Zastosowanie cementu termicznego w odwiertach do pomp ciepła

Cement termiczny w odwiertach gruntowych pomp ciepła

Cement termiczny jest stosowany w odwiertach do pomp ciepła w celu szczelnego wypełnienia przestrzeni między rurami sondy a gruntem. Standardowo można w tym miejscu zastosować materiał o słabej przewodności cieplnej, jednak cement taki jak Hekoterm to specjalistyczne wypełnienie termiczne, którego deklarowana przewodność dochodzi do:

λ_Hekoterm = 2,0 W/(mK)

Dla porównania, zwykłe, słabo przewodzące mieszanki bentonitowe mogą mieć około:

λ_zwykłe = 0,8 W/(mK)

Hekoterm tworzy trwały kontakt pomiędzy sondą a górotworem, obniża opór cieplny odwiertu, zabezpiecza sondę i ogranicza mieszanie się wód z różnych warstw. Producent wskazuje również na odporność materiału na agresywne wody gruntowe.

Proste wyliczenie korzyści

Opór cieplny warstwy wypełniającej jest w uproszczeniu odwrotnie proporcjonalny do jej przewodności (R ~ 1/λ). Porównajmy obydwa materiały:

R_Hekoterm / R_zwykłe = 0,8 / 2,0 = 0,40

Oznacza to, że przy tej samej geometrii odwiertu opór cieplny samego wypełnienia może być niższy o około 60%. W drugą stronę – zdolność przewodzenia ciepła przez warstwę wypełniającą wzrasta teoretycznie:

2,0 / 0,8 = 2,5, czyli nawet o: (2,5 - 1) * 100% = 150%.

Nie oznacza to jednak, że cały odwiert uzyska o 150% większą moc. Hekoterm poprawia tylko jeden z elementów na drodze przepływu ciepła:

grunt → Hekoterm → rura PE → glikol

Ile może zyskać cały odwiert?

Przyjmijmy dla łatwego zobrazowania, że w zwykłym odwiercie:

• 50% oporu tworzy wypełnienie,
• pozostałe 50% tworzą rury PE, płyn i geometria sondy.

Całkowity opór przyjmujemy jako 100 jednostek:

R_całkowity = 50 + 50 = 100

Hekoterm zmniejsza opór wypełnienia do 40% poprzedniej wartości:

50 * 0,40 = 20

Nowy opór całego odwiertu wyniesie:

R_nowy = 50 + 20 = 70

Ponieważ moc wymiany ciepła jest odwrotnie proporcjonalna do oporu:

q_Hekoterm / q_zwykłe = 100 / 70 ≈ 1,43

W takim uproszczonym przykładzie odwiert może przekazywać około 43% więcej ciepła przy tej samej różnicy temperatur. Jeżeli udział wypełnienia w całkowitym oporze wynosi tylko 30%, poprawa całego odwiertu będzie mniejsza – wyniesie około 22%.

Dlatego uczciwie można powiedzieć:

Zastosowanie cementu termicznego może zmniejszyć opór samego wypełnienia o około 60%, a całego odwiertu – zależnie od jego konstrukcji – orientacyjnie od kilkunastu do około 30%. Może to przełożyć się na wzrost zdolności wymiany ciepła rzędu 20–40%. Są to wartości poglądowe, a nie gwarantowana moc konkretnego odwiertu. Rzeczywisty wynik zależy także od rodzaju gruntu, średnicy otworu, rozstawu rur i przepływu wód podziemnych.

Czy rura PE nie jest najsłabszym ogniwem?

Rura PE rzeczywiście ma niską przewodność:

λ_PE ≈ 0,4 W/(mK)

Nie przekreśla to jednak korzyści z Hekotermu. Ścianka rury ma zaledwie kilka milimetrów grubości, a w sondzie podwójnej U ciepło przepływa równolegle przez cztery ramiona. Warstwa wypełnienia jest znacznie grubsza i może stanowić dużą część całkowitego oporu. W wymienniku nie obowiązuje zasada, że poprawa innych elementów nic nie daje, dopóki w systemie pozostaje rura PE. Opory cieplne sumują się, dlatego obniżenie oporu wypełnienia realnie poprawia pracę całej sondy.

Co inwestor otrzymuje dzięki Hekotermowi?

Zastosowanie Hekotermu daje przede wszystkim:

• lepszy odbiór ciepła z górotworu,
• wyższą i stabilniejszą temperaturę glikolu,
• lepsze warunki pracy pompy ciepła,
• mniejsze ryzyko lokalnego wymrażania odwiertu,
• trwały kontakt sondy z gruntem bez pustek powietrznych,
• uszczelnienie i rozdzielenie warstw wodonośnych,
• ochronę rur przed punktowym obciążeniem,
• większą przewidywalność pracy dolnego źródła przez kolejne lata.

Brak wymogu zastosowania termocementu w uwagach geologa powiatowego nie oznacza, że zwykłe wypełnienie jest technicznie równoważne. Urząd ocenia przede wszystkim zgodność projektu i bezpieczeństwo środowiskowe. Wybór Hekotermu jest świadomym podniesieniem standardu wykonania dolnego źródła, którego po zakończeniu odwiertu praktycznie nie można już w żaden sposób poprawić.

Dokumentacja fotograficzna