Expanzní objem v primárním okruhu TČ země-voda a riziko imploze

Úvod

Cílem tohoto článku je upozornit na odlišné vlastnosti vody a nemrznoucí kapaliny, ze kterých vyplývá potřeba se touto problematikou u primárnícíh okruhů tepelných čerpadel země-voda s vrty nebo zemními kolektory zabývat. Návrh expanzní nádoby pro primární okruh TČ země-voda musí vycházet z vlastností nemrznoucí kapaliny a nelze použít podklady založené na využití otopné vody. Uvedené příklady výpočtů jsou základní a je v nich zahrnuta technická nepřesnost. Teplotní objemová roztažnost kapalin totiž není konstantní a v přesných výpočtech by bylo nutné tento fakt zohlednit.

Objem primárního okruhu

Objem primárního okruhu tepelného čerpadla země-voda je tvořen objemem sondy vložené do vrtu nebo potrubích okruhů v zemním kolektoru, objemem potrubí mezi vrtem či kolektorem a tepelným čerpadlem, objemem výparníku, cirkulačního čerpadla, filtru a případně rozdělovače a sběrače. Tento objem lze považovat za prakticky neměnný, konstantní.

Ke změně objemu primárního okruhu může dojít v případě, že TČ bylo provozováno s nedostatečně dimenzovaným vrtem, který vymrzl a provozovatel se rozhodl toto vyřešit zhotovením a připojením dalšího vrtu. Nebo je do primárního okruhu dodatečně vložen výměník rozšiřujícící vytápění domu o chlazení s využitím nižší teploty v primárním okruhu. Případně i při generační výměně tepelného čerpadla.

Objemová roztažnost

V primárním okruhu tepelného čerpadla země-voda cirkuluje teplonosná „nemrznoucí“ kapalina. Obvykle jde o směs vody a nízkotuhnoucí látky. Tato teplonosná kapalina má v závislosti na svém složení a teplotě určitou objemovou teplotní roztažnost. Běžně se uvažuje, že se objem kapaliny s růstem teploty zvětšuje. Jen mírně to komplikuje voda, u které se v rozmezí teplot 0 °C až 4 °C její objem při zvyšování teploty zmenšuje. Tento jev lze v rámci uvažovaného rozsahu pracovních teplot u směsné nemrznoucí kapaliny zanedbat.

Střední teplota teplonosné kapaliny

Teplotní poměry v primárním okruhu tepelného čerpadla země-voda během jeho plnění teplonosnou kapalinou a během provozu nejsou konstantní, teplota se mění. Pokud chceme získat základní náhled na tento proces, alespoň jednoduše matematicky posuzovat změny objemu teplonosné kapaliny, můžeme si situaci zjednodušit použitím střední teploty kapaliny.

Výchozí střední teplota kapaliny

Na počátku jsme v situaci, kdy po naplnění primárního okruhu tepelného čerpadla v něm kapalina cirkuluje bez odběru tepla, tedy jen s činností oběhového čerpadla. Teplota kapaliny měřená na vstupu do TČ a na výstupu z TČ je stejná. Například máme tepelné čerpadlo s novým vrtem, a pak lze předpokládat, že teplota cirkulující kapaliny se ustálí přibližně na teplotě 12,5 °C (v závislosti na konkrétních geologických poměrech a provedení vrtu). Tuto teplotou si označíme jako výchozí střední teplotu. Pokud si pro plnění okruhu přivezeme kapalinu s teplotou vyšší, než jaká bude střední teplota po ustálení teplotního stavu v okruhu vlivem cirkulace, pak se objem kapaliny při plnění okruhu zmenší a do okruhu je třeba kapalinu do ustálení teploty postupně doplňovat, anebo si předem vytvořit zásobní objem kapaliny.

Provozní střední teplota kapaliny

Nyní uvedeme tepelné čerpadlo do provozu. To znamená, že z cirkulující kapaliny začneme odebírat teplo. Mezi teplotami kapaliny na vstupu do TČ a na výstupu z TČ proto vznikne rozdíl. Zjednodušeně řečeno můžeme říci, že půlka okruhu má teplotu vyšší, která však nemůže být vyšší než výchozí střední teplota. Druhá půlka okruhu následkem odběru tepla bude mít teplotu nižší. Z rozdílu těchto teplot určíme provozní střední teplotu.

Snižování střední teploty

Již velmi krátce po prvním uvedení TČ země-voda do provozu, tedy když tepelné čerpadlo začne dodávat teplo do napojené soustavy, dojde k dalšímu snížení střední teploty kapaliny v primárním okruhu, a to se projeví zmenšením jejího objemu.

S tím, jak tepelné čerpadlo odebírá teplo z cirkulující kapaliny v primárním okruhu a kapalina toto teplo odebírá z okolí vrtu, zemního kolektoru, klesá i teplota okolo primárního okruhu. To se projeví poklesem teploty kapaliny na vstupu do TČ a pak samozřejmě i dalším poklesem teploty kapaliny na výstupu z TČ. Střední provozní teplota v primárním okruhu tedy dále klesne.

Připojený graf jsem si vypůjčil z článku Obousměrná geotermie, aneb regenerace vrtů pro tepelná čerpadla. Jde o obr. 2a.

Obr. 2 Zobrazení průměrných středních teplot kapaliny ve vrtech a teplot při špičkovém zatížení u „běžného“ rodinného domu s tepelnou ztrátou 5 kW a jedním 90m vrtem. a) Vrt je dimenzován na provoz bez chlazení (bez regenerace) – nejnižší střední průměrná teplota po 25 letech = 2,2 °C (horní tmavší křivka) a nejnižší střední teplota kapaliny při špičce −3,5 °C (spodní světlejší křivka).

Z grafu je zřejmé, jak se střední teplota kapaliny v primárním okruhu měnila v závislosti na aktuálním výkonu TČ v průběhu roku, tedy intenzitě jímání tepla z okolí primárního okruhu v průběhu roku a i v letech následujících.

S jakým rozsahem teplot v primárním okruhu TČ počítat?

Pokud se chce projektant pojistit i proti případným pozdějším změnám ve využití tepelného čerpadla země-voda k chlazení, měl by uvažovat o rozsahu teplot cca od +35 °C do −15 °C.

Nejvyšší teplota vyplývá z podmínek vznikajících při chlazení, kdy dochází k tepelné regeneraci vrtu nebo při záměrné regeneraci jiným zdrojem tepla, například přebytkem elektřiny z fotovoltaické elektrárny nebo přebytečným teplem z termické solární soustavy. Při vracení tepla do sondy ve vrtu by neměla mít kapalina teplotu vyšší než cca 34 °C.

Nejnižší teplota je dána vlastnostmi TČ. U většiny strojů dojde k vypnutí chodu, pokud teplota kapaliny poklesne na −10 °C. Nemrznoucí směs se proto připravuje s rezervou, tedy tak, aby měla nižší bod tuhnutí, zpravidla postačí −15 °C.

Jakou změnu objemu je nutné kompenzovat?

Pro určení poměrné změny objemu kapaliny v primárním okruhu je nutné určit koeficient teplotní roztažnosti nemrznoucí směsi. Často se používá směs vody a lihu, etanolu, případně vody a propylenglykolu. Příkladem může být směs lihu a vody , která v 33% koncentraci lihu v roztoku s vodou zajistí tekutost do teploty −15 °C. Lze využít i kapaliny vhodné pro tepelné solární systémy, které jsou na bázi propylenglykolu, z nichž většina má v neředěném stavu bod tuhnutí okolo −30 °C a jsou přípustné z hlediska ochrany podzemních vod.

Orientačně lze při teplotě +20 °C počítat s koeficientem teplotní roztažnosti vody β_voda = 0,00018 K⁻¹. U lihu, etanolu, s koeficientem teplotní roztažnosti β_líh = 0,0011 K⁻¹. Tedy více než 6násobně větším než u vody.

Například při poklesu teploty v předpokládaném maximálním rozsahu teplot od +35 °C do −15 °C by se objem vody zmenšil (0,00018 times; 50)krát, tedy o 0,9 % a lihu (0,0011 times; 50)krát, tedy o 5,5 %.

V nemrznoucí kapalině však není jen voda, ale například i líh, propylenglykol aj. a to je nutné zohlednit. Pokud by se nemrznoucí směs například skládala z 33 % lihu a 67 % vody pro bod tuhnutí cca −15 °C, pak lze její koeficient teplotní roztažnosti stanovit přibližně takto:

Pozn.: Teplotní objemová roztažnost kapalin není konstatní, zpravidla s růstem teploty roste a pokud jde o směs dvou kapalin, tak výsledná roztažnost nemusí přesně odpovídat výše uvedenému jednpduchému výpočtu. V technické praxi vytápění a chlazení se proto většinou pracuje s údaji odečtenými z grafu nebo tabulky pro konkrétní nemrznoucí směs. A to pro nejvyšší provozní teplotu, kdy je roztažnost nejvyšší a na tu je třeba okruhy s nemrznoucí směsí, respektive expanzní objem dimenzovat.

Příklad 1

Uvažujme vrt o hloubce 100 metrů. Takový vrt lze za vhodných podmínek uvažovat pro tepelné čerpadlo s tepelným výkonem 4 až 6 kW i bez aktivace bivalentního zdroje tepla. Vrt bude vybaven například čtyřtrubkovou geotermální sondou, která je tvořena dvěma jednoduchými sondami U vzájemně spojenými do kříže, s rozměry trubek 32 mm times; 2,9 mm a délkou shodnou s hloubkou vrtu, tedy 100 metrů. Tato sonda má vnitřní objem

Na hlavě vrtu se obě U sondy propojí do potrubí rovněž 32 times; 2,9 propojujícího hlavu vrtu a tepelné čerpadlo vzdálené od sebe 10 m. Obvykle délka profesionálně zhotovené sondy přesahuje skutečnou hloubku vrtu a byla by škoda zbytek tak kvalitního potrubí na poměrně malou délku potrubí nevyužít. Celý propojovací okruh nechť je dlouhý 20 metrů. Jeho objem bude

K výše uvedenému bychom měli připočíst například 0,015 m³ na objemy armatur, oběhového čerpadla, výměníku aj., pokud jejich objemy neznáme přesněji. Celkový objem primárního okruhu pak bude:

Při maximálním rozsahu teplot +35 °C do −15 °C, který by se v praxi mohl vyskytnout a směsi lihu (33 %) s vodou (67 %) vychází změna objemu kapaliny takto (v mezích přesnosti zjednodušeného výpočtu):

Při návrhu expanzní nádoby na bezpečné vyrovnávání objemových změn nemrznoucí směsi v primárním okruhu daného TČ by se tak mělo vycházet z expanzního objemu cca 5,8 litrů (Pozor, nejde o objem expanzní nádoby!).

Výpočet pokrývá i případ TČ se zemním kolektorem, ve kterém může být střední teplota v primárním okruhu v létě vyšší, například až 20 °C, než v okruhu s vrtem.

Příklad 2

Uvažujme stejný primární okruh TČ, ale využitý jen pro vytápění a navíc v mezích daných ideálním návrhem vrtu. Nejvyšší střední teplota nemrznoucí směsi v okruhu, s ohledem na průběh teplot ve výše uvedeném grafu, nepřesáhne 11 °C a nejnižší nepodkročí −3,5 °C. Potom bude změna objemu, kterou musíme kompenzovat:

Na trhu lze najít TČ země-voda s malými výkony vybavené expanzními nádobami s objemem zhruba od 4 litrů. Rozhodnutí, zda takto malá expanzní nádoba postačí, by mělo být pro jistotu ověřeno výpočtem.

Požadované vlastnosti expanzní nádoby

Základem výběru expanzní nádoby je odolnost vůči chemickému složení nemrznoucí kapaliny, teplotní a tlaková odolnost.

Dostatečnou odolností vůči chemickému složení nemrznoucí kapaliny disponují nádoby určené speciálně pro primární okruhy TČ země-voda nebo pro tepelné solární systémy. Takové nádoby mají i dostatečnou teplotní odolnost.

Co se týká tlakové odolnosti expanzní nádoby, tak celý primární okruh tepelného čerpadla bude vertikálně pod úrovní expanzní nádoby. Pro provoz pak postačuje typizovaná přetlaková odolnost okolo 3 až 4 bar.

Vzhledem k nižším teplotám v primárním okruhu než v otopných soustavách a nižším provozním teplotám někteří dodavatelé TČ používají levnější nekovové expanzní nádoby. Pokud objem nekovové nádoby odpovídá potřebám konkrétního primárního okruhu, primární okruh je správně naplněn a nádoba je správně natlakována, pak není problém. Pokud výše uvedené nebylo správně provedeno nebo došlo ke změně, může při poklesu teploty kapaliny v primárním okruhu vzniknout podtlak. Nekovová expanzní nádoba vzhledem k nižší podtlakové odolnosti může implodovat, pokud by v primárním okruhu nebyl bezpečnostní podtlakový ventil. Souběžně by mohlo být oběhové čerpadlo primárního okruhu ohroženo provozem na sucho, nehledě na výpadek činnosti TČ, který si může vyžádat zásah servisního technika na místě.

Poděkování

Děkuji Ing. Petru Michalovi za cenné připomínky.

Zdroje

1. Obousměrná geotermie, aneb regenerace vrtů pro tepelná čerpadla. P. Dědina. TZB-info.
   
2. Prvky solárních soustav (I). T. Matuška. TZB-info
   
3. Fyzikální vlastnosti nemrznoucích směsí a navrhování soustav. J. Ráž. TZB-info.