Wydajne pompy ciepła (1). Ciepło z dołu

Spośród kilku rodzajów dolnych źródeł ciepła, których zalety i wady można długo rozważać, najczęściej stosuje się w naszej rzeczywistości tzw. sondy pionowe. Głębokość sond sięga nawet 150 m, najczęściej wykonuje się je do głębokości 100 m. W opinii fachowców ten typ dolnego źródła jest najbardziej pewny pod względem wydajności ciepła, stabilności działania i trwałości.

Podstawa to dobry projekt Niezależnie od rodzaju dolnego źródła, konieczne jest wykonanie projektu całej instalacji ze wszystkimi pracami szczegółowymi i niezbędnymi uzgodnieniami. Do ważnych prac szczegółowych należy zaliczyć dokładne oszacowanie potrzeb cieplnych budynku na ogrzewanie oraz przygotowanie ciepłej wody, z uwzględnieniem preferencji zamieszkałych tam osób. Normatywne szacunki mogą być zawodne.

Zostałem kiedyś poproszony o ustawienie temperatury pomieszczeń w regulatorze pogodowym kotła gazowego. Domownicy zaznaczyli zgodnie, że należą do ludzi „zimnego chowu”. Gdy przyszło do konkretów, okazało się, że temperatura w całym domu ma być nie niższa jak 24oC. Z tego wynika, że wszelkie uzgodnienia powinny być bardzo precyzyjne. Ogólne stwierdzenia mogą być mylące. W przypadku pompy ciepła, każdy stopień będzie miał widoczny wpływ na efektywność energetyczną pompy i koszty eksploatacji. Im wyższa temperatura w pomieszczeniach mieszkalnych, tym niższa efektywność pompy i wyższe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Na podstawie dokładnie określonych potrzeb cieplnych można następnie dobrać pompę o odpowiedniej mocy grzewczej, biorąc pod uwagę jeszcze kilka innych uwarunkowań, jak:

* rodzaj instalacji grzewczej (grzejniki, ogrzewanie podłogowe, ścienne, sufitowe),

* rodzaj pracy pompy (monowalentny, monoenergetyczny),

* udział innych źródeł ciepła (kocioł gazowy, olejowy, stałopalny, ogrzewanie solarne, elektryczne),

* sposób współpracy pompy z innymi źródłami ciepła (biwalentny alternatywny, biwalentny równoległy)*).

Ponadto należy wziąć pod uwagę, że producenci podają moc pompy dla określonych warunków pracy. Moc grzewcza pompy ulega zmianie ze zmianą temperatury dolnego źródła oraz różnicy temperatur na dopływie i odpływie dolnego, jak również górnego źródła. Ujęte jest to w normatywnym zapisie, np. B0/W35, co oznacza, że moc określona jest dla dolnego źródła (kolektor poziomy lub sonda pionowa) wykonanego z wężownicy z cieczą (B), o temperaturze źródła wynoszącej 0oC (0), i dla górnego źródła wykonanego w postaci wodnego ogrzewania (W) i temperatury zasilania 35oC (35). Jak zmienia się moc grzewcza w zależności od parametrów pracy pompy, określonej przez producenta jako pompa o mocy 10 kW, pokazano na wykresie.

Po ustaleniu wielkości mocy pompy ciepła wystarczy określić już tylko ilość i głębokość sond. To zadanie jest podobne do gry na fortepianie, jest tak samo „proste”. Wystarczy wiedzieć, kiedy i w jaki klawisz uderzyć. Tak jak dotychczasowe wstępne prace przygotowawcze (ocena potrzeb grzewczych i dobór mocy pompy) nie należą do łatwych i szybkich, tak i określenie liczby i głębokości sond uzależnione jest od wielu bliżej nieokreślonych uwarunkowań, głównie natury geologicznej i technicznej oraz prawnej.

Podstawą wykonania projektu dolnego źródła w postaci pionowych sond i robót geologicznych (wiercenia), powinien być projekt prac geologicznych (PPG). Projekt taki wykonuje geolog w oparciu o szczegółowe mapy geologiczne Polski (SMGP), mapy hydrogeologiczne Polski (MHP) i dokumentację geologiczną oraz swoją wiedzę i doświadczenie. Te dokumenty znajdują się w archiwum w Państwowym Instytucie Geologicznym. Są dobrem narodowym, powszechnie dostępnym dla każdego, z pewnym ograniczeniem odnośnie dokumentacji geologicznej, gdzie jest wymagane złożenie odpowiedniego wniosku i w zależności od celu wykorzystania tej dokumentacji, może się to wiązać z odpłatnością.
 

Rusza odwiert! Mapy i dokumentacja geologiczna nie dają całkowitej pewności optymalnego zaprojektowania dolnego źródła ciepła, ale są bardzo istotnym punktem wyjścia do projektu. Duże znaczenie, pod względem zawartości ciepła w złożu, ma nie tylko sama jego struktura geologiczna, lecz też zawartość wilgoci oraz przepływy strumieni wody podziemnej i ich natężenie. Nie zawsze te informacje są zawarte w dokumentacji geologicznej.

Konieczna jest, w trakcie wykonywania odwiertu, bieżąca kontrola geologa dotycząca składu i stanu złoża. Na podstawie tych obserwacji i wyników badań powinien być sporządzony projekt prac powykonawczych (PPP). Ten dokument dopiero będzie opisywał dokładnie dolne źródło ciepła i pozwoli ocenić, czy wcześniejsze założenia, co do ilości i głębokości sond, są słuszne. Opisana procedura jest szczególnie ważna dla dużych inwestycji, gdzie bieżąca korekta może w znacznym stopniu wpłynąć na liczbę sond i koszty wykonania.

Tak staranne zaprojektowanie i wykonanie dolnego źródła w postaci sond pionowych jest niezbędne dla zapewnienia odpowiedniej wydajności cieplnej źródła i wieloletniej (kilkudziesięcioletniej) bezproblemowej eksploatacji. Robienie projektu, jego weryfikacja i zatrudnianie geologa wiąże się z pewnymi dodatkowymi kosztami, które trzeba ponieść. Koszty te powinno się potraktować jak polisę ubezpieczeniową, która zagwarantuje sprawne działanie całego systemem grzewczego przez długi czas.

W przeciwnym wypadku może się okazać, że cieszymy się efektami działania pompy ciepła przez pierwszy sezon grzewczy, a w następnym pompa, na skutek wyczerpania ciepła w dolnym źródle w pierwszym sezonie, nie daje wystarczającej ilości ciepła, by ogrzać budynek do przewidzianej temperatury i podgrzać wodę użytkową. Mamy wówczas poważny problem, którego nie da się rozwiązać z dnia na dzień, i którego usunięcie będzie wymagało znacznie większych nakładów niż koszty poniesione na projekt i pracę geologa.

Samo wiercenie otworów też nie należy do łatwych zadań. Wymaga specjalistycznego sprzętu, fachowości i doświadczenia. Jak wynika z wieloletniej praktyki, najbardziej wydajne odwierty zaczynają się od głębokości ok. 80 m. Powyżej tej głębokości osiąga się wydajny i stabilny strumień ciepła. Jako typowe wykonuje się najczęściej odwierty o głębokości ok. 100 m. Znacznie lepszym rozwiązaniem, pod względem wydajności ciepła, jest wykonanie jednego odwiertu o głębokości 100 m niż dwóch odwiertów o głębokości 50 m każdy.

Podczas wiercenia można napotkać na wiele utrudnień wynikających ze struktury geologicznej gruntu, w postaci luźnych wilgotnych warstw (kurzawka) i warstw wodonośnych, których przebicie może powodować szkody środowiskowe. W takich sytuacjach stosuje się rury osłonowe, które zostają na zawsze w odwiercie lub usuwa się je po włożeniu sondy i wypełnieniu odwiertu odpowiednim materiałem.

Umieszczenie sondy Włożenie sondy w odwiert następuje natychmiast po wykonaniu odwiertu. Zwłoka w umieszczeniu sondy w odwiercie może prowadzić do zacieśnienia się odwiertu (zmniejszenia średnicy) i uniemożliwienia włożenia sondy do pełnej głębokości.  Zwykle w odwiercie umieszcza się tzw. pojedynczą u-rurkę, rzadziej podwójną. W krajach zachodnich (Niemcy, Austria) w przeważającej większości stosuje się podwójną u-rurkę. Przed włożeniem sondy w odwiert należy sprawdzić jej szczelność pod odpowiednim ciśnieniem. Sonda powinna być wypełniona cieczą, wówczas ma tendencję do wsuwania się w odwiert siłą grawitacji. Powinna być wcześniej umieszczona na bębnie (szpuli) i odwijana w sposób kontrolowany, z możliwością hamowania. Jeśli wprowadza się w odwiert sondę pustą lub w odwiercie znajduje się woda, do sondy mocuje się ciężar, który ułatwia wprowadzanie jej w odwiert. Obciążenie to zapobiega również wysuwaniu się sondy na powierzchnię w okresie eksploatacji. Takie zjawisko obserwuje się w wypadku złego wypełnienia odwiertu, np. przez zasypywanie go od góry urobkiem.

Po umieszczeniu sondy w odwiercie wprowadza się specjalny materiał, którego zadaniem jest całkowite wypełnienie odwiertu i prawidłowe, termiczne połączenie sondy ze złożem. Rozprowadzany jest w handlu suchy materiał w workach, podobny do zaprawy tynkarskiej. Po zmieszaniu z wodą tworzy rzadką mieszaninę, łatwą do transportu wężami o średnicy nawet ok. 30 mm. Wypełniacz wprowadza się do odwiertu od dołu dodatkowo umieszczonym wężem razem z sondą. W miarę wypełniania odwiertu wąż się wyciąga. Po zastygnięciu konsystencja wypełniacza przypomina strukturę gipsu.

W następnym odcinku omówione zostaną następujące tematy: wypełnienie odwiertu, praca dolnego źródła oraz przepisy prawne dotyczące wykonywania odwiertów.

dr inż. Jan Siedlaczek
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij