Výsledky ověřování horizontálního zemního výměníku

Autoři se zabývají problematikou vodorovných (ležatých) tepelných výměníků pro tepelná čerpadla typu země-voda. Ve svém příspěvku vyhodnocují skutečný experiment primárního výměníku s ověřováním hodnot, které mají velkou důležitost pro jejich správný návrh.

Recenzent: Richard Valoušek

Úvod

Zdroji energie pro tepelná čerpadla, nejméně závislými na denních výkyvech teplot vzduchu, jsou vertikální (svislé) a horizontální (vodorovné – ležaté) tepelné výměníky uložené v horninovém, respektive zemním masivu. Hodnota tepelného toku, získaného výměníkem, je vždy dána hmotnostním tokem teplonosné látky ve výměníku a rozdílem teplot zemního masivu a teplonosné látky. Zvýšení tepelného toku, získaného ze zemního masivu, umožní snížit teplosměnné plochy výměníku a tedy i náklady na realizaci energetického systému. V případě horizontálních zemních výměníků umožní rovněž snížit plochu pozemku potřebnou pro instalaci výměníku, která bývá často limitujícím faktorem realizace.

Cílem našeho měření bylo zjištění teplot v zemním masivu s lineárním horizontálním tepelným výměníkem, využívaným jako zdroj tepla pro tepelné čerpadlo, a analyzovat jejich změny v průběhu roku. Dále pak stanovit měrné tepelné výkony, odváděné ze zemního masivu v topném období, a analyzovat možnosti jejich zvýšení.

Problematice horizontálních zemních výměníků se věnovali ve Výzkumném centru pro energii a životní prostředí v Lecce (Congedo et al 2012). Ověřovali horizontální zemní výměníky ve 3 konfiguracích, lineární, šroubovité a typu slinky. Na obr. 1 jsou uvedena schémata horizontálního zemního výměníku typu slinky (a), výměníku šroubovitého (b) a lineárního (c). Ve výměníku typu slinky leží smyčky vytvořené z trubky ve vodorovné rovině x – y. Rozměry tohoto výměníku ve vertikální ose z jsou zanedbatelné. Délka výměníku L je dána rozměrem v ose x, tedy ose výkopu. Šroubovitý výměník připomíná válcovou pružinu, jejíž hlavní osa má horizontální směr. Potrubí vytváří šroubovici. Jednotlivé smyčky šroubovice leží v horizontální rovině x – y.

Trubky výměníků bývají, v závislosti na tepelných charakteristikách zemního masivu, uloženy v hloubce H = 1,0 až 2,0 m. Průměry vinutí šroubovitých a slinky výměníku se pohybují v rozmezí D = 0,5 až 2,0 m a stoupání S = 0,1 až 0,5 m. U lineárních výměníků bývá rozteč S až 1,5 m.

V celoročním provozu byly sledovány teploty zemního masivu a tepelné toky odvedené výměníkem. Výsledky ukázaly, že nejdůležitějšími parametry, z hlediska tepelného toku odvedeného zemnímu masivu, je součinitel tepelné vodivosti masivu a rychlost proudění teplonosné kapaliny v trubkách výměníku. Hloubka uložení výměníku v zemním masivu nehrála důležitou roli. Z hlediska geometrie uspořádání byl nejlépe hodnocen šroubovitý horizontální ­výměník.

Výzkumnými pracovníky univerzity v Hokkaido (Tarnawski et al. 2009) byl ověřován horizontální zemní výměník pro vytápění (5,5 kW) a chlazení (3,3 kW). Při ověřování, byla prokázána nízká tepelná degradace zemního masivu v průběhu topného období a následné zvýšení energetického potenciálu zemního masivu při reverzibilním provozu tepelného čerpadla v letním období.

Metody měření

Naše měření se uskutečnilo v areálu firmy VESKOM spol. s r.o. v Praze 10 – Dolní Měcholupy na jejím experimentálním pracovišti.

Horizontální zemní lineární výměník byl vyroben z polyetylenového potrubí PE 100RC 40 x 3,7 mm, které není uloženo do pískového lože. Potrubí výměníku o celkové délce 335 m je instalováno v hloubce 1,8 m ve 3 smyčkách s roztečí S = 1 m. Délka jednotlivých smyček činila L = 54,62 m. Zemní masiv do hloubky přibližně 2 m tvoří tmavě hnědá písčito­hlinitá půda, hrubozrnný štěrk, kamenná drť a úlomky cihel. Teplonosnou kapalinou, protékající výměníkem, je směs 33 % etylalkoholu a 67 % vody. ­Čidla pro měření teplot zemního masivu byla instalována v rovině kolmé k potrubí výměníku ve vzdálenosti 5 m od jeho počátku. Schéma umístění teplotních čidel je uvedeno na obr. 2.

Na obr. 2 je:

• t_z – teplotní čidlo umístěné v hloubce 1,8 m u potrubí směřujícího k výparníku tepelného čerpadla;
• t_p – teplotní čidlo umístěné v hloubce 1,8 m u potrubí směřujícího od výparníku tepelného čerpadla;
• t_z02; t_p02 – teplotní čidla umístěná v hloubce 0,2 m nad potrubími.

Teploty zemního masivu byly zaznamenávány ve čtvrthodinových intervalech. Teploty okolního prostředí t_e byly měřeny ve výšce 3 m nad povrchem půdy a ve vzdálenosti 20 m od horizontálního zemního výměníku, měřen byl i celkový tepelný tok přiváděný na výparník tepelného čerpadla.

Výsledky sledování a diskuze

Teploty zemního masivu

Měření probíhalo v období 1. 3. 2011 až 29. 2. 2012. Průměrné teploty zemního masivu mezi 15:00 a 16:00 jsou uvedeny na obr. 3. Maximální rozdíly teplot zemního masivu t_p – t_z byly 1,5 K a t_p02 – t_z02 jen 1,05 K. V diagramu na obr. 2 proto uvádíme jen průběhy teplot t_z02 a t_z. Průběh teploty t_z02 v hloubce 0,2 m pod povrchem reaguje pouze s malým zpožděním na teploty vzduchu t_e nad zemním masivem. Větší zpoždění a menší reakce na okolní teplotu vzduchu se projevují u teploty t_z v hloubce 1,8 m. Ve srovnání s amplitudou teploty vzduchu klesají, vlivem nízké hodnoty součinitele tepelné vodivosti a vysoké měrné tepelné kapacitě zemního masivu, amplitudy změny teploty zemního masivu s jeho hloubkou. Tato obecně známá skutečnost platí i při odvádění tepelného toku zemnímu masivu instalovaným výměníkem.

Průběh teploty t_z, zemního masivu v hloubce 1,8 m lze rozdělit do tří fází.

• Ve fázi A probíhá zvyšování teploty zemního masivu na konci topného období 2010 až 2011. Tato fáze probíhala v období od 12. 3. 2011 do 16. 6. 2011 (97 dní). Teploty zemního masivu se v tomto časovém úseku nepřetržitě zvyšovaly z 3,78 °C na téměř 14,0 °C.
• Fáze B, režimu teplot v zemním masivu, probíhá v letním období při stagnaci zemního výměníku od 17. 6. 2011 do 7. 9. 2011 (82 dní). Teplota zemního masivu se v tomto časovém úseku pohybuje v rozmezí 14,2 až 17,3 °C.
• Poslední, fáze C, probíhá na počátku a v průběhu topného období od 8. 9. 2011 do 27. 2. 2012 (174 dní). Teplota zemního masivu postupně klesá z 17,1 °C na hodnotu 3,5 °C. V oblasti výměníku dosáhla v průběhu topného období minimální hodnoty 1,76 °C.

Z hlediska energetického potenciálu zemního masivu a životnosti celého systému je důležité porovnání počátečních a konečných teplot zemního masivu t_z v oblasti výměníku v několika topných obdobích.

Uvedené rozdíly teplot ukazují, že lze zemní masiv za daných klimatických podmínek a jímaného množství tepla považovat za velmi stabilní zdroj energie pro tepelné čerpadlo. Tento závěr odpovídá i výsledkům ověřování horizontálního zemního výměníku prof. Tarnawskim (2009) a rovněž našemu ověřování v lokalitě Jižní Čechy (Adamovský et al. 2010).

Měrné tepelné výkony zemního výměníku

Měrné tepelné výkony zemního výměníku byly stanoveny na základě měření objemového toku a rozdílu teplot teplonosné kapaliny na vstupu t₁ a výstupu t₂ ze zemního výměníku. Oběhové čerpadlo teplonosné kapaliny pracovalo ve dvou stupních při 0,3 m³/h a 0,75 m³/h. Termodynamické veličiny potřebné pro výpočty byly stanoveny s využitím literatury (Jahoda et al. 2010). Příklad průběhu měrných tepelných toků q v typickém dnu topného období, 6. 2. 2012, je uveden na obr. 4.

Z obr. 4 je patrné, že tepelný výkon zemního výměníku odpovídá pracovní době ve výrobních halách a kancelářích. V časových úsecích 5:24 až 5:54 a 21:39 až 22:54 pracovalo oběhové čerpadlo výměníku v nižším stupni. Měrný tepelný výkon q výměníku se pohyboval v rozmezí 2,79 až 3,56 W/m. Od 16:09 do 21:09 se výrazně snižuje rozdíl teploty teplonosné kapaliny přiváděné (t₂) a odváděné (t₁) z výparníku tepelného čerpadla. Tepelné čerpadlo zřejmě nebylo v tomto časovém úseku vůbec v provozu. V době špičkového provozu mezi 6:09 až 14:39 pracovalo oběhové čerpadlo výměníku ve vyšším stupni a měrné tepelné toky q se pohybovaly v rozmezí 7,85 až 11,5 W/m, což odpovídá celkovému tepelnému výkonu 2,63 až 3,85 kW. Stanovené měrné tepelné toky odpovídají hodnotám uváděným v literatuře (Brandl 2006).

Faktory ovlivňující výkon zemního výměníku

Hlavními vnějšími faktory ovlivňujícími sdílení tepla v zemním masivu s horizontálním výměníkem jsou tepelné charakteristiky masivu, především součinitel tepelné vodivosti l_z (Congedo et al. 2012). Ten je ovlivněn zejména vlhkostí masivu, hustotou, zhutněním, podílem jílu, podzemní a povrchovou vodou. Proces sdílení tepla mohou ovlivnit i parametry výměníku, hloubka a rozteč potrubí výměníku, jeho průměr a rychlost proudění teplonosné kapaliny.

Proces sdílení tepla v zemním masivu s horizontálním zemním výměníkem lze zjednodušeně hodnotit výší tepelného odporu zemního masivu R_z mezi podél sebe vedoucími trubkami výměníku respektujícího uvedené tři hlavní parametry výměníku a také součinitel tepelné vodivosti zemního masivu l_z. Při stanovení kondukce (vedení) tepla poloohraničeným masivem s řadou trubek je vhodné použít metody zdrojů a principu superpozice teplotních polí popsanou v literatuře (Šorin 1968). Při použití této metody se předpokládá, že teplotní pole, vytvořená zdroji nebo odběry tepla, a okrajovou podmínku pro přestup tepla na povrchu zemního masivu lze vyjádřit lineárními diferenciálními rovnicemi. Pak tepelný odpor zemního masivu R_z můžeme vypočítat z rovnice:

V rovnici (1) je:

• l _z – součinitel tepelné vodivosti zemního masivu [W/m·K];
• d₂ – vnější průměr trubek zemního výměníku [m];
• h – hloubka uložení trubek zemního výměníku [m];
• s – rozteč trubek zemního výměníku [m].

Čím nižší je hodnota tepelného odporu R_z, tím vyšší je tepelný tok sdílený v zemním masivu. Z rovnice (1) vyplývá, že s nárůstem hodnoty součinitele tepelné vodivosti klesá hodnota tepelného odporu R_z. Hodnota součinitele tepelné vodivosti se zvyšuje s vlhkostí zemního masivu. Proto je tepelný výkon získaný v topném období ze suchého zemního masivu o 16 až 25 % nižší než ze stejného masivu obsahujícího vodu. Uvažujeme-li součinitel tepelné vodivosti zemního masivu l = 1,7 W/m·K, bude při parametrech ověřovaného zemního výměníku (h = 1,8 m; s = 1,0 m; d₂ = 0,04 m) hodnota tepelného odporu zemního masivu R_z:

Zvýšení hloubky uložení potrubí výměníku by způsobilo zvýšení tepelného odporu zemního masivu a zvýšení rozteče potrubí nebo jeho průměru by vedlo k jeho snížení.

Pro suchý zemní masiv je součinitel tepelné vodivosti l = 0,7–1,0 W/m·K. Naopak pro zemní masiv s obsahem vody větším než 20 % je součinitel l = 2,5 až 2,9 W/m. Hodnota tepelného odporu se tedy u suchého zemního masivu při parametrech ověřovaného zemního výměníku bude pohybovat v rozmezí R_z = 2,13 až 3,04 m·K/W a u masivu s větším obsahem vody R_z = 0,73 až 0,85 m·K/W.

Veličinou limitující efekt zemního výměníku může být součinitel přestupu tepla amezi vnitřní stěnou potrubí výměníku a proudící teplonosnou kapalinou. Teplonosnou kapalinu tvoří většinou směs vody a glycerinu, polypropylenglykolu, etylenglykolu nebo jako v našem případě etylalkoholu. Tato směs má vysokou kinematickou viskozitu a v potrubí výměníku nedosáhneme turbulentního proudění. Součinitel přestupu tepla a, závislý na rychlosti proudění teplonosné kapaliny w, je vždy u turbulentního proudění vyšší než u proudění laminárního.

Pro ověřovaný zemní výměník jsme výpočtem stanovili součinitel přestupu tepla a = 47,62 W/m²·K pro první stupeň provozu oběhového čerpadla a a = 50,58 W/m²·K pro stupeň druhý. Při dosažení turbulentního proudění bychom dosáhli řádově vyššího součinitele přestupu tepla. Vliv turbulentního proudění však nelze přeceňovat. Dosažení turbulentního proudění pro nemrznoucí teplonosné kapaliny vyvolává výrazné zvýšení výkonu oběhových čerpadel, a tedy snížení energetického efektu celého systému. Jen celková energetická a ekonomická analýza může prokázat efektivnost dosažení turbulentního proudění v potrubí zemního výměníku.

Ověřování horizontálního zemního výměníku se uskutečnilo v rámci výzkumného projektu CIGA České zemědělské univerzity v Praze reg. č. 20113003 s názvem „Teplotní pole a tepelné toky v zemním masivu s tepelným výměníkem“.

Literatura

[1] ADAMOVSKÝ, R.; NEUBERGER, P.; ŠEĎOVÁ, M., 2010. Influence of drawing energy from the soil mass to its temperature. In: Czech University of Life Sciences Prague (ed.), Trends in Agricultural Engineering 2010, 48–52.
[2] BRANDL, H., 2006. Energy foundations and other thermo-active ground structures. Geótechnique, 56/2, 81–122.
[3] CONGEDO, P. M.; COLANGELO, G.; STARACE, G., 2012. CFD simulations of horizontal ground heat exchangers: A comparison among different configurations. Applied Thermal Engineering, 24–32, 33–34.
[4] JAHODA, M.; HOLEČEK, O.; SCHREIBEROVÁ, L., 2010. E – tabulky (E-Table) Available at http://www.vscht.cz/uci/e_tabulky/index.html (accessed May 2012)
[5] TARNAWSKI, V. R.; LEONG, W. H.; MOMOSE, T.; HAMADA, Y, 2009. Analysis of ground source heat pumps with horizontal ground heat exchangers for northern Japan. Renewable Energy, 34, 127–134.
[6] SAZIMA, M. a kol. Sdílení tepla. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1993. 720 s.
[7] ŠORIN, S. N. Sdílení tepla. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1968. 400 s.

---

The examination of horizontal ground heat exchanger

The article deals with evaluation of temperature in natural solid wood with horizontal heat exchanger as a source of heat used by heats pumps and their changes during the year. Further more, determination of specific heat discharged from the performance of the rock mass during the heating period and analyze the possibility of their increase.

Keywords: heat pump, solid land, heat flow, temperature, heating period