznoszącej, kolorem czerwonym temperaturę gruntu (+8°C), kolorem czarnym – średnią temperaturę czynnika w całym wymienniku kontakt ze ścianami odwiertu i daje możliwość zmniejszenia natężenia przepływu czynnika roboczego (0,9 m3/h = 0,25 l/s) [12]. Uzyskiwane różnice temperatury czynnika roboczego na wlocie i wylocie z wymiennika TIL to ΔT = 6 K [12]! Na rysunku 4. przedstawiono przykładowy rozkład temperatury czynnika roboczego w sondzie typu U-rura i sondzie typu TIL [7]. Dla U-rury jak i TIL założono stałą temperaturę. W TIL temperatura czynnika roboczego pozostaje stała w rurze centralnej (izolacja), a wzrasta w rurkach wznoszących, podczas gdy w U-rurze temperatura czynnika wzrasta w rurach wznoszącej i opadającej. Strzałkami zaznaczona jest „sterująca” procesem wymiany ciepła różnica temperatury, która dla TIL jest o 30% wyższa niż dla wymiennika typu U [12]. W wyniku przeprowadzonych badań ustalono, że opór cieplny TIL wynosi Rbh = 0,045 Km/W, a dla U-rury uzyskano Rbh = 0,14 Km/W, co oznacza 30% spadek oporu cieplnego, a ogólne polepszenie działania ocenia się na około 70%. Wraz ze wzrostem ilości rur zewnętrznych, zmniejsza się spadek ciśnienia czynnika roboczego owocujący nawet 10-krotnym zmniejszeniu mocy pompy czynnika roboczego [12]. Można zauważyć, że wymienniki o mniejszym oporze cieplnym zapewniają wyższą temperaturą w okresie zimowym a niższą w okresie letnim. Dzieje się tak dlatego, że tego typu wymienniki są bardziej „związane” z temperaturą gruntu [18]. Wszystkie pozytywne czynniki i zalety konstrukcyjne takie- Rys. 5. Kapsuła energii (Green Collector) [11] 38 Sonda typu „kapsuła energii” Ciekawym rozwiązaniem poboru energii z gruntu jest tzw. Kapsuła Energii (Energy Capsule). Jest to opatentowany produkt firmy Pemtec [11], która promuje go pod nazwą Green Collector [11]. W wywierconym otworze pod wymiennik umieszczany jest rękaw z folii PE (grubość 4 mm) zakończony ciężarkiem, którego długość odpowiada głębokości odwiertu. Następnie wnętrze rękawa jest wypełniane płynem np. wodą, w celu uzyskania odpowiedniego nadciśnienia w stosunku do ciśnienia panującego w gruncie. Wypełniająca woda powoduje też odkształcenie rękawa i gwarantuje doskonałe przyleganie folii do ścian odwiertu. Preferowanym podłożem do tego typu rozwiązania jest twarda jednolita skała, tak aby rękaw mógł dobrze przylegać do ściany odwiertu. Cienkie ściany rękawa zapewniają dobrą wymianę ciepła między gruntem a wodą. Poziom napełnienia rękawa jest taki, aby uzyskać odpowiednie nadciśnienie (około 1 bara) i zależy od rodzaju i gęstości płynu wypełniającego rękaw. Przy wyższych wartościach może dojść do przerwania struktury rękawa. Ostatecznie przy pomocy kolejnego ciężaru umieszcza się w rękawie rury wymiennika [11]. Jeżeli płynem wypełniającym rękaw jest woda, istnieje ryzyko jej zamarznięcia. Ryzyko zamarznięcia jest zdeterminowane przez najniższą temperaturę czynnika roboczego w sondzie i temperaturę parowania czynnika w parowaczu pompy ciepła. Pomimo tego niebezpieczeństwa woda jest najczęściej stosowanym płynem do wypełnienia: Jest tańszym materiałem wypełniającym niż inne czynniki pośredniczące, np. bentonit czy cement. Spełnia też taką samą funkcję jak typowe wypełnienie: chroni instalację przed wnikaniem wody z gruntu, wyciekiem czynnika roboczego do gruntu oraz zabezpiecza odwiert przed zawaleniem [11]. Wymiennik typu kapsuła energii doczekał się też wielu modyfikacji, np. zamiast sondy typu U do rękawa wprowadzono wymiennik współosiowy [8]. Trapezoidalny wymiennik gruntowy Główną ideą konstrukcyjną sondy trapezoidalnej było stworzenie takiego CBHE, aby wszystkie rury (zarówno wznoszące jak i opadające) stanowiły integralną całość, co pozwoliłoby uprościć proces instalacji. Kształt trapezoidalny kanałów zewnętrznych wpływa na poprawę wymiany ciepła z gruntem (rys. 6.) i umożliwia zwarte połączenie z rurą wewnętrzną [1]. W celu ograniczenia zjawiska bocznego efektu cieplnego w niektórych rozwiązaniach zaproponowano zastosowanie izolacji rury cen- Rys. 6. Wymiennik trapezoidalny [1] 4/2014 klimatyzacja LITERATURA: [1] J. ACUNA: Improvements of U-pipe Borehole Heat Exchangers. KTH School of Industrial Engineering and Management. Sztokholm (Szwecja). 2010. [2] J. ACUNA, B. PALM: First experiences with coaxial borehole heat exchangers. IIR Conference on Sources/ Rys. 8. Rura wewnętrznie ryflowana [22] Sinks alternative to the outside Air for HPs and AC techniques. Padua, Rys. 7. Modyfikacja wlotu i wylotu sondy gruntowej tralnej oraz ograniczenie powierzchni kontaktu między rurami opadowymi a rurą wznoszącą (rury zewnętrzne nie przylegają do rury centralnej na całym obwodzie). Szczegółowe badania trapezoidalnego CBHE zanurzonego w wodzie wykazały, że opór cieplny sondy (0,15 Km/W) ma zbliżoną wartość jak dla U-rury (0,12 Km/W), jeżeli sonda zostanie umieszczona w odwiercie niecentralnie. Centralne umieszczenie pogarsza wartość oporu cieplnego sondy (0,18 Km/W [1]). Różnica temperatury czynnika między wlotem a wylotem wynosi ΔT = 3,5÷ 4,0 K [1]. Wynika to z faktu, że wtedy uzyskuje się wyższe temperatury poza odwiertem sondy [1]. Ewidentne korzyści w zastosowaniu sondy trapezoidalnej przejawia się w mniejszych spadkach ciśnienia czynnika roboczego (pompa o mniejszej mocy, mniejsze koszty). Analiza spadków ciśnień U-rury i TCBHE wykazała, że przy tych samych strumieniach objętościowych czynnika roboczego, trapezoidalny wymiennik wykazywał 65% mniejszy spadek ciśnienia niż tradycyjna U-rura [1]. Producent sond trapezoidalnych o nazwie Refla, firma TTG podaje w katalogu produktu, że prędkość przepływu czynnika roboczego jest wyższa niż w wymiennikach U-rurowych (0,7÷1,2 l/s) [1]. Propozycje modyfikacji konstrukcyjnych sond gruntowych Bazując na wieloletnim doświadczeniu w budowie i instalowaniu sond gruntowych do pomp ciepła, firma NANOTEL [4] zaproponowała modyfikacje konstrukcyjne sond typu U-rura, które jak wynika z przeprowadzonych badań użytkowych poprawiają wymianę ciepła z gruntem. Z przeprowadzonej w artykule analizy wynika, że najistotniejszym parametrem wpływającym na wartość przyrostu temperatury ΔT czynnika roboczego w sondzie jest rodzaj przepływu w ramionach sondy (laminarny, turbulentny). Z punktu widzenia termodynamiki i istnienia efektu bocznego wymiany ciepła, wskazane byłoby, aby ogrzany czynnik roboczy (dolne odcinki rury powrotnej) nie oddawał ciepła napływającemu czynnikowi zimnemu w rurze napływowej i nie obniżał również swojej www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl temperatury w wymianie ciepła z gruntem o temperaturze niższej (wyższe warstwy gruntu). W idealnych warunkach proponuje się (pkt 2) zastosowanie izolacji jednej z rur. Podobny efekt można osiągnąć, modyfikując rodzaj przepływu w ramionach sondy (sondy współosiowe wielorurowe lub trapezoidalne). W celu modyfikacji przepływu, w omawianym rozwiązaniu zaproponowano zróżnicowanie kształtu wlotu i wylotu czynnika do/z rury sondy (rys. 7.). Na wlocie zastosowano dodatkowe kolanko zwiększające turbulizację przepływu. Rysunek przedstawia modyfikacje wlotu i wylotu rur sondy. Ta prosta modyfikacja konstrukcyjna daje przyrost temperatury czynnika ΔT = 4,5 K przy natężeniu przepływu V = 7,507·10-4 m3/s [4]. Przy klasycznym kształcie wlotu i wylotu (rys. 1.) dla tych parametrów uzyskiwano ΔT = 3,5 K. Kolejna modyfikacja konstrukcji sondy to zastosowanie rury wewnętrznie ryflowanej (rys. 8.). Zastosowanie rury wewnętrznie ryflowanej powoduje korzystne zawirowania strumienia czynnika roboczego podczas jej przepływu w obrębie rury i uzyskanie przepływu burzliwego. Turbulizacja przepływu korzystnie wpływa na pobór ciepła i równomierny rozkład temperatury. W porównaniu z rurą gładką, gdzie na krawędziach rury temperatura jest wyraźnie wyższa niż w osi. W rurze ryflowanej profil rozkładu temperatury jest równomierny przy jednocześnie wyższej wartości ΔT [22]. Ze względu na większą różnicę temperatury na ściance i w całej długości rury, sonda gruntowa pobierze więcej ciepła z gruntu niż rura gładka w warunkach przepływu laminarnego. Maksymalne rozsunięcie rur sondy w otworze odwiertu daje średni przyrost wartości ΔT o kolejny 1 K. Italy. April 5–7, 2011. [3] Baza danych geologiczno-inżynierskich wraz z opracowaniem atlasu geologiczno-inżynierskiego aglomeracji wrocławskiej. Ministerstwo Środowiska Rzeczpospolita Polska. Wrocław. Maj 2009. [4] B. BIAŁKO: System pompy ciepła współpracującej z dolnym źródłem ciepła o nazwie Źródło Ciepła i Chłodu ZCC Nanoterm. Wrocław 2011. [5] http://www.renovationexperts.com/ geothermal-heat-pumps. asp. [6] Information for Evaluating Geoexchage Applications. Geothermal Heat Pump Consortium for New York State Energy Research and Development Authority(NYSERDA). 07/2007. [7] Geotrainet training manual for designers of shallow geothermal systems. Wykonano w ramach projektu “Geo – Education for asustainable geothermal heating and cooling market. GEOTRAINET. EFG. Brussels 2011. [8] F. GUILLAUME: Analysis of a Novel Pipe in Pipe Coaxial Borehole Heat Exchanger. KTH School of Industrial Engineering and Management. Sonda o zmiennej średnicy Kolejna modyfikacja (chroniona zgłoszeniem patentowym nr P.402615) to zastosowanie sondy o zmiennej średnicy rur (rys. 9b). Korzystając z opracowanych modeli termodynamiczno-przepływowych sondy gruntowej [16], zaprojektowano i przeprowadzono analizę porównawczą parametrów termodynamicznych oraz hydraulicznych sondy współosiowej, sondy typu U i sondy o zmiennej średnicy rur. a) Sztokholm (Szwecja). 2011. [9] http://www.intelligentheatandpower.com [10] http://www.heatflow.und.edu/ index2.html [11] www.pemtec.se b) Rys. 9. a) klasyczna U-rura; b) zmodyfikowana U-rura 39 klimatyzacja [12] P. PLATELL: Developing work on Tabela 2. Typoszereg analizowanych rur HDPE 100 SDR 11 [20, 22] Średnica zewnętrzna Grubość ścianki Lp. gi ∙ 10 -3, [m] di ∙ 10 -3, [m] 1 20 2 2 25 2,3 3 32 3,0 4 40 3,7 5 50 4,6 6 63 5,8 7 75 6,8 ground heat exchangers. The Tenth International Conference on Thermal Energy Storage ECOSTOCK Atlantic City US. 2006. [13] J. LJUNGQVIST, T. VOGEL, L. NIELSEN: A new innovative Ground Heat Exchanger for heating, cooling and energy storage. REHVA Journal. 1/2013. [14] M. RUBIK: Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej. MULTIKO Oficyna Wydawnicza. Warszawa 2011. Rys. 10. Przekrój poprzeczny projektowanego wymiennika [15] S. SANAYE: Horizontal ground coupled heat pump: Thermaleconomic modeling and optimization. Energy Conversion and Management vol. 51 issue. 12 December, 2010. [16] S. SANDLER: Projekt pompy ciepła z pionowym, gruntowym wymiennikiem ciepła do ogrzewania domu jednorodzinnego. Praca dyplomowa stopnia inżynierskiego. Politechnika Wrocławska. Wrocław 2013. [17] http://www.totalgreenus.com [18] M. WAJMAN: Technical and economical analysis of ground source heat pump systems with BHE in Poland. KTH School of Industrial Engineering and Management. Sztokholm (Szwecja). 2011. [19] M. WAJMAN: Współczesne rozwiązania konstrukcyjne pionowych sond gruntowych dla sprężarkowych pomp ciepła. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna. 2/2012. [20] http://wavin.home.pl/cennik/#PE-X [21] http://www.muovitech.pl/ [22] Katalog rur HDPE www.aqua.lublin. pl/cenniki/Cennik%20na%20rury%20HDPE.pdf W projektowanych sondach założono te same warunki geologiczne [3], użyto tych samych materiałów konstrukcyjnych wymiennika (niskociśnieniowy polietylen HDPE 100 SDR 11) [20, 22] i założono wymiary geometryczne odwiertu: długość L = 30 m i średnica odwiertu D = 0,22 m. Czynnikiem pośredniczącym jest glikol propylenowy o stężeniu 40%. Optymalną prędkość wlotową założono na poziomie 0,5 m/s [11]. Wybrano materiał wypełniający charakteryzujący się dużym współczynnikiem przewodzenia ciepła – RAUGEO therm 2.0. Celem obliczeń termodynamicznych było wyznaczenie takich parametrów sondy, aby strumień ciepła pobierany z metra długości wymiennika był maksymalny. Porównano sondy o różnych średnicach rur oraz różnym masowym natężeniu przepływu glikolu mf [15, 16]. Obliczenia hydrauliczne posłużą do wyznaczeniu takich parametrów sondy, przy których spadek ciśnienia spowodowany oporami przepływu będzie minimalny. Dokonano obliczeń oporu cieplnego sondy, jednostkowego strumienia ciepła sondy qs oraz różnicy temperatury czynnika pośredniczącego ∆tf, w zależności od strumienia masowego mf i geometrii wymiennika. Celem obliczeń hydraulicznych było zbadanie zależności wysokości podnoszenia pompy (strat ciśnienia w instalacji) od parametrów konstrukcyjnych wymiennika oraz masowego natężenia przepływu czynnika mf. Przeanalizowane zostały rury z typoszeregu HDPE 100 SDR 11 zgodnie z równaniami: qs = f(mf, di, gi, d7, g7, nk, nd) Hp = f(mf, di, gi, d7, g7, nk, nd) Rys. 11. Jednostkowa moc cieplna zmodyfikowanej U-rury qs oraz sondy pierścieniowej (indeks k) w funkcji masowego natężenia przepływu mf 40 gdzie: mf = 0,6 kg/s – masowe natężenie przepływu glikolu, di – średnica rury, gi – grubości ścianki, nk = 2 – liczba kolan, nd = 1 – liczba dyfuzorów. Specyfikacja analizowanych rur znajduje się w tabeli 2., a wybrane parametry porównawcze przedstawiono na rysunku 11. i 12. Porównanie projektowanej sondy pierścieniowej z analizowanymi U-rurami wykazało, że wymiennik pierścieniowy charakteryzuje się mniejszą jednostkową mocą cieplną i dużo mniejszymi spadkami ciśnień w stosunku do wymienników typu U. Modyfikacja konstrukcji U-rury w sensie termodynamicznym powoduje niewielki przyrost jednostkowej mocy cieplnej w stosunku do klasycznej U-rury. Dzieje się tak, ponieważ mniejszy współczynnik wnikania ciepła do rury o dużej średnicy (spowodowany małą prędkością przepływu w tej rurze) jest kompensowany większą powierzchnią wnikania ciepła w stosunku do ramienia o małej średnicy. Jednak pod względem hydraulicznym, zmodyfikowana U-rura charakteryzuje się istotnie mniejszymi spadkami ciśnień. Wnioski Problematykę pozyskania ciepła z gruntu w żadnym wypadku nie można uznać za całkowicie rozwiązaną. Wielkości natężenia przepływu, oporu cieplnego sondy, oporu hydraulicznego i temperatury wylotowej czynnika roboczego są ze sobą ścisłe powiązane a ich prawidłowe dobranie jest typowym zadaniem optymalizacyjnym, wpływającym bezpośrednio na wartość współczynnika COP pompy ciepła. Ilość typów i odmian konstrukcyjnych sond pionowych wskazuje, że jak dotychczas nie znaleziono jednego optymalnego rozwiązania. Jak wynika też z omówionego przykładu proste rozwiązania są też bardzo skuteczne. Rys. 12. Wysokość podnoszenia pompy Hp wymienników typu U-rura oraz sondy pierścieniowej (indeks k) w funkcji masowego natężenia przepływu mf 4/2014
