Systemy podgrzewania gruntu

1. Metody zabezpieczania gruntu przed zamarzaniem.

W przypadkach gdy mówimy o temperaturach znacznie niższych od 0^O C występuje przemarzanie gruntu. Objawiające się pęcznieniem gruntu, przez co zostają wysadzane podłogi i fundamenty. Głębokość zamarzania gruntów zależy od ich rodzaju. Przy przemarzaniu gruntów piaszczystych i żwirowych nie występuje zjawisko podciągania wody przez warstwę zamarzniętą, oznacza to iż przemarzanie tych gruntów nie jest tak groźne jak np. gliniastych. Stopień niebezpieczeństwa czyli wysokości podniesienia gruntu zależy od powierzchni pomieszczenia chłodzonego. Gdy mówimy o pomieszczeniach do 20 m² takie niebezpieczeństwo praktycznie niezachodni w ogóle. Bardzo ważna jest też szerokość pomieszczenia i to niezależnie od długości pomieszczenia. Pomieszczenia o szerokości do

2 m wystarczy że będą miały izolację cieplną. W pomieszczeniach od 2 do 4 m pod powierzchnie podłogi podkładany jest żwir lub żużel o grubości od 0,8 do 1,5 m. W przypadku pomieszczeń od 4 do 6 m stosujemy kombinacje dwóch wyżej wymienionych metod. Gdy mamy do czynienia z pomieszczeniem szerszym niż 6 m pod jego podłogą powinny znajdować się wentylowane kanały lub systemy podgrzewania gruntu.

Zamarzanie gruntu nie występuje od razu lecz po pewnym czasie. To jak szybko grunt przemarznie zależy od temperatury panującej w chłodni, warunków klimatycznych oraz od grubości i jakości izolacji. Zwykle sama izolacja nie wystarcza do ochronienia gruntu przed przemarzaniem. Gdy zwiększamy jej grubość wydłużamy tylko czas po jakim nastąpi to zjawisko.

Na poniższym rysunku przedstawiono zależność czasu po jakim dojdzie do zamarzania gruntu do temperatury w chłodni i grubości izolacji.

Rys.1. Czas po jakim zamarznie grunt (wykres wykonano dla izolacji o współczynniku przewodzenia ciepła λ_iz = 0,035 [W/(m*K)] i gruntu o współczynniku λ_z = 2,5 [W/(m*K)].

2. Rodzaje podgrzewania gruntu.

Podgrzewanie gruntu za pomocą kanałów powietrznych z grawitacyjnym przepływem powietrza.

Metoda ta polega na umieszczeniu pod pomieszczeniem chłodzącym wentylowanych kanałów powietrznych. Prześwity tych kanałów mogą mieć szerokości większe niż 1 m i wysokości ponad 0,5 m. Koszty budowy takiej konstrukcji są dosyć duże, ale jej eksploatacja jest niemal darmowa.

Podgrzewanie gruntu za pomocą kanałów powietrznych z wymuszonym przepływem powietrza.

W takim systemie pod komorą grzewczą prowadzone są równoległe kanały wykonane z rur betonowych lub ceramicznych. Przez te rury przepływa powietrze, w lecie pobierane bezpośrednio z zewnątrz, zimą podgrzewane jest najpierw w specjalnych nagrzewnicach.

Przepływ powietrza w takiej instalacji wymuszony jest wentylatorami. Kanały zalewane są żwirobetonem lub żużlem przez co powstaje zwarta konstrukcja grzewcza, na której układa się izolację zimnochronną. Takiego rodzaju systemy mogą pracować przy podciśnieniu lub nadciśnieniu powietrza. W przypadku pracy przy nadciśnieniu nieszczelności w kanałach mogą prowadzić do nagrzania podłogi lub nawet spowodować dostawanie się ciepłego powietrza przez szczeliny dylatacyjne do pomieszczenia chłodniczego. W systemach pracujących w podciśnieniu może nastąpić zamarzanie gruntu przez zasysanie zimnego powietrza z chłodni przez szczeliny dylatacyjne do rur, których miejsca połączeń nie są uszczelnione. W dużych pomieszczeniach chłodzących o powierzchni powyżej 1500 [m²]. Stosowane są specjalne układy przepływowo zwrotne. W takim układzie powietrze tłoczone jest przez jeden wentylator i po przejściu przez system grzewczy zasysane jest przez drugi po drugiej stronie budynku.

Podgrzewanie gruntu za pomocą instalacji z roztworem glikolu.

System ten zbudowany jest z systemu rur przez które przepływa wodny roztwór glikolu etylowego. Takie systemy charakteryzują się niskimi kosztami eksploatacji i bardzo dużą efektywnością działania. Ze względu na dużą korozyjność glikolu powoduje on powstawanie wycieków sięgających nawet kilkuset litrów na dobę.

Podgrzewanie gruntu za pomocą powierzchniowych przewodów elektrycznych.

System taki wykonany jest z często ułożonych źródeł ciepła. Odstępy miedzy przewodami grzewczymi to od 0,5 do 1 m, a odległość ich od podłogi to ok. 40 mm. Elementami grzewczymi mogą być druty, pręty lub różnego rodzaju stalowe taśmy zalane w płycie grzewczej albo w rurach osłonowych umożliwiających ewentualną wymianę uszkodzonych elementów. Stosuje się napięcie od 12 do 380 [V]. System ten jest niezawodny i łatwy do ręcznej regulacji jednak na wysoką cenę energii elektrycznej - kosztowny.

Podgrzewanie gruntu za pomocą systemu alternatywnego.

Jest to system elektryczny jednak różni się od powyższego szerokością rozstawienia elementów grzejnych. Znajdują się one w odległościach 2,5 do 4 [m] od siebie. Nad nimi znajdują się jeszcze dodatkowe płyty grzewcze. Temperatura elementów grzejnych wynosi od 40 do 60 ^O C i jest regulowana transformatorem nastawczym. System ten jest jeszcze efektywniejszy od powierzchniowego.

Podgrzewanie gruntu za pomocą systemu centralnego.

W tym systemie ogrzewanie następuje przy pomocy jednego lub co najwyżej kilku źródeł ciepła. Elementy grzejne mogą być rozmieszczone w odległości od 5 do 20 m. Natomiast ich odległość od warstwy izolacji wynosi od 0,5 do 2 m. Jest jednym z najkorzystniejszych systemów w przypadku podgrzewania niewielkich powierzchni gdy wystarcza tylko jedno źródło ciepła. Systemy tego typu mogą być ogrzewane zarówno elektrycznie jak i cieczą.

3. Obliczanie instalacji grzewczej

Obliczenia oparte są na założeniu, że średnia temperatura płyty grzewczej powinna być równa temperaturze gruntu. Przedstawiony zostanie przykładowy tok obliczeniowy rozstawu źródeł ciepła w płycie grzewczej na przykładzie z kanałami powietrznymi. W ten sam sposób dokonuje się obliczeń w przypadku ogrzewania cieczą oraz energią elektryczna.

Rozstaw l [m] elementów grzejnych ( kanałów, prętów oporowych, itd.) oblicza się ze wzoru:

gdzie:

,

,

φ=

k_z oznacza odwrotność sumy oporów przewodzenia ciepła od ziemi do płyty:

k_z=

natomiast k_b jest to współczynnik przenikania ciepła od płyty grzewczej do wnętrza chłodni:

k_b=

d - średnica kanału, [m]; gdy przekrój nie jest kołowy, jako wymiar d należy przyjąć wymiar kanału w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny grzewczej,

δ_g, λ_g - grubość i współczynnik przewodzenia ciepła płyty grzewczej, odpowiednio w [m], [W/mK]; dla płyty żwirobetonowej λ_g=1,7 [W/mK],

δ_iz, λ_iz - grubość i współczynnik przewodzenia ciepła warstwy izolacyjnej, odpowiednio w [m], [W/mK],

δ_p, λ_p - grubość grubość współczynnik przewodzenia podłogi, odpowiednio w [m], [W/mK],

α_p - współczynnik wnikania ciepła od podłogi do chłodni, [W/m²K], α_p=10 [W/m²K],

λ_z - współczynnik przewodzenia ciepła gruntu [W/mK]; λ_z=1,3÷2,5 [W/mK], zależnie od wilgotności gruntu,

δ_z - głębokość warstwy ziemi aktywnie uczestniczącej w wymianie ciepła; przyjmuje się δ_z=3 [m],

T_w - temperatura powietrza w komorze,

T_z - temperatura gruntu; dla strefy umiarkowanej T_z=8÷10 [˚C],

T_g - temperatura płyty grzewczej, [˚C]; T_g=T_z,

T_c - temperatura ścian kanałów, [˚C] zależna do średniej temperaturypowietrza przepływającego przez kanały; przyjmuje się T_c=11÷13[˚C]

Strumień ciepła, który należy doprowadzić do płyty grzewczej:

gdzie: A - pole powierzchni podłogi, [m²].

Wymagany strumień powietrza
_p wyznacza się z równania:

Współczynnik 1,25 uwzględnia straty powietrza przy przejściu przez instalację na skutek jej nieszczelności.

ρ_p - gęstość powietrza przepływającego przez kanały, [kg/m³],

Δi_p - zmiana entalpii powietrza przy przejściu przez kanały, odpowiadająca spadkowi jego temperatury od wartości początkowej do końcowej, [J/kg]. Ponieważ obliczenia przeprowadza się dla pory zimowej i powietrza będącego w obiegu zamkniętym, jako temperaturę początkową przyjmuje się 16 [˚C] przy wilgotności 65%. Końcową temperaturę powietrza przyjmuje się równą około 11 [˚C]. Średnia temperatura powietrza w kanałach wynosi więc około 13,5 [˚C].

W porze letniej, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest większa od 16[˚C], instalacja pracuje tylko na świeżym powietrzu. Występują wtedy dodatkowe straty zimna komór, które trzeba uwzględnić w bilansie cieplnym chłodni. W celu uniknięcia tych dodatkowych strat zimna, stosuje się w okresie letnim regulację pracy wentylatorów podających powietrze do instalacji, włączając je i wyłączając, zależnie od temperatury płyty grzewczej.

---