Wpływ rodzaju powierzchni gruntu na pole temperatury gruntu

Znajomość rozkładu temperatury w gruntach, a w szczególności głębokości jego przemarzania jest bardzo ważnym problemem z punktu widzenia praktyki inżynierskiej. Dane o głębokości przemarzania gruntu są niezbędne przy określaniu głębokości posadowień, w drogownictwie przy projektowaniu warstw mrozoodpornych, itd.

Temperatura gruntu a gruntowe wymienniki ciepła

Temperatura gruntu ma istotny wpływ na rozmiar, rodzaj, czy głębokość ułożenia gruntowych wymienników ciepła. Na rozkład temperatury w gruncie wpływają następujące czynniki [1]:

• oddziaływanie klimatyczne zależne od strefy klimatycznej oraz oddziaływanie pogodowe (temperatura i wilgotność powietrza, natężenie promieniowania słonecznego i usłonecznienie, opady, wiatr),
• rodzaj pokrycia powierzchni gruntu (np. ziemia bez roślinności, trawa, płyty betonowe, pokrywa śnieżna),
• struktura i właściwości fizyczne gruntu (gęstość, porowatość, ciepło właściwe, przewodność cieplna gruntu).

Pole temperatury w strefie przypowierzchniowej (do około 1 m) jest dość dobrze rozpoznane z powodu ważnej roli, jaką odgrywa temperatura w rolnictwie [2, 3, 4, 5]. Zainteresowanie polem temperatury gruntu poniżej strefy przypowierzchniowej (x≥1 m), wynika przede wszystkim z możliwości wykorzystania gruntu jako odnawialnego źródła energii [6, 7, 8 ,9]. Brak było jednak wieloletnich i dokładnych badań dla terenu Polski dotyczących rozkładów temperatury na głębokości poniżej 1 m. Badania takie zapoczątkował Popiel, który od lipca 1999 roku monitoruje pole temperatury gruntu na terenie Poznania [10]. W niniejszym artykule prezentowano wyniki pomiarów temperatury gruntu na dwóch stanowiskach zlokalizowanych w Białymstoku. Dane te zbierano w okresie od początku stycznia 2004 roku do końca grudnia 2005 roku.

STANOWISKA BADAWCZE

W celu zbadania wpływu rodzaju powierzchni gruntu na naturalne pole temperatury gruntu, zbudowano w Białymstoku dwa stanowiska pomiarowe, jedno ulokowano pod rozległym trawnikiem (sięga 5 m głębokości), drugie pod parkingiem pokrytym płytami betonowymi (sięga 9 m głębokości). Na każdym stanowisku zainstalowano termopary firmy Labfacility typu T (Cu-Konstantan) w izolacji teflonowej i PCV, o średnicy drutu 0,508 mm. Spoiny w postaci kulki o średnicy 1,0 do 1,5 mm wykonano techniką „iskrową”, a następnie zabezpieczono farbą wodoodporną. Temperaturę na powierzchni gruntu mierzono termoparą wsuwaną poziomo w grunt na głębokość ok. 3 mm. Na obu stanowiskach umieszczono po jednej termoparze na wysokości ok. 2 m ponad powierzchnią gruntu do pomiaru temperatury powietrza. Podczas wiercenia otworów pobierano próbki gruntu z różnych głębokości. Na ich podstawie oznaczono wilgotność gruntu wg PN-88/B- 04481 p. 5.1 oraz określono jego rodzaj. Gęstość objętościową gruntu oznaczano laboratoryjnie metodą wyporu hydrostatycznego wody wg PN-88/B-04481 p. 5.2.4. Do pomiaru temperatury użyto przenośnego miernika firmy NEWPORT ELECTRONICS (o czułości 0,1K) zasilanego akumulatorkiem.

Rys. 1. Porównanie rozkładów temperatury gruntu pod trawnikiem i pod parkingiem na różnych głębokościach: a) x=1,5 m; b) x=3 m; c) x=5 m

WYNIKI POMIARÓW

Na rysunku 1 pokazano porównanie sezonowych rozkładów temperatury gruntu pod parkingiem i pod trawnikiem na wybranych głębokościach w Białymstoku. Na rysunku 1 (a), pokazano porównanie sezonowych rozkładów temperatury gruntu pod parkingiem i pod trawnikiem na głębokości 1,5 m. Na tej głębokości najczęściej lokowane są poziome gruntowe wymienniki ciepła. Temperatura gruntu pod parkingiem w okresach silnego promieniowania słonecznego, tj. od końca kwietnia do pierwszej połowy października jest wyższa od temperatury pod parkingiem nawet do około 5°C. Maksymalne temperatury pod parkingiem na głębokości 1,5 m wynosiły 19,5°C i 18,7°C i wystąpiły odpowiednio 23.08.2004 r. i 5.09.2005 r. Poza w/w okresem temperatury gruntu pod parkingiem i pod trawnikiem są prawie takie same. Minimalne temperatury pod parkingiem wystąpiły 8.03.2004 r. i 7.03.2005 r. wynosiły odpowiednio 2,7°C i 3°C. Na głębokości 3 m ( rys. 1(b)) od przełomu grudnia i stycznia do końca kwietnia temperatura gruntu pod trawnikiem jest wyższa od temperatury gruntu pod parkingiem maksymalnie o około 1,5°C. Minimalne temperatury odnotowano 22.03.2004 r. i 21.03.2005 r. i wynosiły odpowiednio 5,3°C i 4,9°C. Poza w/w okresem temperatura gruntu pod parkingiem jest wyższa od temperatury gruntu pod trawnikiem o około 4°C. Maksymalne temperatury gruntu pod parkingiem wystąpiły 4.10.2004 r. i 10.10.2005 r. i wynosiły odpowiednio 16,9°C i 16,6°C. Na głębokości 5 m (rys. 1 (c)) praktycznie przez cały sezon temperatura gruntu pod parkingiem jest wyższa od temperatury gruntu pod trawnikiem, tylko w marcu i w kwietniu rozkłady temperatury pod parkingiem i trawnikiem pokrywają się. Minimalne temperatury odnotowano 19.04.2004 r. i 18.04.2005 r. i wynosiły one odpowiednio 7,7°C i 7,3°C. Najwyższe temperatury gruntu na głębokości 5 m pod parkingiem wystąpiły 18.10.2004 r. oraz 24.10.2005 r. i wynosiły 15°C. Miesiące letnie są okresem nagrzewania gruntu w strefie przypowierzchniowej (sięgającej do głębokości około 1 m). Nagrzewanie gruntu pod trawnikiem jest wyraźnie wolniejsze niż pod parkingiem. Przyczyną tego jest trawa odgrywająca rolę ekranu obniżającego dopływ energii promieniowania słonecznego.

Rys. 2. Rozkłady temperatury gruntu pod parkingiem i trawnikiem w funkcji głębokości - porównanie w okresie silnego promieniowania słonecznego: a), b) w roku 2004, c) w roku 2005 Na rys. 2 widoczne są rozkłady temperatury gruntu pod parkingiem i pod trawnikiem w okresie największej ich różnicy. Największe różnice temperatury gruntu występują zazwyczaj na głębokości 1,5÷3 m sięgają maksymalnie do około 5 K. W okresach silnego promieniowania słonecznego temperatura na powierzchni gruntu jest znacznie wyższa od temperatury powietrza. Zwłaszcza w przypadku parkingu różnice te są znaczne, np. 9.08.2004 r. temperatura na powierzchni parkingu wynosiła 34,3°C, a temperatura powietrza 25,5°C (rys. 2 (a)). Na rys. 2 (b) i (c) w pobliżu powierzchni gruntu na głębokości około 0,25 m widoczne są charakterystyczne lokalne minima, będące efektem wychłodzenia nocnego gruntu. Na rys. 3 pokazano porównanie amplitudy fali temperatury gruntu pod trawnikiem i pod parkingiem na różnych głębokościach. Amplituda fali temperatury gruntu maleje wraz z głębokością zarówno pod trawnikiem jak i pod parkingiem. Wahania temperatury gruntu pod trawnikiem na różnych głębokościach są łagodniejsze. Jest to efekt działania ekranującego trawy.
Rys. 3. Porównanie amplitudy fali temperatury gruntu pod trawnikiem i pod parkingiem na różnych głębokościach w roku 2005

WNIOSKI

1. W okresie letnim temperatura gruntu pod parkingiem jest wyższa od temperatury gruntu pod trawnikiem. Największe różnice temperatury gruntu występują na głębokości 1,5÷3 m i sięgają maksymalnie do około 5 K. Jeżeli zatem grunt w okresie letnim ma stanowić źródło „chłodu”, wówczas korzystniej jest instalować gruntowe poziome wymienniki ciepła pod trawnikiem.
2. Amplituda fali temperatury gruntu maleje wraz z głębokością niezależnie od rodzaju powierzchni gruntu. Wahania temperatury gruntu pod trawnikiem na różnych głębokościach są łagodniejsze. Jest to efekt ekranującego i izolującego działania trawy.

Autor: Beata BIERNACKA
LITERATURA: [1] Biernacka B. : Rozkład temperatury w gruncie w okresie letnim. „Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna”, 6-7/2004. [2] Bac S., Kożmiński C., Rojek M.: Agrometeorologia. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1998 [3] Kapuściński J.: Próba określenia warunków termicznych gleby temperaturą powietrza. Roczniki Gleboznawcze, T. XLII, Warszawa, 1991. [4] Kossowski J.: Wpływ warunków meteorologicznych na strumień ciepła w glebie. Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, Zeszyt 1, Warszawa, 2003. [5] Hanks R.J., Austin D.D., Ondrechen W.T.: Soil Temperature Estimation by a Numerical Method. Soil Science Society of America Proceedings, Vol.35, No. 5, s. 665-667, Sept.-October 1971. [6] Chwieduk D.: An analysis of vertical ground heat exchangers coupled with heat pump for family house heating in Polish climate conditions. Numerical simulation. Archieves of Therodynamics – Quarterly, Vol. 12, No. 1-4, 131-140, 1991. [7] Chwieduk D.: Magazynowanie energii cieplnej w gruncie. Wybrane zagadnienia modelowania procesów cieplnych zachodzących w magazynach z gruntowymi wymiennikami ciepła. VII Konferencja nt. Fizyka budowli w teorii i praktyce, Łódź, 1999. [8] Szaflik W., Stachel A.A.: The thermal field round a vertical ground-heat exchanger of constant calorific effect. VIII Międzynarodowe Sympozjum nt. Wymiana Ciepła i Odnawialne Źródła Energii, Łeba, 2000. [9] Breger D.S., Hubbell J.E., Hamid El Hasnaoui, Sunderland J.E.: Thermal energy storage in the ground: comparative analysis of heat transfer modeling using Utubes and boreholes. Solar Energy, Vol. 56, pp. 493-503, 1996. [10] Popiel C.O., Wojtkowiak J.: Monitorowanie naturalnego pola temperatury gruntu w rejonie Poznania. Sprawozdanie merytoryczne raportu końcowego z realizacji Projektu Badawczego KBN 4 T07E 028 26, Poznań, maj 2005. [11] Polska Norma PN-88/B-04481, Grunty budowlane. Badania próbek gruntu. Źródło: tchik.com.pl