Wydajne pompy ciepła (4). Ciepło ze studni.

Dolnym źródłem ciepła dla pomp ciepła, poza już omówionymi w poprzednich artykułach „MI” sondą pionową i kolektorem poziomym, może być woda: woda w studni, woda w zbiorniku wodnym (stawie, jeziorze) lub woda w rzece. Jakie więc korzyści i warunki wiążą się z korzystaniem ze studni jako dolnego źródła ciepła? Pompa ciepła wykorzystująca ciepło wody gruntowej jest zbudowana podobnie jak pompa współpracująca z kolektorem poziomym lub sondą pionową, jako dolnymi źródłami ciepła. Różnica występuje w samym źródle ciepła. W kolektorze poziomym i sondzie pionowej medium robocze, które krąży w podziemnych rurach, jest najczęściej w postaci wodnego roztworu glikolu propylenowego o temperaturze zamarzania ok. minus 15OC, natomiast w pompie pobierającej ciepło z wody gruntowej medium jest sama woda czerpana ze studni. Woda ta z zasady przepływa przez wymiennik pompy ciepła, w którym oddaje część swojego ciepła, a następnie jest zwracana z powrotem do ziemi poprzez drugą studnię. Z tej, na pozór, prostej zasady czerpania ciepła z wody gruntowej wynika, oprócz zalet, kilka ważnych uwarunkowań koniecznych do spełnienia w praktyce.

Ważne cechy Zainteresowanie wykorzystaniem wody gruntowej dla pomp ciepła pochodzi stąd, że jest to potencjalnie bardzo wydajne i stabilne termicznie źródło ciepła. Woda podziemna, na głębokości poniżej 6 m, ma wysoką temperaturę, jak na potrzeby pompy ciepła, rzędu 7-12oC. Do obliczeń wydajności cieplnej tego rodzaju dolnego źródła zwykle przyjmuje się średnią temperaturę na poziomie 10oC. Jest to o 10oC więcej niż dla kolektora poziomego i o 5oC więcej niż dla sondy pionowej. Drugą, ważną cechą wodnego źródła ciepła jest praktycznie jego stała temperatura w ciągu całego roku, dzięki czemu pompa ciepła może osiągać bardzo wysoki współczynnik efektywności energetycznej. W praktyce to może oznaczać niskie koszty eksploatacji pompy ciepła, czyli tanie ogrzewanie budynku i tanie podgrzewanie wody użytkowej. Na końcowy rezultat eksploatacyjnej efektywności pompy ciepła ze źródłem w postaci wody gruntowej ma wpływ jednak więcej istotnych składników.
Czerpanie i zrzut
Konieczne jest wykonanie dwóch studni. Z jednej woda jest czerpana do pompy ciepła, do drugiej następuje zrzut wody z pompy ciepła. Wykonanie studni, zarówno czerpalnej, jak i chłonnej wymaga odpowiednich wstępnych i wynikowych prac geologicznych oraz wykonania projektu i dopełnienia wszystkich związanych z nim formalności prawnych. Według Prawa wodnego (Ustawa z dnia 18 lipca 2001 r. Prawo wodne (Dz. U. nr 115, poz. 1229) właściciel gruntu może bez zezwolenia korzystać z wód znajdujących się na jego posesji, jeśli pobór wody nie przekracza 5 m3/dobę, a wydajność pomp czerpiących wodę ze studni nie jest większa niż 0,5 m3/h. Głębokość studni wierconej nie może przekroczyć 30 m. Te warunki określają tzw. potrzeby zwykłego korzystania z wód (art. 124). Natomiast na studnię wierconą głębiej niż 30 m lub o większym zapotrzebowaniu wody trzeba sporządzić projekt prac geologicznych (operat wodnoprawny) oraz uzyskać pozwolenie wodnoprawne na „szczególne korzystanie z wód” i „wykonanie urządzeń wodnych”(art. 122, pkt 1 i 3). Operat wodnoprawny wykonuje hydrogeolog lub uprawniony projektant odpowiedniej specjalności. W pozwoleniu wodnoprawnym (art. 128) ustala się cel i zakres korzystania z wód, warunki wykonywania uprawnienia oraz obowiązki niezbędne ze względu na ochronę zasobów środowiska, interesów ludności i gospodarki, a w szczególności: ilość pobieranej wody, ograniczenia wynikające z konieczności zachowania przepływu nienaruszalnego, sposób gospodarowania wodą, niezbędne przedsięwzięcia ograniczające negatywne oddziaływanie na środowisko, prowadzenie okresowych pomiarów wydajności i poziomu zwierciadła wody w studni i inne. Dodatkowym dokumentem prawnym, ważnym z punktu widzenia wykonania studni, jest Prawo geologiczne i górnicze (Ustawa z dnia 4 lutego 1994 r. Dz. U. 1994, nr 27, poz. 96). Według Prawa geologicznego i górniczego do wykonania studni konieczne jest zatwierdzenie projektu przez wojewodę oraz opracowanie wynikowej dokumentacji hydrogeologicznej wykonanej studni i jej zatwierdzenie przez administrację geologiczną na danym terenie oraz zarejestrowanie studni i uzyskanie karty rejestracyjnej. Dokumentacja wynikowa studni jest ważna z punktu widzenia doboru pompy ciepła do wykonanego źródła. Określa ona trzy podstawowe parametry studni, jak: dopuszczalną wydajność, poziom zwierciadła statycznego wody i depresję. Tych parametrów nie można przekraczać w czasie eksploatacji studni. Załatwienie wszystkich formalności wymaga, jak widać, sporo wysiłku, czasu i nakładów finansowych.

Wykonanie w terenie Dalsze koszty związane są z wykonaniem obu studni w terenie. Ich usytuowanie powinno być zgodne z kierunkiem przepływu wód podziemnych; studnia czerpalna wyżej, studnia chłonna niżej, tak by woda oddana do studni chłonnej nie wracała z powrotem do studni czerpalnej. Obie studnie muszą sięgać tej samej warstwy wodonośnej i powinny znajdować się w odległości minimum 15 m od siebie. Prawidłowe wykonanie tych robót wymaga dobrego projektu, dobrej firmy studniarskiej i stałego nadzoru hydrogeologa. Dopiero po wykonaniu studni można i należy ocenić praktycznie jej cechy eksploatacyjne, w tym szczególnie: poziom zwierciadła, wydatek i czystość wody. W tabeli podano przykładowe, niezbędne wydatki wody dolnego źródła dla pomp ciepła w zależności od ich mocy nominalnej. Od głębokości lustra wody zależeć będzie rodzaj niezbędnej pompy do tłoczenia wody do parownika pompy ciepła. Przy stabilnym lustrze wody do głębokości ok. 8 m możliwe jest użycie poziomej, samozasysającej pompy z zaworem stopowym, podobnej do stosowanych w zestawach hydroforowych. Taka pompa może znajdować się w pomieszczeniu pompy ciepła. Przy niższych poziomach wody gruntowej konieczne będzie zastosowanie pompy głębinowej o odpowiedniej wysokości podnoszenia i odpowiednim wydatku, zanurzonej w studni. Zastosowanie pompy głębinowej w przeciwieństwie do pompy poziomej ma tę zaletę, że unika się źródła hałasu i drgań w budynku.

Jakość wody Ogromne znaczenie dla efektywności działania pompy ciepła ma skład chemiczny wody, a zwłaszcza zawartość żelaza, manganu i innych związków chemicznych. Żelazo zawarte w wodzie gruntowej bardzo łatwo utlenia się i tworzy zawiesiny tlenków żelaza. Na skutek tego następuje zanieczyszczenie parownika pompy ciepła, którym najczęściej jest wymiennik płytowy, i znaczne obniżenie jej wydajności i sprawności energetycznej. Oczyszczenie parownika pompy ciepła wymagałoby rozmontowania całego agregatu pompy, co byłoby związane z ogromnym nakładem pracy i wysokimi kosztami. Temu szkodliwemu zjawisku można przeciwdziałać na kilka sposobów.

Bez przecieków W pierwszej kolejności należy zadbać o szczelność instalacji dostarczającej wodę gruntową do parownika. Chodzi tu o szczelność gazową, tak by tlen nie miał dostępu do wody i nie utleniał zawartego w niej żelaza. Ta szczelność powinna być również zachowana w instalacji powrotnej do studni chłonnej. Woda zwrócona powinna zachować niezmieniony skład chemiczny ze względu na wymogi czystości środowiska naturalnego. Niezależnie od szczelności instalacji stosuje się dodatkowy wymiennik ciepła dla wody dolnego źródła. Jest to zwykle rozbieralny wymiennik płytowy, możliwy do okresowego czyszczenia wewnątrz. Woda gruntowa oddaje ciepło w dodatkowym wymienniku do czystego medium, które transportuje dalej ciepło do parownika. Takie rozwiązanie konstrukcyjne chroni parownik przed zanieczyszczeniem, ale w pewnym stopniu obniża sprawność pompy ciepła ze względu na straty ciepła na dodatkowym wymienniku. Niektórzy producenci oferują pompy ciepła z parownikami w specjalnym wykonaniu, z wymiennikiem koaksjalnym (rys.), zamiast płytowego.
Cechą charakterystyczną tych wymienników ciepła jest większy i regularny przekrój przepływu czynnika roboczego, dzięki któremu wszelkie zanieczyszczenia zawarte w wodzie nie zatrzymują się, lecz mogą swobodnie przepływać przez wymiennik. Wymienniki koaksjalne charakteryzują się również wysoką sprawnością wymiany ciepła i odpornością na korozję. Ważną rolę odgrywa studnia chłonna. Jej zadaniem jest odebrać i wchłonąć skutecznie całą ilość wody z pompy ciepła. Nie zawsze jest to możliwe ze względów hydrogeologicznych lub na skutek zamulenia studni chłonnej po pewnym okresie jej eksploatacji. W takim wypadku może się okazać, że pewnego dnia wokół domu utworzyło się jezioro.

Eksploatacja pompy ciepła z dolnym źródłem w postaci wody gruntowej wymaga od użytkownika stałego nadzoru, zarówno studni odbiorczej, jak i chłonnej. Tylko w ten sposób można odpowiednio szybko zaobserwować niekorzystne zmiany dolnego źródła ciepła i w porę właściwie zareagować, chroniąc się przed przykrymi skutkami nieprawidłowego działania całej instalacji pompy ciepła. W naszym rozwijającym się dynamicznie kraju należy liczyć się również z jeszcze innym niebezpieczeństwem, jakie może zagrozić pompie ciepła z dolnym źródłem w postaci wody gruntowej. Jeśli w odległości kilkudziesięciu lub nawet kilkuset metrów od studni powstanie inwestycja budowlana, która będzie wymagać głębokich wykopów, w efekcie może nastąpić obniżenie poziomu wód gruntowych na tyle nisko, że wyschną wszystkie studnie w okolicy. W takiej sytuacji rekompensaty za poniesione szkody, otrzymywane zwykle po długotrwałym procesie odszkodowawczym, nie pokrywają wszystkich wydatków związanych z przywróceniem funkcjonowania podziemnych instalacji.
dr inż. Jan Siedlaczek
Rys. Przekroje wymienników stosowanych jako parowniki w pompach ciepła: 1) wymiennik płytowy, 2) wymiennik koaksjalny.
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