PL237609B1

PL237609B1 - System of the ground-air leak-tight tubular heat exchanger

Info

Publication number: PL237609B1
Application number: PL424411A
Authority: PL
Inventors: Zenon Mucha; Renata Nowak-Mucha
Original assignee: Zenon Mucha; Nowak Mucha Renata
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2021-05-04
Also published as: PL424411A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ szczelnego rurowego gruntowego wymiennika ciepła (GWC) służący do efektywnego odzysku ciepła lub chłodu z gruntu, mający zastosowanie głównie w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Powietrze doprowadzane z układu wymiennika do danego obiektu jest w zależności od pory roku - w okresie zimowym podgrzewane, a w okresie letnim chłodzone.The subject of the invention is a sealed tubular ground heat exchanger (GHE) system for the effective recovery of heat or cold from the ground, mainly used in ventilation and air-conditioning installations. The air supplied from the exchanger system to a given facility is, depending on the season, heated in winter and cooled in summer.

Technologie związane z odzyskiem ciepła lub chłodu z gruntu, na potrzeby ogrzewania lub chłodzenia obiektów, zwłaszcza mieszkalnych, znane są od wielu lat. Najpowszechniejsze są technologie wykorzystujące podgrzewany lub chłodzony w gruncie strumień nośnika energii, zwłaszcza powietrza. Tego typu rozwiązania oprócz niezaprzeczalnych walorów ekologicznych dają użytkownikowi duże oszczędności w zakresie zużywania energii, a co za tym idzie oszczędności ekonomiczne.Technologies related to the recovery of heat or cold from the ground for heating or cooling buildings, especially residential buildings, have been known for many years. The most common are technologies that use a stream of energy carrier, in particular air, heated or cooled in the ground. Such solutions, in addition to undeniable ecological values, give the user large savings in energy consumption, and thus economic savings.

Do najbardziej znanych i powszechnie stosowanych powietrznych gruntowych wymienników ciepła należą: bezprzeponowe gruntowe wymienniki ciepła, na przykład GWC żwirowe, płytowe, płytowomodułowe, a także przeponowe gruntowe wymienniki ciepła, czyli GWC rurowe. We wszystkich tych rozwiązaniach jako medium, poprzez które odzyskuje się ciepło lub chłód z gruntu stosuje się powietrze.The best known and commonly used air ground heat exchangers include: membraneless ground heat exchangers, e.g. gravel, plate, plate-module GHE, as well as membrane ground heat exchangers, i.e. tubular GHE. In all these solutions, air is used as the medium through which heat or cold is recovered from the ground.

Powietrzne, gruntowe wymienniki ciepła w systemie rurowym montuje się przede wszystkim tam gdzie występuje zagrożenie kontaktu z wodami gruntowymi, które mogą być źródłem zanieczyszczeń, bakterii, grzybów oraz różnego rodzaju zarazków. Bardzo często wody gruntowe emitują również nieprzyjemne zapachy. Istnieje zatem ryzyko, że te niebezpieczne dla zdrowia lub co najmniej nieprzyjemne dla człowieka czynniki przedostaną się wraz z medium, poprzez system wentylacyjny do wentylowanego pomieszczenia, stąd stosowanie GWC bezprzeponowych w tym przypadku jest niewskazane. Producenci gruntowych, rurowych wymienników ciepła dużą uwagę przykładają do szczelności całego układu wymiennika. Rury łączone są zwykle na mufy z uszczelkami lub poprzez zgrzewanie, elektrooporowo lub doczołowo. Wymienniki te wykonywane są przeważnie z rur polietylenowych lub polipropylenowych z wewnętrzną powłoką antybakteryjną.Air, ground heat exchangers in a pipe system are installed primarily where there is a risk of contact with groundwater, which can be a source of contamination, bacteria, fungi and various types of germs. Very often, groundwater also emits unpleasant odors. Therefore, there is a risk that these factors, which are hazardous to health or at least unpleasant for humans, will get through with the medium through the ventilation system to the ventilated room, hence the use of GHEs without diaphragms in this case is not recommended. Producers of ground tubular heat exchangers pay great attention to the tightness of the entire heat exchanger system. Pipes are usually joined by means of couplings with gaskets or by welding, electrofusion or butt welding. These heat exchangers are usually made of polyethylene or polypropylene pipes with an internal antibacterial coating.

W gruntowych powietrznych rurowych wymiennikach ciepła strumień powietrza płynie pod ziemią poprzez system rurowych kanałów wentylacyjnych, gdzie - poprzez ściankę rury - następuje wymiana cieplna powietrza płynącego w rurze z gruntem. Strumień powietrza atmosferycznego o temperaturze ujemnej, zwłaszcza w okresie zimowym lub dodatniej, zwłaszcza w okresie letnim, płynąc w rurze pod ziemią na niewielkiej głębokości około 2 m napotyka grunt o w przybliżeniu stałej temperaturze w ciągu całego roku niezależnej od zewnętrznych warunków atmosferycznych, pozwalającej na podgrzanie tego powietrza w okresie chłodnym lub schłodzenie w okresie ciepłym.In ground air tubular heat exchangers, the air stream flows underground through a system of tubular ventilation ducts, where - through the pipe wall - the air flowing in the pipe with the ground is heat exchanged. The air stream with a negative temperature, especially in winter or positive, especially in summer, flowing in a pipe underground at a shallow depth of about 2 m, meets the ground with an approximately constant temperature throughout the year, independent of external weather conditions, allowing it to be heated. air in the cool period or cooling in the warm period.

Gruntowe wymienniki ciepła bezprzeponowe, z uwagi na brak bariery między gruntem a strumieniem powietrza, charakteryzują się bardzo dobrą wymianą cieplną, ale zarazem bardzo małą powierzchnią pracy samych wymienników w stosunku do stosowanych na rynku systemów rurowych. Porównując pole powierzchni pracy przy tym samym przepływie powietrza GWC bezprzeponowych do przeponowych czyli rurowych okazuje się że pole powierzchni GWC bezprzeponowych jest około czterokrotnie mniejsze od GWC rurowych, co znajduje potwierdzenie w realizowanych dotychczas na rynku wymiennikach, a dokładnie w założeniach projektowych i Dokumentacjach techniczno-ruchowych (DTR) producentów GWC.Membrane ground heat exchangers, due to the lack of a barrier between the ground and the air stream, are characterized by a very good heat exchange, but at the same time a very small working area of the exchangers themselves compared to the pipe systems used on the market. Comparing the working area with the same air flow of diaphragmless GHEs to diaphragm, i.e. tubular GHEs, it turns out that the surface area of diaphragmless GHEs is approximately four times smaller than tubular GHEs, which is confirmed in the exchangers implemented so far on the market, and precisely in the design assumptions and technical and operational documentation. (DTR) of GHE producers.

W praktyce inwestor przeważnie przeznacza na instalację GWC z góry określony i ograniczony teren, na przykład wyłącznie pod obiektem z brakiem możliwości powiększenia tego terenu lub na działce o określonym ale małym obszarze. W takich przypadkach projektanci GWC ograniczeni są co do powierzchni pracy GWC i muszą dopasować ją do wyznaczonego terenu. Z obserwacji stosowanych dotychczas systemów GWC rurowych, ich producenci oraz projektanci przyjmowali obarczone błędem założenie, że jak wykonają rurowe GWC z rur o stosunkowo dużych średnicach powyżej dn 110 mm, często o średnicy dn 315 mm lub jeszcze większych i przepuszczą przez nie całe powietrze przeznaczone dla danego obiektu, to efekt wymiany cieplnej będzie większy i w praktyce znane są jedynie GWC rurowe, w których rury wymiany cieplnej mają średnice od 110 mm ale częściej większych, w tym: 160 mm, 200 mm, 250 mm oraz 315 mm lub większych. Niejednokrotnie z braku odpowiedniej przestrzeni projektowane były GWC rurowe dwupoziomowe, to jest jeden rząd rur ułożony w gruncie nad drugim. Gdyby przyjąć, że założenie dwupoziomowych GWC jest słuszne i efektywne, to logicznym byłoby dalsze zwiększanie ilości poziomów rur, na przykład do trzy- i czteropoziomowych, co miałoby jeszcze zwiększać efektywność wymiany cieplnej. Jednakże takie rozumowanie należy uznać za błędne, bowiem zwiększenie ilości poziomów, na których układane są rury transportujące powietrze nieIn practice, the investor usually allocates a predetermined and limited area for the installation of the GHE, for example only under the facility with no possibility of increasing this area or on a plot of land with a specific but small area. In such cases, the GHE designers are limited to the GHE working area and must adapt it to the designated area. From the observations of the pipe GHE systems used so far, their producers and designers made the erroneous assumption that when they make a pipe GHE from pipes with relatively large diameters above 110 mm, often with a diameter of 315 mm or even larger, they will let all the air intended for a given object, the effect of heat exchange will be greater and in practice only pipe GHEs are known, in which the heat exchange pipes have diameters from 110 mm, but more often larger, including: 160 mm, 200 mm, 250 mm and 315 mm or more. Often, due to the lack of adequate space, a two-level pipe GHE was designed, i.e. one row of pipes placed in the ground above the other. If we assume that the assumption of two-level GHE is correct and effective, it would be logical to further increase the number of pipe levels, for example to three- and four-level, which would further increase the efficiency of heat exchange. However, this reasoning should be considered incorrect, because increasing the number of levels on which air transport pipes are laid does not

PL 237 609 B1 wpływa na zwiększenie efektywności wymiany cieplnej powietrza z gruntem i z punktu widzenia ekonomicznego, to jest z uwagi na wysokie koszty zakupu dużej ilości rur oraz zwiększony zakres prac budowlanych jest zupełnie nieuzasadnione.It increases the efficiency of heat exchange of air with the soil and from the economic point of view, i.e. due to the high costs of purchasing a large number of pipes and the increased scope of construction works, it is completely unjustified.

Powyższe wnioski zostały wyciągnięte przez twórców niniejszego wynalazku po przeprowadzeniu pomiarów na wykonanych w praktyce GWC, w których zastosowano rury wymiany cieplnej o dużych średnicach (> 110 mm) oraz po analizie wyników zysków ciepła i chłodu w tych wymiennikach. Okazuje się że najmniejsze zyski ciepła lub chłodu odnotowano w przypadku stosowania dużych średnic rur wymiany cieplnej. Wraz ze wzrostem średnicy stosowanych rur rośnie również grubość ścianek tych rur, co wynika z konieczności zachowania wymaganego poziomu wytrzymałości na nacisk. Zwiększenie grubości ścianek wpływa natomiast na zmniejszenie efektywności wymiany cieplnej w dotychczas stosowanych wymiennikach rurowych, w których medium - w postaci powietrza płynącego rurami - oddzielone jest od gruntu zbyt grubą ścianką rury, co pogarsza wymianę cieplną. Do wymiany cieplnej stosowane są przeważnie rury z PE lub PP lub ich mieszanki lub inne kompozyty na bazie polimerów posiadające wymaganą sztywność obwodową dostosowaną do warunków gdzie będą zamontowane. Ścianka rury wymiany cieplnej dn 90 mm przy sztywności obwodowej SN 6 oraz SDR 26 wynosi zaledwie 3,5 mm (sztywność obwodowa SN 6 przy SDR 26 to najczęściej stosowany parametr dla rur GWC), natomiast ścianka rury wymiany cieplnej o średnicy dn 315 mm stosowanej często przez producentów rur wynosi 12,1 mm przy SN 6 a więc 3,5 razy więcej. Przy rozwiązaniu z rurami wymiany cieplnej o dużych średnicach mamy do czynienia z oporami cieplnymi przez ściankę rury wielokrotnie większymi, a więc o gorszych parametrach wymiany cieplnej niż przy rurach wymiany cieplnej o małych średnicach gdzie opory są znikome.The above conclusions were drawn by the inventors after carrying out measurements on the GHE performed in practice, in which heat exchange pipes with large diameters (> 110 mm) were used, and after analyzing the results of heat and cold gains in these exchangers. It turns out that the smallest heat or cold gains were recorded in the case of using large diameters of heat exchange pipes. As the diameter of the pipes used increases, the wall thickness of these pipes also increases, which results from the need to maintain the required level of pressure resistance. Increasing the wall thickness, on the other hand, reduces the efficiency of heat exchange in the tubular exchangers used so far, in which the medium - in the form of air flowing through the pipes - is separated from the ground by an excessively thick pipe wall, which worsens the heat exchange. For heat exchange, PE or PP pipes or their mixtures or other polymer-based composites with the required ring stiffness adapted to the conditions where they will be installed are usually used. The wall of the heat exchange pipe dn 90 mm with the ring stiffness SN 6 and SDR 26 is only 3.5 mm (ring stiffness SN 6 with SDR 26 is the most frequently used parameter for GHE pipes), while the wall of the heat exchange pipe with a diameter of dn 315 mm is often used by pipe manufacturers it is 12.1 mm at SN 6, which is 3.5 times more. In the case of the solution with heat exchange pipes of large diameters, the thermal resistance through the pipe wall is many times greater, and therefore with worse thermal exchange parameters than in the case of heat exchange pipes of small diameters, where the resistance is negligible.

Wspomniana niska efektywność wymiany cieplnej GWC rurowych stała się inspiracją dla twórców niniejszego wynalazku do poszukiwania rozwiązań bardziej efektywnych.The mentioned low efficiency of heat exchange of pipe GHEs became an inspiration for the inventors to search for more effective solutions.

W znanych dotychczas rozwiązaniach GWC rurowych rury wymiany cieplnej obojętnie jakiej średnicy zgodnie z DTR wszystkich producentów GWC muszą być od siebie odsunięte na pewne odległości dokładnie określone w dokumentacji technicznej opracowanej dla danego systemu. Dotychczasowe projekty zakładały, że odległość rur biegnących równolegle obok siebie nie może być mniejsza niż 70 cm od osi do osi rury w przypadku stosowania rur dn 110 mm. Natomiast już rury wymiany cieplnej dn 200 mm zgodnie z programami doboru producentów GWC odsunięte muszą być od siebie na minimum 1 m.In the previously known solutions of tubular GHE, heat exchange pipes of any diameter, according to the DTR of all GHE manufacturers, must be spaced apart at certain distances precisely specified in the technical documentation prepared for a given system. Previous projects assumed that the distance of pipes running parallel next to each other must not be less than 70 cm from the axis to the axis of the pipe in the case of using pipes dn 110 mm. On the other hand, the heat exchange pipes dn 200 mm, in accordance with the GHE manufacturers' selection programs, must be separated from each other by a minimum of 1 m.

Ogólnie dostępne i stosowane przez projektantów GWC materiały do obliczeń podają wartość strumienia ciepła w zależności od jakości podłoża (tabela 1). Z tych danych wynika, że z powierzchni jednego metra kwadratowego można uzyskać określoną ilość energii, w praktyce dla gruntów nasyconych wodą (wilgotnych) maksymalnie do 50 W/m². Stąd w celu optymalizacji odzysku ciepła/chłodu z gruntu należy tak projektować GWC rurowe aby z wyznaczonego przez inwestora, często niewielkiego terenu, za pomocą określonej ale jak najmniejszej ilości powietrza, odzyskać tą maksymalną do uzyskania z danej powierzchni terenu energię, przy jak najmniejszych nakładach/kosztach inwestycji, a nie - jak to było w dotychczas stosowanych systemach GWC - przepuszczać całe powietrze wymagane projektem dla danego obiektu przez nadmiernie rozbudowane i kosztowne instalacje, cechujące się niewielką efektywnością. Resztę potrzebnego powietrza zgodnie z zapotrzebowaniem z projektu należy po prostu dobrać z czerpni ściennej i dopiero wtedy poddać obróbce, tzn. podgrzać lub schłodzić. Zgodnie z danymi podanymi w tabeli 1 oraz danymi wynikającymi z prowadzonych od wielu lat pomiarów GWC można stwierdzić, że dotychczasowe założenia producentów systemów GWC rurowych nie są optymalne i to stało się kolejnym powodem dla poszukiwania przez twórców niniejszego wynalazku rozwiązań o większej efektywności.Materials generally available and used by GHE designers provide the value of the heat flux depending on the quality of the substrate (Table 1). These data show that a certain amount of energy can be obtained from the area of one square meter, in practice, for water-saturated (moist) soils, up to 50 W / m ² . Hence, in order to optimize the recovery of heat / cold from the ground, a pipe GHE should be designed in such a way that from the area designated by the investor, often a small area, using a specific but as small amount of air as possible, the maximum energy to be obtained from a given area of the land can be recovered with the least expenditure / investment costs, and not - as was the case in the GHE systems used so far - to pass all the air required by the design for a given facility through excessively extensive and expensive installations, characterized by low efficiency. The rest of the air needed in accordance with the project requirements should be simply selected from the wall air intake and only then processed, i.e. heated or cooled. According to the data provided in Table 1 and the data resulting from the GHE measurements carried out for many years, it can be concluded that the current assumptions of the producers of pipe GHE systems are not optimal and this has become another reason for the authors of the present invention to search for solutions with higher efficiency.

Niezbędnym wymogiem wobec wszystkich GWC jest zapewnienie ich odpowiedniej wytrzymałości na nacisk od góry, wynikający z obciążenia samym gruntem, którym GWC jest przykryty, a także ciężarem maszyn, pojazdów itp., które na tym gruncie się znajdują.A necessary requirement for all GHEs is to ensure their adequate resistance to pressure from above, resulting from the load of the ground itself, with which the GHE is covered, as well as the weight of machines, vehicles, etc. that are located on this ground.

W znanych rozwiązaniach GWC rurowych wytrzymałość rur wynika z materiałów z jakich są wykonane. Wytrzymałość ta nie jest jednak satysfakcjonująca i producenci GWC w zaleceniach dotyczących ich montażu ograniczają dopuszczalny nacisk od góry, zarówno na etapie montażu GWC, co istotnie utrudnia prace montażowe, jak i po montażu, to jest w warunkach normalnego użytkowania, przez co często ograniczone są miejsca gdzie można taki GWC zamontować, np. wykluczane są parkingi, po których poruszają się cięższe pojazdy.In the known solutions of pipe GHEs, the strength of the pipes results from the materials they are made of. However, this strength is not satisfactory and the GHE manufacturers, in their recommendations for their assembly, limit the permissible pressure from above, both at the stage of assembly of the GHE, which significantly hinders the assembly work, and after assembly, i.e. in conditions of normal use, which often limits the space where such a ground heat exchanger can be installed, e.g. car parks with heavier vehicles are excluded.

Z dotychczasowego stanu techniki znane jest stosowanie wzmocnienia konstrukcji GWC poprzez zalanie go warstwą betonu, który jest materiałem konstrukcyjnym i wyłącznie jako taki był dotychczasIt is known from the prior art to use the GHE structure reinforcement by pouring it with a layer of concrete, which is a construction material and has been exclusively as such.

PL 237 609 B1 stosowany w gruntowych wymiennikach ciepła, jednak tylko w GWC bezprzeponowych z kanałami powietrznymi w postaci połówek rur. Takie rozwiązania znane są z patentów PL223092 oraz PL226528, w których - w przypadku, gdy przewidywany jest duży nacisk na GWC od góry - pod warstwą gruntu rodzimego, na zewnętrznej powierzchni kolektorów oraz kanałów powietrznych w postaci połówek rur zalana jest warstwa betonu, która tworzy betonową płytę wzmacniającą, z uformowanymi samoczynnie pomiędzy połówkami rur w trakcie lania warstwy betonu stopami betonowymi, przenoszącymi obciążenia na podłoże, przy czym pod warstwą betonu znajduje się korzystnie folia budowlana o grubości korzystnie 0,5 mm. Grubość oraz jakość warstwy betonu dostosowuje się indywidualnie do przewidywanego nacisku od góry.PL 237 609 B1 used in ground heat exchangers, but only in diaphragmless GHEs with air channels in the form of half pipes. Such solutions are known from patents PL223092 and PL226528, in which - when a high pressure on the GHE is expected from above - under the native soil layer, on the outer surface of the collectors and air ducts in the form of pipe halves, a concrete layer is poured, which forms a concrete layer. a reinforcing plate with self-formed concrete feet between the pipe halves during the pouring of the concrete layer, transferring the loads to the substrate, preferably a construction foil with a thickness of preferably 0.5 mm under the concrete layer. The thickness and quality of the concrete layer are individually adjusted to the anticipated pressure from above.

Jak dotychczas nie są jednak znane rozwiązania GWC przeponowych rurowych z warstwą betonu zalaną nad wymiennikiem, mającą na celu wzmocnienie wytrzymałości wymiennika na nacisk gruntu z góry. Dotychczasowe układy GWC z dużą średnicą rur wymiany cieplnej i dużymi odstępami między tymi rurami utrudniały stosowanie warstwy betonu do ich wzmacniania. Co więcej w ogóle nie są znane GWC, w których beton stosowany jest nie tylko jako materiał konstrukcyjny, ale również jako materiał magazynujący/akumulujący ciepło (akumulator ciepła), gdyż beton jest tzw. materiałem „zimnym” a jego parametry termiczne istotnie odbiegają od parametrów innych substancji dedykowanych do tego celu (takich jak woda, solanka itp.). W związku z tym, że klasyczny beton kompletnie nie nadaje się do stosowania jako magazyn energii cieplnej, kolejnym celem twórców niniejszego wynalazku stało się odpowiednie zmodyfikowanie mieszanki betonowej poprzez dodanie odpowiednich dodatków zwiększających jego pojemność cieplną.So far, however, there are no known solutions for membrane tube GHEs with a concrete layer poured over the exchanger, aimed at increasing the strength of the exchanger to ground pressure from above. The existing ground heat exchanger systems with a large diameter of heat exchange pipes and large spacing between these pipes made it difficult to use a concrete layer for their reinforcement. Moreover, GHE is not known at all, in which concrete is used not only as a construction material, but also as a heat storage / accumulator material (heat accumulator), because concrete is so-called a "cold" material and its thermal parameters significantly differ from the parameters of other substances dedicated to this purpose (such as water, brine, etc.). Due to the fact that classic concrete is completely unsuitable for use as a thermal energy store, the next goal of the present inventors has become an appropriate modification of the concrete mix by adding appropriate additives increasing its heat capacity.

Istotę niniejszego wynalazku stanowi układ szczelnego rurowego gruntowego wymiennika ciepła, instalowany w gruncie rodzimym, zawierający kanały powietrzne w postaci rur, połączone z jednej strony z kolektorem rozdzielającym a z drugiej strony z kolektorem zbierającym, przy czym kolektor rozdzielający połączony jest za pomocą kanału transportowego z czerpnią powietrza, natomiast kolektor zbierający połączony jest za pomocą kanału transportowego wyjściowego z centralą wentylacyjną lub innym odbiornikiem powietrza, charakteryzujący się tym, że kanały powietrzne wymiany cieplnej mają postać rur o małych średnicach w zakresie do 105 mm, długości w zakresie od 10 do 30 mb, a rury posadowione są w bliskiej odległości od siebie, nie większej niż 40 cm, i są ze sobą technologicznie połączone wzdłużnie, tradycyjnie mufami z uszczelkami lub elektrooporowo lub doczołowo, tworząc panel rurowy, ponadto pod warstwą gruntu rodzimego i na zewnętrznej powierzchni kanałów powietrznych w postaci rur zalana jest warstwa betonu, która tworzy betonową płytę wzmacniającą, w której rury są posadowione, przy czym mieszanka betonowa, z której wykonana jest betonowa płyta wzmacniająca wzbogacona jest w dodatki zwiększające jej pojemność cieplną i parametry przewodności cieplnej, korzystnie w ilości nie większej niż 50% masy mieszanki, wybrane spośród:The essence of the present invention is a sealed tubular ground heat exchanger system installed in the native soil, comprising tubular air ducts connected on the one hand to the separating collector and on the other hand to the collecting collector, the separating collector being connected to the air intake by means of a transport duct. , while the collecting collector is connected via an output transport channel with an air handling unit or other air receiver, characterized in that the heat exchange air channels are in the form of pipes with small diameters in the range of 105 mm, length in the range of 10 to 30 m, and pipes are placed in close proximity to each other, not more than 40 cm, and are technologically connected longitudinally, traditionally with joints with gaskets or electrofusion or butt joints, forming a pipe panel, also under the native soil layer and on the outer surface of air ducts in the form of pipes flooded a is a concrete layer that forms a concrete reinforcement plate, in which the pipes are founded, the concrete mix from which the concrete reinforcement plate is made is enriched with additives increasing its heat capacity and thermal conductivity parameters, preferably in an amount not greater than 50% the mass of the mixture, selected from:

- dodatki mechaniczne w postaci wiórów aluminiowych albo kompozytów polimerowo-drzewnych, w których jako polimer występuje: Polimetakrylan etylu lub Poli(octan winylu) lub alkohol poliwinylowy, albo wiórów stalowych, albo kompleksów węglowych zawierających czyste węgle w postaci tlenku grafitu lub węgla aktywnego modyfikowanego grupami polarnymi, albo kompleksów węglowo-polimerowych stanowiących połączenie nanowęgli, takich jak grafit lub nanorurki węglowe, z polimerami takimi jak polimetakrylan lub alkohol poliwinylowy, albo polimerów wodorozpuszczalnych w postaci Poli(octanu winylu), polimetakrylanu etylu, lignosulfonianu sodu w połączeniu z glikolem propylenowym, alkoholu poliwinylowego, albo ich kombinacji, albo- mechanical additives in the form of aluminum chips or polymer-wood composites in which the polymer is: Polymethacrylate or Poly (vinyl acetate) or polyvinyl alcohol, or steel chips, or carbon complexes containing pure carbons in the form of graphite oxide or active carbon modified with groups polar or carbon-polymer complexes combining nanocarbons, such as graphite or carbon nanotubes, with polymers such as polymethacrylate or polyvinyl alcohol, or water-soluble polymers in the form of polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, sodium lignosulfonate in combination with propylene glycol, alcohol polyvinyl, or combinations thereof, or

- dodatki w postaci substancji chemicznych wybranych spośród: glikol propylenowy, alkohol poliwinylowy, glikol polietylenowy, polimetakrylan metylu, polimetakrylan etylu, akrylany lub ich mieszaniny.- additives in the form of chemical substances selected from: propylene glycol, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polymethyl methacrylate, polymethyl methacrylate, acrylates or their mixtures.

Konkretna ilość rur, średnica oraz długość są indywidualnie dobierane do zakładanego przepływu powietrza gwarantującego prawidłową wymianę cieplną powietrza z gruntem i uzależnione są od rodzaju gruntu i od tego czy wymiennik montowany jest pod obiektem czy na zewnątrz.The specific number of pipes, diameter and length are individually matched to the assumed air flow that guarantees proper thermal exchange of air with the ground and depend on the type of soil and whether the exchanger is installed under the building or outside.

Korzystnie, kanały powietrzne wymiany cieplnej ułożone są w układzie Tichelmanna.Preferably, the heat exchange air channels are arranged in a Tichelmann pattern.

Korzystnie, średnica oraz długość kanałów powietrznych wymiany cieplnej są dobierane tak, by przepływ powietrza nie przekraczał prędkości 3 m/s w pojedynczej rurze.Preferably, the diameter and length of the heat exchange air channels are selected such that the air flow does not exceed a velocity of 3 m / s in a single tube.

Korzystnie, rury wymiany cieplnej wykonane są z polietylenu lub polipropylenu lub ich mieszanek.Preferably, the heat exchange pipes are made of polyethylene or polypropylene or mixtures thereof.

Korzystnie, rury wymiany cieplnej połączone są z kolektorami tradycyjnie mufami z uszczelkami lub elektrooporowo lub doczołowo lub ekstruzyjnie lub zgrzane poprzez polifuzję.Preferably, the heat exchange tubes are connected to the manifolds traditionally by means of gaskets or electrofusion or butt or extrusion or polyfusion welding.

Korzystnie, rury są ze sobą technologicznie połączone wzdłużnie, tradycyjnie mufami z uszczelkami lub elektrooporowo lub doczołowo, tworząc panel rurowy.Preferably, the pipes are technologically joined together longitudinally, traditionally by means of gasketed or electrofusion or butt joints to form a tubular panel.

PL 237 609 B1PL 237 609 B1

Korzystnie, nad betonową płytą wzmacniającą układ zawiera warstwę gruntu rodzimego, a nad nią warstwę izolacji o parametrach polepszających efekt akumulacji cieplnej, najkorzystniej w postaci warstwy styropianu lub styroduru.Preferably, above the concrete reinforcement plate, the system comprises a layer of native soil, and above it, an insulation layer with parameters improving the heat accumulation effect, most preferably in the form of a polystyrene or styrodur layer.

Korzystnie, betonowa płyta wzmacniająca posiada dodatkowe wzmocnienie zbrojeniowe w postaci wbudowanej siatki zbrojarskiej lub drutu zbrojeniowego.Preferably, the concrete reinforcement plate has an additional reinforcement in the form of a built-in mesh or reinforcing wire.

Korzystnie, układ zawiera instalację solarną oddającą ciepło w okresach chłodnych, przy czym rurki solarów ułożone są w warstwie betonu otaczającej rury wymiany cieplnej wymiennika, przy czym rurki solarów połączone są ze zbiornikiem płynu chłodzącego, korzystnie ze studnią głębinową lub agregatem wody lodowej.Preferably, the system comprises a solar installation that releases heat during cold periods, the solar tubes being arranged in the concrete layer surrounding the heat exchange tubes of the exchanger, the solar tubes being connected to a cooling fluid reservoir, preferably a deep well or chilled water unit.

Korzystnie, układ zawiera dodatkową niezależną instalację chłodzącą odbierającą ciepło w okresach wysokich temperatur na zewnątrz, mającą postać układu rurek ułożonych w warstwie betonu otaczającej rury wymiany cieplnej wymiennika, przy czym rurki połączone są ze zbiornikiem płynu chłodzącego, korzystnie ze studnią głębinową lub agregatem wody lodowej.Advantageously, the system comprises an additional independent cooling system for receiving heat during periods of high outside temperatures, in the form of a system of pipes arranged in the concrete layer surrounding the heat exchange pipes of the exchanger, the pipes being connected to a cooling fluid reservoir, preferably a deep well or a chilled water unit.

Dzięki zastosowaniu zalewania betonem ułożonego gruntowego wymiennika ciepła wykonanego z rur o małych średnicach można jeszcze zmniejszyć grubość ścianek rur wymiany cieplnej (a przez to polepszyć wymianę cieplną transportowanego rurami powietrza z gruntem), bowiem wzmocnienie betonowe będzie wystarczająco chronić wymiennik przed ryzykiem zagniecenia. W stosunku do kosztów zakupu samego gruntowego wymiennika ciepła koszty betonowania są bardzo małe (maksymalnie około 3-4% wartości rur), ale zdecydowanie polepszające wytrzymałość a zarazem wymianę cieplną, a przecież ta wymiana jest celem stosowania systemów GWC, to jest odzysku ciepła i chłodu.Thanks to the use of concrete pouring the ground heat exchanger made of pipes with small diameters, it is possible to reduce the thickness of the walls of the heat exchange pipes (and thus improve the heat exchange of the air transported with the ground through the pipes), because the concrete reinforcement will sufficiently protect the exchanger against the risk of crushing. In relation to the purchase costs of the ground heat exchanger itself, the costs of concreting are very small (up to about 3-4% of the pipe value), but they definitely improve strength and also heat exchange, and this replacement is the purpose of using GHE systems, i.e. heat and cold recovery .

Celem wprowadzenia do mieszanki betonowej wspomnianych dodatków jest podniesienie pojemności cieplnej oraz parametru przewodności cieplnej.The purpose of introducing the said additives into the concrete mix is to increase the heat capacity and the thermal conductivity parameter.

Według normy PN-EN ISO 6946 beton ma współczynnik przewodzenia lambda od 0,8 do 1,28 W/(m-K), a ziemia od 1 do 1,5 W/(m-K), natomiast wybrane dodatki do betonu:According to the PN-EN ISO 6946 standard, concrete has a conductivity coefficient of lambda from 0.8 to 1.28 W / (m-K), and the earth from 1 to 1.5 W / (m-K), while selected concrete additives:

- aluminium ma współczynnik przewodzenia lambda 200 W/(m-K)- aluminum has a lambda conductivity coefficient of 200 W / (m-K)

- grafen, grafit, nanorurki - 4840-5300 W/(m-K)- graphene, graphite, nanotubes - 4840-5300 W / (m-K)

- stal nierdzewna - od 16,3 W/(m-K).- stainless steel - from 16.3 W / (m-F).

Pojemność cieplna (oznaczana jako C) jest to wielkość fizyczna, która charakteryzuje ilość ciepła, jaka jest niezbędna do zmiany temperatury ciała o jednostkę temperatury.Heat capacity (denoted as C) is a physical quantity that characterizes the amount of heat necessary to change body temperature by one unit of temperature.

C = AQ/ATC = AQ / AT

AQ - zmiana ciepłaAQ - heat change

DT - zmiana temperaturyDT - temperature change

Dla każdej substancji, pojemność cieplna ciała jest bezpośrednio proporcjonalna do ilości zawartej w nim substancji (mierzonej w przeliczeniu na masę, mole lub objętość). Podwojenie ilości substancji podwaja pojemność cieplną ciała, itd. Cząsteczki związków chemicznych podlegają różnym wewnętrznym wibracjom. Magazynowana energia potencjalna wewnętrznych stopniach swobody (drgania cząsteczek) wnosi wkład do zawartości energii w próbce, ale nie do jej temperatury. Więcej wewnętrznych stopni swobody (wiązań fizycznych i chemicznych w cząsteczce lub pomiędzy cząsteczkami) na ogół zwiększa pojemność cieplną substancji, o ile temperatura jest na tyle wysoka, że przezwycięża efekty kwantowe. W praktyce - temperatura pokojowa jest wystarczająca. Oznacza to, iż zwiększenie ilości grup polarnych czy też metalicznych w kryształach oraz wytworzenie wiązań pomiędzy nimi, podnosi wartość pojemności cieplnej substancji i taki efekt uzyskuje się po wprowadzeniu do mieszanki betonowej wspomnianych dodatków.For any substance, the body's heat capacity is directly proportional to the amount of substance it contains (measured in terms of weight, mole or volume). Doubling the amount of a substance doubles the body's heat capacity, etc. Molecules in a chemical compound are subject to different internal vibrations. The stored potential energy of the internal degrees of freedom (particle vibrations) contributes to the energy content of the sample, but not to its temperature. More internal degrees of freedom (physical and chemical bonds within or between molecules) generally increase the heat capacity of a substance as long as the temperature is high enough to overcome quantum effects. In practice, room temperature is sufficient. This means that increasing the number of polar or metallic groups in the crystals and creating bonds between them, increases the value of the heat capacity of the substance, and this effect is obtained when the mentioned additives are added to the concrete mix.

Zaletą jest również stosunkowo niewielki koszt wprowadzenia dodatków mechanicznych do betonu. Przykładowo koszt wiórów aluminiowych wynosi około 3000 zł/t. Zastosowanie takich wiórów jako składnika do betonu w wystarczającej ilości, to jest od 5% do 10% jego objętości w celu zalania wymiennika do domu jednorodzinnego o zapotrzebowaniu powietrza (240 m³/h) podniesie koszt całej inwestycji jedynie o około 200 zł, a uzyskane dzięki takiej modyfikacji efekty wymiany cieplnej zostaną zdecydowanie poprawione.Another advantage is the relatively low cost of introducing mechanical additives to the concrete. For example, the cost of aluminum chips is around PLN 3,000 / t. The use of such chips as a component for concrete in a sufficient amount, i.e. from 5% to 10% of its volume in order to flood the exchanger for a single-family house with an air requirement (240 m ³ / h), will increase the cost of the entire investment by only about PLN 200, and the resulting thanks to such a modification, the effects of heat exchange will be significantly improved.

W przypadku stosowania jako dodatków substancji chemicznych, ich ilość oraz skład chemiczny zdeterminowany jest od składu mieszanek betonowych, zawartości cementu i uziarnienia kruszyw. Dobór tych parametrów wynika z wcześniej wykonanych prób z różnymi stężeniami, z których wybiera się najbardziej optymalny procent dodatku do betonu. Optymalna zawartość dodatków nie powinna przekraczać ilości 50% z uwagi na zmianę parametrów fizykochemicznych betonu (czas wiązania, wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie po związaniu, konsystencja i sposób dozowania podczas pracy z mieszanką betonową).In the case of using chemical substances as additives, their amount and chemical composition is determined by the composition of concrete mixtures, cement content and aggregate grain size. The selection of these parameters results from previously performed tests with various concentrations, from which the most optimal percentage of concrete additive is selected. The optimal content of additives should not exceed 50% due to the change in the physical and chemical parameters of concrete (setting time, compressive and tensile strength after setting, consistency and dosing method when working with concrete mix).

PL 237 609 B1PL 237 609 B1

Dodatek w postaci Polimetakrylanu etylu - zależnie od wersji oraz sposobu syntezy - posiada budowę włóknistą lub rozgałęzioną. Materiał ten wykazuje własności hydrofitowe i uplastyczniające mieszanki betonowe. Dodatek do 3% poliemtakrylanów podnosi wytrzymałość mechaniczną betonów towarowych oraz zmniejsza ich nasiąkliwość. W połączeniu z układami polarnymi (glikol propylenowy, woda, alkohol poliwinylowy itp.) polimer ten tworzy trwałe układy, wiążące wodę. Właściwość zainspirowała twórców niniejszego wynalazku do opracowania nowego typu „akumulatora ciepła” będącego hybrydą mieszanki betonowej wykazującej zwiększoną pojemność cieplną. Mieszanka ta oprócz podstawowej cechy jaką jest wysoka wytrzymałość mechaniczna, pozwala na akumulowanie energii cieplnej celem jej późniejszego wykorzystania w gruntowym wymienniku ciepła.The additive in the form of polymethyl methacrylate - depending on the version and method of synthesis - has a fibrous or branched structure. This material shows water-repellent and plasticizing properties for concrete mixtures. The addition of up to 3% of polyacrylates increases the mechanical strength of ready-mixed concretes and reduces their water absorption. Combined with polar systems (propylene glycol, water, polyvinyl alcohol, etc.), this polymer forms durable systems that bind water. The property inspired the inventors of the present invention to develop a new type of "heat accumulator" which is a hybrid concrete mix exhibiting increased heat capacity. This mixture, in addition to the basic feature of high mechanical strength, allows the accumulation of thermal energy for its later use in a ground heat exchanger.

Substancje chemiczne wyżej wymienione są stosowane w przemyśle tam gdzie potrzebna jest zwiększona przewodność cieplna oraz zmagazynowanie lub przeniesienie energii cieplnej. Przykładowo glikol propylenowy i woda są głównymi składnikami płynów chłodzących w układach chłodzenia i wentylacji. Właściwości fizyczne tych materiałów skłoniły twórców niniejszego wynalazku do ich zupełnie nowego i efektywnego zastosowania w GWC. Przeszkodą w zastosowaniu dodatku glikolu jest praktyczny brak możliwości jego połączenia z betonem. Gdy dodamy do mieszanki betonowej zbyt wiele glikolu propylenowego czy wody - część z nich wypłynie. Stąd twórcy wynalazku zaproponowali wykorzystanie w charakterze łącznika oraz substancji wiążącej polimerów mających w swojej budowie grupy polarne łączące się z glikolami, takich jak polimetakrylan lub alkohol poliwinylowy. Polimery te pozwalają nie tylko wiązać wodę oraz glikole, ale również dzięki powinowactwu do składników mineralnych betonu, pozwalają na wytworzenie wiązań fizycznych pomiędzy składnikami kruszywa. W rezultacie oprócz wiązań powstałych w wyniku zastosowania cementu jako spoiwa, mieszanka betonowa jest utrzymywana poprzez dodatek polimetakrylanów i/lub alkoholu poliwinylowego lub ich połączeń razem. W takim wypadku do mieszaniny można dodać zwiększoną ilość wody lub substancji polarnej jak glikol propylenowy, które zwiększają przewodnictwo i pojemność cieplną mieszanki bez utraty parametrów wytrzymałościowych.The chemicals mentioned above are used in industry where increased thermal conductivity as well as storage or transfer of thermal energy is needed. For example, propylene glycol and water are the main components of coolants in cooling and ventilation systems. The physical properties of these materials prompted the present inventors to use them completely new and efficiently in GHE. The obstacle in using the glycol additive is the fact that it cannot be combined with concrete in practice. If we add too much propylene glycol or water to the concrete mix, some of them will flow out. Hence, the inventors proposed to use as a linker and binder polymers having in their structure polar groups combining with glycols, such as polymethacrylate or polyvinyl alcohol. These polymers allow not only to bind water and glycols, but also due to the affinity to the mineral components of concrete, they allow for the creation of physical bonds between the aggregate components. As a result, in addition to the bonds formed by the use of cement as a binder, the concrete mix is held in place by the addition of polymethacrylates and / or polyvinyl alcohol or their combinations together. In this case, an increased amount of water or a polar substance such as propylene glycol can be added to the mixture, which increases the conductivity and heat capacity of the mixture without losing strength parameters.

Domieszkowanie betonu musi być kontrolowane w taki sposób, by w jego efekcie uzyskać materiał, który zachowa wystarczające parametry materiału konstrukcyjnego wzmacniającego wytrzymałość GWC (domieszkowany beton straci na jakości wytrzymałościowej, ale w odpowiednich proporcjach wytrzymałość będzie w zupełności wystarczająca do uniesienia ciężaru gruntu nad wymiennikiem oraz poruszających się po gruncie maszyn), a jednocześnie będzie się wykazywał zadowalającym współczynnikiem pojemności cieplnej oraz przewodności cieplnej. Po dodaniu tych substancji dodatkowych i stworzeniu wylewki „betonowej otrzymuje się hybrydę polimerowo-betonową z dodatkami substancji wiążących wodę czy też glikole. Taka hybryda betonowo-polimerowa aby wiązała ciepło i zbytnio nie oddawała go do gruntu (zwłaszcza wilgotnego) powinna być odizolowana od niego (np. warstwą ze styropianu lub styroduru lub grubą warstwą żwiru lub suchego piasku) celem przeciwdziałania stratom ciepła do gruntu. Taka izolacja symuluje posadowienie wymiennika na głębokości 7-9 m pod powierzchnią terenu, co zwiększa jego efektywność wymiany cieplnej.The doping of concrete must be controlled in such a way as to obtain a material that maintains sufficient parameters of the construction material that strengthens the strength of the GHE (doped concrete will lose its strength quality, but in appropriate proportions the strength will be sufficient to bear the weight of the soil above the heat exchanger and on the ground of machines), and at the same time it will show a satisfactory coefficient of heat capacity and thermal conductivity. After adding these additives and creating a concrete screed, you get a polymer-concrete hybrid with additives that bind water or glycols. Such a concrete-polymer hybrid that binds heat and does not give it too much to the ground (especially when wet) should be insulated from it (e.g. with a layer of polystyrene or styrodur or a thick layer of gravel or dry sand) in order to prevent heat loss to the ground. Such insulation simulates the foundation of the exchanger at a depth of 7-9 m below the ground surface, which increases its heat exchange efficiency.

Pomysł zastosowania domieszkowanego betonu jako magazynu energii cieplnej powstał przy okazji wzmacniania podłoża nad gruntowymi wymiennikami ciepła, po to by stworzyć nad nimi „poduszkę grzejną. Rozwiązanie jest ukierunkowane na podniesienie wydajności energetycznej GWC.The idea of using doped concrete as a thermal energy store arose when strengthening the ground above ground heat exchangers in order to create a "heating pad" above them. The solution is aimed at increasing the energy efficiency of the GHE.

Efektywność rozwiązania według wynalazku - dużo wyższą niż w dotychczas stosowanych GWC rurowych o większych średnicach rur - w którym zastosowano ułożone blisko siebie cienkie rury o średnicy dn 90 mm potwierdzono poprzez przeprowadzone obliczenia. Założeniem zgłaszanego układu było to żeby rury wymiany cieplnej dla przykładu obliczeniowego o średnicy dn 200 mm (najczęściej we wszystkich systemach stosowana średnica rur wymiany cieplnej) zastąpić tyloma rurami o mniejszych średnicach aby zachować taką samą wielkość przepływu powietrza, z taką samą prędkością powietrza. Dla przykładu w porównaniu do wymaganego i określonego przepływu powietrza zgodnie z oficjalnymi programami doboru w jednej rurze dn 200 mm, można zastosować 6 rur dn 90 mm (na szerokości jednego metra). Taki wymiennik dalej zajmowałby na szerokość ten sam wymiar ale wymiana cieplna powietrza z gruntem byłaby o wiele łatwiejsza do uzyskania i lepsza. Obwód rury dn 200 mm wynosi 0,628 m, natomiast obwód sześciu rur dn 90 mm wynosi łącznie 1,692 m (obwód jednej rury dn 90 mm wynosi 0,282 m). W ten sposób zwiększamy pole powierzchni wymiany cieplnej 2,22 razy. Pole przekroju z kolei rury dn 200 mm wynosi 0,0314 m² a łączne pole przekroju dla sześciu rur dn 90 mm wynosi 0,0324 m², co jest wartością pozytywną bo większą. Tymi sześcioma rurami dn 90 mm przetransportować można z taką samą prędkością podobną ilość powietrza. Analiza wyników badań i obliczeń wykazuje, że im mniejsze są przekroje - średnice rur wymiany cieplnej tym krótsza może być długość rurThe effectiveness of the solution according to the invention - much higher than in the previously used pipe GHEs with larger pipe diameters - in which thin pipes with a diameter of 90 mm were arranged close to each other, were confirmed by the performed calculations. The assumption of the reported system was that the heat exchange pipes for the calculation example with a diameter of dn 200 mm (most often the diameter of the heat exchange pipes used in all systems) should be replaced with as many pipes of smaller diameters to maintain the same amount of air flow, with the same air velocity. For example, compared to the required and specified air flow in accordance with the official selection programs in one pipe dn 200 mm, 6 pipes dn 90 mm (one meter wide) can be used. Such an exchanger would still be the same width across, but the heat exchange of air with the ground would be much easier and better to obtain. The circumference of the pipe dn 200 mm is 0.628 m, while the circumference of six pipes dn 90 mm is 1.692 m in total (the circumference of one pipe dn 90 mm is 0.282 m). Thus, we increase the heat exchange surface area 2.22 times. The cross-sectional area of the pipes dn 200 mm is 0.0314 m ² and the total cross-sectional area for six pipes dn 90 mm is 0.0324 m ² , which is a positive value because it is greater. With these six 90 mm pipes, a similar amount of air can be transported at the same speed. The analysis of the results of tests and calculations shows that the smaller the cross-sections - the diameters of the heat exchange pipes, the shorter the length of the pipes can be

PL 237 609 B1 w celu dokonania maksymalnej - pełnej wymiany ciepła. Jest granica ekonomiczna kiedy dalsze przedłużanie rur wymiany cieplnej jest nieopłacalne bo nie przynosi znaczących albo nawet żadnych efektów pod względem wymiany cieplnej. To jest także zgodne z programami doboru producentów GWC, z których wynika, że dla GWC rurowych długość pojedynczej rury wymiany cieplnej dn 200 mm to ponad 30 mb w wilgotnym gruncie, a nawet 57 mb przy suchym gruncie.For maximum - complete heat transfer. There is an economic limit when further lengthening of the heat exchange tubes is uneconomical because it does not bring significant or even no effects in terms of heat exchange. This is also consistent with the selection programs of GHE producers, which show that for pipe GHEs, the length of a single heat exchange pipe dn 200 mm is over 30 m in moist soil, and even 57 m in dry soil.

Natomiast w rozwiązaniu według wynalazku dla średnicy rur do dn 105 mm w gruntach zawilgoconych długość rur wymiany cieplnej nigdy nie przekracza 30 mb, korzystnie 15 mb i takie parametry będą wystarczające do zapewnienia pełnej wymiany cieplnej.However, in the solution according to the invention, for a pipe diameter of up to 105 mm in moist soils, the length of the heat exchange pipes never exceeds 30 m, preferably 15 m, and such parameters will be sufficient to ensure complete heat exchange.

Znaną cechą przepływu powietrza w rurach jest to, że największa ilość powietrza płynie zdecydowanie środkiem rury, a przy ściankach rur, to jest tam gdzie przecież następuje najlepsza wymiana cieplna, powietrze płynie z małą prędkością. Zatem rozdzielenie strumienia powietrza na jak największą ilość rur o mniejszych średnicach jest z punktu widzenia dobrej wymiany cieplnej zdecydowanie zasadne.A known feature of air flow in pipes is that the greatest amount of air flows by far in the center of the pipe, and at the walls of the pipes, that is where the best heat exchange takes place, the air flows at a low speed. Therefore, dividing the air stream into as many pipes with smaller diameters as possible is definitely justified from the point of view of good heat exchange.

Wysoka efektywność wymienników według wynalazku została również potwierdzona w praktyce na prototypowo wykonanym wymienniku. Ponadto zlecono niezależnemu podmiotowi (FLOWTEK SYMULACJE 3D z Krakowa) przeprowadzenie trójwymiarowej analizy numerycznej CFD efektywności rurowego GWC dla różnych wariantów jego wykonania, która została wykonana przy użyciu specjalistycznego, komercyjnego oprogramowania CFD2000, który jest szeroko walidowany i potwierdza bardzo dobrą zgodność wyników z innymi światowej reputacji oprogramowaniami CFD oraz z badaniami wykonanymi dla rzeczywistych instalacji.The high efficiency of the exchangers according to the invention was also confirmed in practice on a prototype exchanger. In addition, an independent entity (FLOWTEK 3D SIMULATIONS from Krakow) was commissioned to carry out a three-dimensional numerical CFD analysis of the effectiveness of a tubular GWC for various variants of its implementation, which was performed using specialized, commercial CFD2000 software, which is widely validated and confirms very good compliance of the results with other global reputation CFD software and with tests performed for real installations.

Porównanie efektywności różnych wariantów wymienników przedstawiono w tabeli nr 2. Wnioski z analizy są następujące:The comparison of the effectiveness of various variants of exchangers is presented in Table 2. The conclusions of the analysis are as follows:

- efektywność GWC w wariancie 6 x Dn = 90 mm o długości 15 m jest zbliżona do efektywności GWC Dn = 200 mm o długości 40 m. Różnica wyniosła zaledwie 0,3°C;- the efficiency of the GHE in the variant 6 x Dn = 90 mm with a length of 15 m is close to the efficiency of GHE Dn = 200 mm with a length of 40 m. The difference was only 0.3 ° C;

- poprawę efektywności o 0,6°C GWC zaobserwowano przy zastosowaniu styropianu o grubości 10 cm; im grubsza warstwa styropianu tym lepsza izolacja od temperatury zewnętrznej; zaleca się stosować warstwę styropianu 15 cm lub grubszą;- efficiency improvement by 0.6 ° C GHE was observed when using 10 cm thick polystyrene; the thicker the polystyrene layer, the better the insulation from the outside temperature; it is recommended to use a layer of polystyrene 15 cm or thicker;

- znaczącą poprawę efektywności GWC w zimie zaobserwowano przy instalacji wymiennika pod budynkiem; efektywność GWC wzrosła o 3,2°C w porównaniu z montażem pod warstwą styropianu 10 cm; efektywność GWC w lecie nie uległa zmianie;- a significant improvement in the efficiency of GHE in winter was observed when the heat exchanger was installed under the building; the efficiency of the GHE increased by 3.2 ° C as compared to the installation under a 10 cm layer of polystyrene; the efficiency of the GHE in the summer has not changed;

- dalszą poprawę efektywności GWC o 1,9°C w zimie i o 0,8°C w lecie uzyskano po zwiększeniu długości rur wymiennika z 15 do 21 m.- further improvement of the GHE efficiency by 1.9 ° C in winter and by 0.8 ° C in summer was obtained after increasing the length of the exchanger pipes from 15 to 21 m.

Zgodnie z oficjalnie stosowanymi programami doboru producentów dotychczasowych układów GWC z średnicami rur > 110 mm, temperatura powietrza za GWC zimą nigdy nie osiąga temperatur większych niż +1 °C. Wszyscy producenci nastawiają się aby w najlepszym przypadku osiągnąć temperaturę niewiele powyżej zera (maksymalnie +1°C) i to uważa się za sukces. Uzyskanie większych temperatur powietrza za wymiennikiem możliwe byłoby jedynie poprzez znaczne zwiększenie ilości rur, ale w takim przypadku koszty instalacji nie będą miały absolutnie ekonomicznego uzasadnienia.According to the officially applied programs for the selection of producers of the existing GHE systems with pipe diameters> 110 mm, the air temperature after the GHE in winter never reaches temperatures higher than +1 ° C. All manufacturers are committed to achieving a temperature just above zero at best (maximum + 1 ° C) and this is considered a success. Obtaining higher air temperatures downstream the exchanger would only be possible by significantly increasing the number of pipes, but in this case the installation costs will not be absolutely economically justified.

Jak pokazują wyniki, rozwiązanie według niniejszego wynalazku pozwala osiągnąć zimą temperaturę za GWC na poziomie kilku stopni na plusie (nawet 6,5°C w jednym z wariantów GWC wskazanym w tabeli nr 2), co jest absolutnie przełomowym wynikiem, nieosiągalnym w stosowanych wcześniej GWC rurowych.As the results show, the solution according to the present invention allows to reach the temperature behind the GHE in winter at a level of several degrees plus (even 6.5 ° C in one of the variants of GHE indicated in Table 2), which is an absolutely breakthrough result, unattainable in the previously used GHE. tubular.

Podsumowując ocenę zalet rozwiązania według wynalazku można stwierdzić, że do najważniejszych należą:Summarizing the assessment of the advantages of the solution according to the invention, it can be stated that the most important are:

- zdecydowane obniżenie kosztów zakupu i montażu GWC w systemie rurowym,- significant reduction of the cost of purchase and installation of GHE in the pipe system,

- podniesienie wytrzymałości na nacisk z góry,- increasing the resistance to pressure from above,

- zdecydowanie lepsza wymiana cieplna od wcześniej stosowanych rozwiązań,- definitely better heat exchange than previously used solutions,

- poprzez zmniejszenie średnic rur, ich rozstawu oraz skrócenie ich długości - zmniejszenie pola powierzchni pracy (zalegania) GWC, a co za tym idzie istotne zmniejszenie kosztów, w tym kosztów materiałów oraz robót ziemnych,- by reducing the diameter of the pipes, their spacing and shortening their length - reducing the working area (residual) of the GHE, and thus a significant reduction in costs, including the costs of materials and earthworks,

- poprzez zalanie GWC warstwą betonu - istotne zwiększenie wytrzymałość na nacisk z góry (uśredniony pomiar nacisku wynosi 434 t/m²), dzięki czemu takie wymienniki można stosować w trudnych warunkach, np. pod płytą fundamentową, pod drogami, parkingami itp.- by pouring the GHE with a layer of concrete - a significant increase in the pressure resistance from above (the average pressure measurement is 434 t / m ² ), thanks to which such exchangers can be used in difficult conditions, e.g. under the foundation slab, under roads, parking lots, etc.

- z uwagi na małą powierzchnię pracy GWC (kilkukrotnie mniejszą niż w dotychczas stosowanych rozwiązaniach GWC) opłacalnym stało się zaizolowanie wymiennika od góry np. styropianem lub styrodurem, co symuluje posadowienie na głębokości 7-9 m pod powierzchnią terenu- due to the small working area of the GHE (several times smaller than in the previously used GHE solutions) it has become profitable to insulate the exchanger from above with e.g. polystyrene or styrodur, which simulates the foundation 7-9 m below the ground surface

PL 237 609 B1 i wpływa na polepszenie efektywności wymiany cieplnej; do tej pory z uwagi na dużą powierzchnię pracy GWC rurowych pomijano izolację, aby nie podnosić nadmiernie kosztów instalacji, - możliwość montażu wymiennika rurowego w gruntach zawodnionych.PL 237 609 B1 and influences the improvement of the heat exchange efficiency; Until now, due to the large working area of pipe GHEs, the insulation was omitted so as not to excessively increase the installation costs, - the possibility of installing a pipe heat exchanger in wet soils.

Według zaleceń producentów GWC oraz zwykłej logiki w okresie kiedy temperatura powietrza na zewnątrz jest dodatnia ale w wysokości kilku lub kilkunastu stopni wskazane jest ominięcie poprzez bypas układu GWC, gdyż w domu potrzebujemy temperaturę +20°C lub więcej. Tak są zaprogramowane systemy do sterowania przepustnicami do GWC samoczynnie zamykające się w zależności od temperatur. Transport powietrza przez GWC w te z pozoru ciepłe dni ochładzałoby to powietrze niepotrzebnie. Wtedy poprzez bypas powietrze płynie z czerpni ściennej bezpośrednio na centralę wentylacyjną omijając GWC, a kosztowna instalacja GWC pozostaje przez dużą część roku niewykorzystana. GWC jest zatem głównie wykorzystywane tylko przez dwa sezony, wyłącznie latem, to jest przy wysokich temperaturach na zewnątrz - w celu chłodzenia powietrza oraz zimą to jest przy niskich temperaturach na zewnątrz - w celu jego podgrzania. Analizując pracę i działanie solarów znanych z dotychczasowego stanu techniki, w tym najnowszych generacji solarów pracujących na bazie nanorurek i czerpiących ciepło między innymi z podczerwieni, a więc w okresie gdy słońce nie świeci, twórcy niniejszego wynalazku postanowili te rozwiązania zaadoptować do układu GWC w celu podgrzania rur wymiany cieplnej poprzez ułożenie instalacji solarnej oddającej ciepło w betonowej warstwie otaczającej rury. Podgrzana warstwa otaczająca rury wymiany cieplnej oddawać będzie ciepło do wewnątrz rur ogrzewając powietrze w nich płynące. Klasyczne solary nawet przy temperaturach minus kilkanaście stopni podgrzewają medium w nich płynące do ponad +40°C w słoneczne dni. Skierowanie tego ciepła w chłodne dni jesieni, zimy, wiosny do podgrzania właśnie betonu otaczającego GWC rurowy spowoduje ogrzanie przepływającego rurami powietrza w tych okresach do temperatur powyżej 20°C, co z kolei zostanie wykorzystane do częściowego ogrzania obiektu i obniży całkowity koszt ogrzewania. Zastosowanie systemów solarowych umożliwia wykorzystanie w pełni GWC przez cały rok a nie tylko przez dwa sezony jak do tej pory było to praktykowane.According to the recommendations of the GHE producers and the usual logic, in the period when the outside air temperature is positive, but at a height of several or several degrees, it is advisable to bypass the GHE system bypassing it, because at home we need a temperature of + 20 ° C or more. This is how the systems for controlling dampers to the GHE are programmed automatically closing depending on the temperature. Transport of air through the GHE on these seemingly warm days would cool the air unnecessarily. Then, through the bypass, the air flows from the wall air intake directly to the air handling unit, bypassing the GHE, and the costly GHE installation remains unused for a large part of the year. The GHE is therefore mainly used for only two seasons, only in summer, i.e. at high temperatures outside - to cool the air, and in winter, i.e. at low temperatures outside - to heat it. Analyzing the work and operation of solar panels known from the prior art, including the latest generation of solar panels working on the basis of nanotubes and drawing heat, inter alia, from infrared, i.e. in the period when the sun is not shining, the inventors decided to adapt these solutions to the GHE system in order to heat heat exchange pipes by laying a solar thermal system in the concrete layer surrounding the pipes. The heated layer surrounding the heat exchange pipes will emit heat to the inside of the pipes, warming the air flowing in them. Classic solar panels, even at temperatures of minus a dozen degrees, heat the medium flowing in them to over + 40 ° C on sunny days. By directing this heat to the cold days of autumn, winter and spring to heat the concrete surrounding the GHE, the tubular GHE will heat the air flowing through the pipes to temperatures above 20 ° C in these periods, which in turn will be used to partially heat the facility and reduce the total cost of heating. The use of solar systems makes it possible to fully use the GHE throughout the year, and not only for two seasons, as it has been practiced so far.

Latem kiedy instalacja solarna nie będzie wykorzystywana bo GWC ma wtedy chłodzić powietrze, rurki od instalacji solarnej korzystnie można wykorzystać do chłodzenia. Wtedy do tych samych rurek od solarów można wtłoczyć zimną wodę na przykład ze studni głębinowej lub wodę z agregatu wody lodowej.In the summer, when the solar installation will not be used because the GHE is to cool the air, the pipes from the solar installation can be advantageously used for cooling. Then, cold water, for example from a deep well or water from a chilled water unit, can be pumped into the same solar tubes.

Zastosowanie systemów solarnych i/lub dodatkowych systemów chłodzących nadaje rozwiązaniu według wynalazku kolejnych niezaprzeczalnych zalet:The use of solar systems and / or additional cooling systems gives the solution according to the invention further undeniable advantages:

- efektywne wykorzystanie GWC przez wszystkie sezony w roku, a nie jak dotychczas tylko w dwóch, to jest zimą i latem,- effective use of GHE throughout all seasons of the year, and not only in two seasons, i.e. in winter and summer,

- poprzez zastosowanie solarów - dodatkowe dogrzanie powietrza transportowanego przez rury wymiennika w miesiącach chłodnych,- through the use of solar panels - additional heating of the air transported through the exchanger pipes in the cold months,

- poprzez zastosowanie systemu schładzania w postaci agregatu wody lodowej lub wody ze studni głębinowej - dodatkowe chłodzenie powietrza transportowanego przez rury wymiennika w okresie letnim.- through the use of a cooling system in the form of an ice water unit or water from a deep well - additional cooling of the air transported through the exchanger pipes in the summer.

Rozwiązanie według wynalazku zostanie bliżej przedstawione na podstawie poniższych przykładów realizacji oraz na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ wymiennika według wynalazku w widoku z góry, fig. 2 - układ GWC w przekroju poprzecznym w wersji zalanej betonem, z instalacją solarną, fig. 3 - kolektor z przyłączonymi rurami wymiany cieplnej.The solution according to the invention will be presented in more detail on the basis of the following examples of implementation and in the drawing, in which Fig. 1 shows the heat exchanger system according to the invention in a top view, Fig. 2 - a GHE system in cross-section in the version poured with concrete, with a solar installation, Fig. 3 - collector with connected heat exchange pipes.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Układ szczelnego rurowego gruntowego wymiennika ciepła, instalowany w gruncie rodzimym 1, zawierający kanały powietrzne w postaci rur 2, w których następuje wymiana cieplna transportowanego powietrza z gruntem 1, połączone z jednej strony z kolektorem rozdzielającym 3 a z drugiej strony z kolektorem zbierającym 4, przy czym kolektor rozdzielający 3 połączony jest za pomocą kanału transportowego 5 z czerpnią powietrza 6, natomiast kolektor zbierający 4 połączony jest za pomocą kanału transportowego wyjściowego 7 z centralą wentylacyjną lub innym odbiornikiem powietrza 8, zawiera kanały powietrzne wymiany cieplnej w postaci sześciu rur 2 o średnicy dn 90 mm, długości 15 mb, posadowionych w odległości kilku cm od siebie, tak aby szerokość obszaru pracy wymiennika wynosiła 1 m. Ilość rur 2, średnica oraz długość są indywidualnie dobrane do przepływu powietrza 240 m³/h, gwarantującego prawidłową wymianę cieplną powietrza z gruntem 1 dla wymiennika montowanego pod obiektem.A sealed tubular ground heat exchanger system installed in the native soil 1, comprising air ducts in the form of pipes 2, in which the transported air is heat exchanged with the ground 1, connected on one side with the separating collector 3 and on the other side with the collecting collector 4, whereby the separating collector 3 is connected by means of a transport channel 5 to an air intake 6, while the collecting collector 4 is connected by means of an exit transport channel 7 to an air handling unit or other air receiver 8, includes heat exchange air channels in the form of six pipes 2 with a diameter of dn 90 mm, 15 m long, placed at a distance of a few cm from each other, so that the width of the exchanger's working area is 1 m. The number of pipes 2, diameter and length are individually matched to the air flow of 240 m ³ / h, ensuring proper heat exchange of air with the ground 1 for an exchanger mounted under the building.

K anały powietrzne 2 wymiany cieplnej ułożone są w układzie Tichelmanna.The heat exchange air channels 2 are arranged in the Tichelmann system.

PL 237 609 B1PL 237 609 B1

Rury 2 wymiany cieplnej wykonane są z polietylenu i zgrzane są z kolektorami 3 i 4 poprzez polifuzję.The heat exchange tubes 2 are made of polyethylene and are welded to the collectors 3 and 4 by polyfusion.

Pod warstwą gruntu rodzimego 1, na zewnętrznej powierzchni kanałów powietrznych w postaci rur 2 zalana jest warstwa betonu 9, która tworzy betonową płytę wzmacniającą, w której rury 2 są posadowione.Under the native soil layer 1, on the outer surface of the air ducts in the form of pipes 2, a concrete layer 9 is poured, which forms a concrete reinforcement plate in which the pipes 2 are seated.

Przykładowe optymalne składy mieszanek betonowych, do których aplikowane mogą być dodatki polepszające ich właściwości:Examples of optimal compositions of concrete mixtures to which additives improving their properties may be applied:

Mieszanka betonowa 1.Concrete mix 1.

Cement portlandzki (typ 35) - 20%Portland cement (type 35) - 20%

Piasek - 70%Sand - 70%

Żwir 1-3 cm - 10%Gravel 1-3 cm - 10%

Plastyfikator betonowy - lignosulfonian sodu - 5 g na 50 kg suchej mieszanki.Concrete plasticizer - sodium lignosulfonate - 5 g per 50 kg of dry mix.

Woda - do uzyskania właściwej konsystencji - co najmniej 40 litrów na 50 kg suchej mieszanki.Water - until obtaining the right consistency - at least 40 liters for 50 kg of dry mix.

Mieszanka betonowa 2.Concrete mix 2.

Cement portlandzki (typ 32,5) - 25%Portland cement (type 32.5) - 25%

Piasek - 50%Sand - 50%

Żwir 1-3 cm - 20%Gravel 1-3 cm - 20%

Żwir 4-8 cm - 5%Gravel 4-8 cm - 5%

Woda - do uzyskania właściwej konsystencji - co najmniej 45 litrów na 50 kg suchej mieszanki.Water - to obtain the correct consistency - at least 45 liters per 50 kg of dry mix.

Nad betonową płytą wzmacniającą 9 układ zawiera warstwę gruntu rodzimego 1, a nad nią warstwę izolacji 12 o parametrach polepszających efekt akumulacji cieplnej, w postaci warstwy styropianu.Above the concrete reinforcement plate 9, the system includes a native soil layer 1, and above it, an insulation layer 12 with parameters improving the heat accumulation effect, in the form of a polystyrene layer.

Mieszanka betonowa, z której wykonana jest betonowa płyta wzmacniająca 9 wzbogacona jest w dodatki zwiększające jej pojemność cieplną i parametry przewodności cieplnej, korzystnie w ilości nie większej niż 50% masy mieszanki.The concrete mix of which the concrete reinforcement plate 9 is made is enriched with additives increasing its heat capacity and thermal conductivity parameters, preferably in an amount not greater than 50% of the mix weight.

Przykładowe składy mieszanek stosowanych jako dodatki do masy betonowej:Examples of compositions of mixtures used as additives to concrete mass:

Mieszanka dodatków 1 (dodatki mechaniczne)Mixture of additives 1 (mechanical additives)

Wióry aluminiowe w ilości 10% masy mieszanki betonowej.Aluminum chips in the amount of 10% of the mass of the concrete mix.

Mieszanka dodatków 2 (dodatki chemiczne)Mixture of additives 2 (chemical additives)

Polimetakrylan etylu AP40 - 20%AP40 polymethacrylate - 20%

Alkohol poliwinylowy (10%-owy) - 40%Polyvinyl alcohol (10%) - 40%

Woda - 20%Water - 20%

Glikol polietylenowy PEG 1000 - 20%PEG 1000 polyethylene glycol - 20%

Mieszankę należy przygotować bezpośrednio przed dodaniem do mieszanki betonowej. Dodatek stosuje się w ilości 1-50% względem całkowitej ilości betonu, korzystnie w ilości nie przekraczającej 10% względem masy betonu.The mix should be prepared immediately before adding it to the concrete mix. The additive is used in an amount of 1-50% of the total amount of concrete, preferably in an amount not exceeding 10% of the weight of the concrete.

Mieszanka dodatków 3 (dodatki chemiczne)Mixture of additives 3 (chemical additives)

Dyspersja wodna kopolimeru akrylowego (nazwa handlowa Osakryl ADG) - 15%Water dispersion of acrylic copolymer (trade name Osakryl ADG) - 15%

Alkohol poliwinylowy (10%-owy) - 50%Polyvinyl alcohol (10%) - 50%

Glikol polietylenowy PEG 2000 - 20%Polyethylene glycol PEG 2000 - 20%

Glikol propylenowy - 5%Propylene glycol - 5%

Woda - 10%Water - 10%

Mieszankę należy przygotować bezpośrednio przed dodaniem do mieszanki betonowej. Dodatek stosuje się w ilości do 20% względem masy betonu.The mix should be prepared immediately before adding it to the concrete mix. The additive is used in an amount of up to 20% of the weight of concrete.

Mieszanka dodatków 4 (dodatki chemiczne)Mixture of additives 4 (chemical additives)

Alkohol poliwinylowy (10%-owy) - 70%Polyvinyl alcohol (10%) - 70%

Glikol polietylenowy PEG 1000 - 10%PEG 1000 polyethylene glycol - 10%

Glicerol - 20%Glycerol - 20%

PL 237 609 Β1PL 237 609 Β1

Mieszankę można przygotować wcześniej i przechowywać w temperaturze pokojowej, w pojemnikach uniemożliwiających jej wysychanie. Dodatek stosuje się w ilości do 30% względem całkowitej masy betonu.The mixture can be prepared in advance and stored at room temperature in containers preventing it from drying out. The additive is used in an amount up to 30% of the total mass of concrete.

Mieszanka dodatków 5 (dodatki chemiczne)5 additive blend (chemical additives)

Dyspersja wodna kopolimeru akrylowego (nazwa handlowa Osakryl AP40) - 80%Water dispersion of acrylic copolymer (trade name Osakryl AP40) - 80%

Glikol polietylenowy PEG 1000 - 20%PEG 1000 polyethylene glycol - 20%

Mieszankę stanowiącą dodatek do betonu można przygotować wcześniej i przechowywać z dala od promieni słonecznych, w pojemnikach szczelnie zamkniętych. Dodatek stosuje się w ilości 1-50% względem masy betonu.The mixture, which is an additive to concrete, can be prepared in advance and stored away from sunlight, in tightly closed containers. The additive is used in an amount of 1-50% based on the weight of the concrete.

Ponadto układ zawiera instalację solarną oddającą ciepło w okresach chłodnych, przy czym rurki 10 solarów ułożone są w warstwie betonu 9 otaczającej rury 2 wymiany cieplnej wymiennika, przy czym w okresach wysokich temperatur na zewnątrz, rurki 10 solarów wypełnione są płynem chłodzącym w postaci zimnej wody doprowadzonej z agregatu wody lodowej.In addition, the system comprises a solar installation that releases heat during cold periods, where the solar tubes 10 are arranged in the concrete layer 9 surrounding the heat exchange tubes 2 of the exchanger, and during periods of high outside temperatures, the solar tubes 10 are filled with a cooling fluid in the form of cold water supplied. from the chiller.

Montaż gruntowego wymiennika ciepła będącego przedmiotem niniejszego wynalazku nie różni się zasadniczo niczym od montażu stosowanych dotychczas GWC. W przykładowym montażu kolejność robót zaczyna się od wykonania wykopu o właściwych wymiarach zgodnie z projektem. Wykop wykonuje się na głębokość minimum 2 m w najwyższym punkcie układanego GWC ze spadkiem w kierunku studni kondensatu. Głębokość posadowienia GWC - minimum 2 m poniżej terenu w najwyższym punkcie instalacji jest niezbędna dla jego właściwej pracy. Ta obliczona i potwierdzona badaniami warstwa ziemi 2 m gruntu nad GWC rurowym jest wystarczającą warstwą do odizolowania instalacji od warunków zewnętrznych, to jest przegrzewania gruntu latem i przechładzania zimą. GWC można zaizolować od góry styropianem lub styrodurem. Z uwagi na małą powierzchnię pracy koszty wykonania izolacji nie są duże i stają się uzasadnione ekonomicznie.The assembly of the ground heat exchanger object of the present invention does not differ substantially from the assembly of the GHEs used so far. In the exemplary installation, the sequence of works begins with the execution of a trench with the correct dimensions in accordance with the design. The excavation is made at a minimum depth of 2 m at the highest point of the GHE being laid with a slope towards the condensate well. The foundation depth of the GHE - a minimum of 2 m below the ground at the highest point of the installation is necessary for its proper operation. The soil layer of 2 m above the GHE, calculated and confirmed by tests, is a sufficient layer to isolate the installation from external conditions, i.e. overheating the ground in summer and supercooling in winter. The GHE can be insulated from the top with polystyrene or styrodur. Due to the small working area, the costs of making the insulation are not high and become economically justified.

Wykop wykonuje się korzystnie o jeden metr większy poza obrys samego wymiennika. Wykop wykonuje się już ze spadkiem jaki będą mieć kolektory oraz rury wymiany cieplnej. Po wykonaniu wykopu całą jego przestrzeń wyrównuje się i zagęszcza. Na tej przygotowanej przestrzeni układa się kolektory ze spadkiem minimum 1 % oraz rury wymiany cieplnej ze spadkiem minimum 2%. Rury łączy się zgodnie z wybraną technologią albo tradycyjnie mufami z uszczelkami lub elektrooporowo lub doczołowo lub ekstruzyjnie lub zgrzewa się poprzez polifuzję. W gruntach o wysokim poziomie wód gruntowych należy wykonywać połączenia rur poprzez zgrzewanie elektrooporowe lub doczołowe a przy wilgotnych gruntach ale nie zagrażających GWC połączenia na mufy z uszczelkami.The excavation is preferably one meter larger than the outline of the exchanger itself. The excavation is carried out with the slope of the collectors and heat exchange pipes. After the excavation is completed, its entire space is leveled and compacted. In this prepared space, collectors with a decrease of at least 1% and heat exchange pipes with a decrease of at least 2% are placed. The pipes are connected according to the selected technology, either traditionally with couplings with gaskets or by electrofusion or butt or extrusion or by polyfusion welding. In soils with a high level of groundwater, pipe connections should be made by electrofusion or butt welding, and in wet grounds, but not threatening the GHE, joints with gaskets should be made.

W przypadku wybrania opcji z wykorzystaniem solarów do podgrzewania powietrza, wzdłuż rur wymiany cieplnej układa się zgodnie z wytycznymi producenta grzewczą instalację solarną. Całość czyli ułożony GWC rurowy można zalać betonem, tak aby górna powierzchnia betonu zakryła rury wymiany cieplnej.If the option with the use of solar panels for air heating is selected, the solar heating installation is arranged along the heat exchange pipes in accordance with the manufacturer's guidelines. The whole, i.e. the laid BHE, can be poured with concrete so that the upper surface of the concrete covers the heat exchange pipes.

Tabela 1.Table 1.

Wartość strumienia ciepła w zależności od jakości podłoża |The value of the heat flux depending on the quality of the substrate |

Jakość podłoża gruntowego The quality of the subsoil Strumień ciepła [W/m²]Heat flux [W / m ² ] Grunt suchy niespoisty Non-cohesive dry ground 10 10 Grunt spoisty wilgotny Moist cohesive soil 20-30 20-30 Grunt żwirowy i gliniasty nasycony wodą Gravel and clay soil saturated with water 40-50 40-50 Lupki bitunpczne Bitunit loupes 55 55 Lite skały Solid rocks 80 80 Podłoże o dużym przepływie wody Substrate with high water flow 100 100

PL 237 609 Β1PL 237 609 Β1

Tabela 2.Table 2.

Wariant rurowego GWC Variant of the tubular BHE Trakt ^{za SWC} Route ^{behind SWC} T_mr za GWCT _mr for GHE Rurowy GWC Dn=200 mm, diugość 40 m, przepływ 24$ m3/h Tubular GHE Dn = 200 mm, length 40 m, flow rate 24 m3 / h 15,9 15.9 1,2 1.2 Rurowy GWC 6xDn90 mm, długość 15 m, szerokość Im, przepływ 240 m3/h Tubular GHE 6xDn90 mm, length 15 m, width Im, flow 240 m3 / h 16,3 16.3 0,8 0.8 Rurowy GWC 6xbn90 mm, długość 15 m, szerokość Im,· przepływ 120 m3/h Tubular GHE 6xbn90 mm, length 15 m, width Im, flow 120 m3 / h 15,0 15.0 2,0 2.0 Rurowy GWC 6xDn90 mm, długość 15 m, szerokość Im, przepływ 240 m3/h, styropian 10 cm Tubular GHE 6xDn90 mm, length 15 m, width Im, flow 240 m3 / h, polystyrene 10 cm 15,7 15.7 1,4 1.4 Rurowy GWC 6xDn90 mm, długość 15 m, szerokość Im, przepływ 240 m3/h, pod budynkiem Tubular GHE 6xDn90 mm, length 15 m, width Im, flow 240 m3 / h, under the building 15,S 15, p 4,6 4.6 Rurowy GWC 6xDn90 mm, długość 21 m, szerokość im, przepływ 240 m3/h, pod budynkiem ; Tubular GHE 6xDn90 mm, length 21 m, width m, flow 240 m3 / h, under the building; 15,0 15.0 6,5 6.5

Zastrzeżenia patentowePatent claims

Claims

1. A system of a sealed tubular ground heat exchanger, installed in the native soil, containing air ducts in the form of pipes, connected on the one hand to the separating collector and on the other hand to the collecting collector, the separating collector being connected by means of a transport channel to the air intake, while the collecting collector is connected by means of an outlet transport channel with an air handling unit or other air receiver, characterized in that the heat exchange air channels are in the form of pipes (2) with small diameters in the range up to 105 mm, length in the range from 10 to 30 m, and the pipes (2) are located in close proximity to each other, not more than 40 cm, and are technologically connected longitudinally, traditionally with couplings with gaskets or electrofusion or butt joints, forming a pipe panel, also under the native soil layer (1), on the outer the surface of the air channels in the form of pipes (2) is flooded with a layer of concrete (9), which ra forms a concrete reinforcing slab in which the pipes (2) are placed, and the concrete mix which the concrete reinforcement plate (9) is made of is enriched with additives increasing its heat capacity and thermal conductivity parameters, preferably in an amount not greater than 50 % by weight of the mixture, selected from:

- mechanical additives in the form of aluminum chips or polymer-wood composites in which the polymer is: Polymethacrylate or Poly (vinyl acetate) or polyvinyl alcohol, or steel chips, or carbon complexes containing pure carbons in the form of graphite oxide or active carbon modified with groups polymers or carbon-polymer complexes combining nanocarbons such as graphite or carbon nanotubes with polymers such as polymethacrylate or polyvinyl alcohol, or water-soluble polymers (polyvinyl acetate), polymethyl methacrylate, sodium lignosulfonate in combination with propylene glycol, polyvinyl alcohol either a combination of them, or

- additives in the form of chemical substances selected from: propylene glycol, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polymethyl methacrylate, polymethyl methacrylate, acrylates or their mixtures.

2. The system according to claim The method of claim 1, characterized in that the heat exchange air channels (2) are arranged in a Tichelmann pattern.

3. The system according to p. The method of claim 1, characterized in that the heat exchange pipes (2) are made of polyethylene or polypropylene or their mixtures.

PL 237 609 B1

4. The system according to p. A method as claimed in claim 1, characterized in that the heat exchange pipes (2) are connected to the collectors (3) and (4) traditionally by means of joints (11) with gaskets or by electrofusion or butt or extrusion or by polyfusion welding.

5. The system according to p. The method of claim 1, characterized in that above the concrete reinforcement plate (9) it comprises a layer of native soil (1), and above it, an insulation layer (12) with parameters improving the heat accumulation effect, most preferably in the form of a polystyrene or styrodur layer.

6. The system according to p. A method as claimed in claim 1, characterized in that the concrete reinforcement plate (9) has an additional reinforcement in the form of a built-in reinforcement mesh or wire.

7. The system according to p. A solar thermal system according to claim 1, characterized in that it comprises a solar installation in which the solar tubes (10) are arranged in the concrete layer (9) surrounding the heat exchange tubes (2) of the exchanger, the solar tubes (10) being connected to a coolant reservoir, preferably with a deep well or an ice water unit.

8. The system according to p. A system as claimed in claim 1, characterized in that it comprises an additional independent cooling installation in the form of a system of pipes (10) arranged in the concrete layer (9) surrounding the heat exchange pipes (2) of the exchanger, the pipes (10) being connected to a cooling fluid reservoir, preferably with a deep well or an ice water unit.