Stosowane są dla odwiertów pionowych o głębokości od 50-300m. Zapewniają pozyskanie dużych ilości ciepła z małej powierzchni terenu dzięki bardzo dużej głębokości. Uzyskiwane temperatury w ciągu całego roku są relatywnie wyższe niż w przypadku innych źródeł ciepła. Szczególnie odczuwalne jest to w zimie, kiedy inne dolne źródła ciepła powodują spadek efektywności energetycznej pomp ciepła do 3 i mniej (wskaźnik COP). Sondy pionowe wykonywane są na ogół z rur PEX lub PE100 w układzie U-rurowym pojedynczym lub podwójnym. Układ pojedynczy posiada dwie rury (zasilenie i powrót), układ podwójny cztery rury, dwie rury zasilające i dwie powrotne. Z uwagi na małą ilość miejsca w otworze wiertniczym rury w dolnej części otworu zakończone są głowicą.
Fot. Sonda czterorurowa Raugeo PE100 (REHAU).
Fot. Sona dwu i czterorurowa (przekrój) z rur PEX (REHAU).
Fot. Różne warianty zakończeń sond pionowych
Rodzaje sond pionowych
Wymienniki gruntowe pionowe (GWP), mają różne rozwiązania techniczne. Najpopularniejsze są sondy U-rurowe z dwoma rurami zakończonymi głowicą. Wykonywane są na ogół z rur PE średnicy 40 lub 50mm. Popularne są też ich wersje double, z czterema rurami w otworze. W tym wypadku średnica rur wynosi max, 40mm, ale może też wynosić 4x32mm.
Rys. Różne typu wymienników gruntowych pionowych. A – wymiennik współosiowy (simple coaxial), B- wymiennik współosiowy wielorurowy (multitube coaxial), C- wymiennik U-rurowy pojedynczy (single U-tube, D- U-rurowy podwójny (double U-tube).
Wymienniki C i D pobierają ciepło z gruntu zarówno podczas przepływu cieczy roboczej w dół jak i do góry otworu. Wymienniki współosiowe pracują nieco inaczej. W tym wypadku schłodzona ciecz pobiera ciepło z gruntu podczas przepływu tylko w jedną stronę (zwykle z góry na dół).
Rys. Przykład pracy wymiennika typu U-rura i współosiowego.
Wewnętrzna rura zwrotna jest izolowana termicznie, aby uniknąć zwarcia między zasileniem i powrotem. Wymienniki współosiowe mogą być wykonane jako system rura w rurze, ale także jako układ wielorurowy, gdzie czynnik ogrzewany przepływa na dno otworu całym systemem rur o małej średnicy, a powraca na powierzchnię rurą środkową o dużej średnicy.
Fot. Sonda współosiowa wielorurowa.
Głowice sond posiadają stożkowe zakończenia ułatwiające montaż w otworze wiertniczym. Często ich budowa umożliwia montaż modułowy poprzez przyłączanie drugiego obiegu i rozbudowę sondy dwururowej w czterorurową. Każda głowica posiada dodatkowo zaczep do zamocowania obciążenia. Obciążnik jest niezbędnym elementem dla poprawnego umieszczenia sondy w głębokim otworze. Obciążniki wykonywane są jako ciężarki stalowe i ważą od kilku do kilkudziesięciu kilogramów. Obciążniki mocowane są do głowic za pomocą zaczepów lub dodatkowych płaskowników stalowych. Poniżej sposób montażu dla sond RAUGEO.
Kroki montażowe
1. Płaskownik umieszczamy w wyżłobieniu głowicy
Głowice sond posiadają stożkowe zakończenia ułatwiające montaż w otworze wiertniczym. Często ich budowa umożliwia montaż modułowy poprzez przyłączanie drugiego obiegu i rozbudowę sondy dwururowej w czterorurową. Każda głowica posiada dodatkowo zaczep do zamocowania obciążenia.
Fot. Płaskownik do montażu obciążnika, dwie śruby montażowe i kołek rozprężny.
Kroki montażowe
1. Płaskownik umieszczamy w wyżłobieniu głowicy
2. Zakładamy drugą część głowicy (systemy czterorurowe) lub od razu skręcamy śrubami z głowicą.
3. Trzpień płaskownika umieszczamy w obciążniku.
4. Blokujemy obciążnik wbijając w otwór montażowy kołek rozprężny.
W systemach czterorurowych często wykorzystywanym elementem jest dystansownik (fot. u dołu) zapewniający jednakowy odstęp od rur na całej wysokości sondy. Dystansowniki ustawiamy średnio co 2m.Otwór środkowy w dystansie umożliwia wprowadzenie rury napełniającej. Rura napełniająca jest wprowadzana do otworu jako trzecia w systemach dwururowych lub piąta w systemach czterorurowych i służy do wypełnienia otworu (przestrzeni między rurami a otworem) specjalnym materiałem przewodzącym odpornym na zamarzanie zgodnie z DIN 52104-A.
Turbo Collector – rozwiązanie firmy MovieTech stanowi innowację pod względem budowy samej rury sondy. Typowe sondy gruntowe mają rury PE gładkie, przy małej prędkości przepływu czynnika występuje w nich przepływ laminarny. Wymiana ciepła przy takim przepływie zachodzi głównie przy ścianie zewnętrznej sondy i ma ograniczony zasięg. Sondy Turbo posiadają wewnętrzny gwint zapewniający burzliwy przepływ czynnika. Powoduje to znacznie lepszą wymianę ciepła pomiędzy sondą i gruntem, zwiększający nawet o 20% wydajność cieplną układu. Pozwala to na zaoszczędzenie na długości sondy, tym samym obniżenie kosztu odwiertów. Sondy turbo wykonywane są jako dwu i czterorurowe o średnicach rur 32 lub 40mm. Jak tez w szeregach ciśnieniowych PN10, PN12,5 i PN16.
Na poniższym wykresie przestawiam porównanie testów TRT dla sondy gładkiej i typu turbo.