Funkční princip solankové výměníky

Solankové výměníky jsou uzavřené systémy, které se zásadně instalují vertikálně. Jedná se o nejčastěji používané a jednoduchým způsobem realizovatelné typy sond [1,2]. Potrubí je často tvořeno polyetylenem o vysoké hustotě (HDPE, např. PU 80 nebo PU 100 [2,3]). V něm obíhá chladivo, zpravidla směs vody s glykolem [4]. Podíl glykolu zamezuje v chladných obdobích zamrzání chladiva, což by mělo za následek chybnou funkci zařízení a způsobilo materiální škody. Proudění vpřed a vzad v sondě je umístěno ve společném vrtu, který je pokud možno vyplněn materiálem, který má dobrou tepelnou vodivost (například termocementem, který proti běžné cemento-bentonitové směsi umožňuje zvýšení výkonu až o 25% [5]). Typické hloubky se pohybují mezi 50 a 200 m, většina vrtů sahá do hloubek cca 100 m [2,5,6]. Oproti horizontálně položeným kolektorům je tak možno při odběru tepla dosahovat téměř konstantních tepelných výkonů, které téměř nezávisí na teplotních výkyvech, způsobených ročními obdobími.

Oběh chladiva v potrubí je zajišťován cirkulačním čerpadlem. Tato sonda přitom funguje jako výměník tepla mezi zemským masivem a teplonosnou kapalinou. Ta během cirkulace chladiva odebírá v případě vytápění teplo z okolního masivu transportuje jej ve směru k hlavici sondy na zemském povrchu. Zde je kapalina v daném případě s dalšími přítoky z dalších sond shromažďována a následně odváděna k tepelnému čerpadlu, které je pro vytápění nutné [1].

Podstatnou výhodou těchto sond je skutečnost, že je možno je v letních měsících využít pro klimatizaci budov [5]. Prostřednictvím těchto sond je možno teplo, odváděné z procesů nebo místností ukládat do Země. Díky tomu je možno podpořit regeneraci během zimních měsíců "vychlazeného" zemního tělesa. V případě silných imisí tepla a nízkého odběru tepla podzemní vodou a v případě vysoké hustoty a vysoké tepelné kapacity podloží tak lze zemský masiv současně využívat i pro ukládání tepla [1,7].

  • Důležité konstrukční formy vertikálních / nakloněných solankových sond:
    Sonda ve tvaru písmene U (U sonda): Ve vrtu jsou paralelně vedena dvě potrubí, která jsou na dolním konci vzájemně spojená. Tento typ sondy je tedy tvořen prouděním vpřed a vzad v každém vrtu.
  • Dvojitá U sonda: Analogicky s U sondou jsou v každém vrtu instalována dvě potrubí pro proudění vpřed a pro proudění vzad. Jedná se o běžný typ [2]. V případě využití U sondy / dvojité U sondy lze zvýšení výkonu dosáhnout rozšířením ramena trubky U sondy [5].
  • Koaxiální sonda: Proudění vpřed a vzad probíhá v jednom potrubí. Tepelný tok ze zemského masivu k sondě přitom probíhá pouze v koaxiálním potrubí, což v závislosti na druhu provozu odpovídá buď směru proudění vzhůru nebo dolů. Tento typ konstrukce je celkově kompaktnější, nežli U sondy, přímým kontaktem mezi vnitřním a vnějším potrubím však existuje nebezpečí tepelných ztrát v důsledku přenosu tepla mezi prouděním vpřed a vzad. Výkonnost koaxiálních sond je celkově vyšší, nežli U sond [5].
Typické konstrukční formy a rozměry profilů solankových výměníků (podle [8], rozměry v mm).
Obr.: Typické konstrukční formy a rozměry profilů solankových výměníků (podle [8], rozměry v mm).
Typické konstrukční formy a rozměry profilů solankových výměníků (podle [11], rozměry v mm).
Obr.: Typické konstrukční formy a rozměry profilů solankových výměníků (podle [11], rozměry v mm).
Dalším vývojovým stádiem koaxiální sondy je vícetrubková sonda [5].Vnější potrubí, které je z důvodů stability často vyrobeno z oceli, je zde nahrazeno několika menšími potrubími. Nižší průměr těchto potrubí umožňuje tenkostěnné provedení při dostatečné stabilitě a nízkém tepelném odporu. Díky tomu je možno místo oceli použít PE nebo PA. Kromě toho je chladná část lépe izolována od teplé a díky tomu je možno snížit nebezpečí tepelných ztrát v důsledku přenosu tepla mezi prouděním vpřed a vzad Výkon vícetrubkových sond je srovnatelný s výkonem sond koaxiálních [5]. Oba typy - koaxiální i vícetrubkové - mohou být provozovány jako U sondy i jako výměníky s fázovou změnou [5].
 
V případě vícetrubkových sond je využíván princip nuceného oběhu. Tekuté pracovní médium (například propan) je vnějším potrubím vtlačováno dolů, kde přijímá teplo, poté se ve vnitřním vnějším potrubí odpaří a tímto potrubím vystoupá nahoru ve formě páry.

Literatura

[1] T. Grab, T. Storch, S. Wagner a U. Groß: Nutzung der Erdwärme zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden mittels Phasenwechsel- und Solesonden. Sächsischer Geothermietag, Torgau, 2010.

[2] U. Groß, R. Grimm a T. Leukefeld: Vorlesung "Solar- und Geothermie". Technische Universität Bergakademie Freiberg, Wintersemester 2009/2010.

[3] T. Grab, T. Storch, S. Wagner a U. Groß: Wechselwirkungen zwischen Heiz- und Kühlkreislauf bei einem geothermischen Phasenwechsel-Sondenfeld. Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein (DKV) e.V., 2010.

[4] M. Tholen a S. Walker-Hertkorn: Arbeitshilfen Geothermie. wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn, 2008.

[5] M. Kaltschmitt, W. Streicher a A. Wiese: Erneuerbare Energien (čtvrté, aktualizované, opravené a doplněné vydání). Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 2006.

[6] S. Mertens, C. Weidner a T. Weickert: Evaluierung der Geothermieanlage "Reiche Zeche". Projektarbeit, Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2010.

[7] F. Häfner: Optimale Ausbauvarianten für Erdwärmesonden (přednáška). Sächsischer Geothermietag (Konferenční sborník k dispozici), Freiberg, 06/2012.

[8] I. Stober a K. Bucher: Geothermie. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2012.

[9] E. Theiß: Regenerative Energietechnologien. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, 2008.

[10] T. Bührke a R. Wengenmayr: Erneuerbare Energien. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2007.

[11] M. Kaltschmitt, E. Huenges a H. Wolff: Energie aus Erdwärme, 1. Auflage. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Stuttgart, 1996.