Wydajne pompy ciepła (5). Ciepło spod lodu

Pojemność cieplna wody (ciepło właściwe) wynosi 0,991 [cal/(g*K)]. Pod tym względem woda nie ma równych sobie ze wszystkich cieczy, jak i ciał stałych. W praktyce oznacza to, że podnoszenie temperatury wody wymaga dostarczenia znacznie większych ilości ciepła niż w wypadku innych cieczy i ciał stałych. Z drugiej strony, z wody można otrzymać sporo ciepła, nawet przy stosunkowo niewielkim obniżeniu jej temperatury. Obfite zasoby wód powierzchniowych, które chłoną energię słoneczną i stanowią ogromny magazyn ciepła, powinny rozwiązywać skutecznie nasze potrzeby ogrzewania budynków, podgrzewania wody użytkowej i potrzeby ciepła dla wielu procesów technologicznych. Dlaczego więc do tej pory nie eksploatuje się w wystarczającym stopniu wód powierzchniowych, nawet tam, gdzie jest bliski dostęp do nich?

Na dwa sposoby Wody powierzchniowe można wykorzystywać jako dolne źródła ciepła w dwojaki sposób. Można czerpać wodę bezpośrednio do pompy ciepła i po odebraniu ciepła zwracać ją do zbiornika. Drugi sposób to umieszczenie na dnie zbiornika wody kolektorów podobnych do podziemnych kolektorów poziomych, w których płynie ciecz niezamarzająca, pobierająca ciepło z wody i transportująca je do pompy ciepła. Oba typy „wodnych” źródeł ciepła mają swoje wady i zalety. Zbiornik wody znajduje się zwykle poniżej budynku, w którym jest pompa ciepła. Pobór ciepła „bezpośrednio” z wody wymaga odpowiedniej instalacji pompowej, dostarczającej wodę do pompy ciepła; w tym pompy tłoczącej, rur i niezbędnej armatury hydraulicznej. Wyjątkiem może tu być pobór wody z rzeki powyżej budynku i oddawanie jej poniżej. W szczególnie korzystnym wypadku cały transport wody, do i z pompy ciepła, może odbywać się wówczas grawitacyjnie. Instalacja ta prawie w całości będzie się znajdować na zewnątrz budynku. Jeśli różnica poziomów, lustra wody i pompy ciepła, wyniesie więcej jak 8 m, pompa tłocząca wodę będzie umieszczona bezpośrednio w wodzie lub w podziemnej studzience zamiast w budynku. Ze względu na transportowanie ciepła przy pomocy cieczy zamarzającej, instalacja wraz z jej urządzeniami musi być zabezpieczona przez szkodliwym wpływem warunków atmosferycznych, szczególnie zimą, kiedy pompa ciepła pracuje najbardziej intensywnie. Zamrożenie pompy tłoczącej wodę lub rurociągu spowoduje brak ciepła w budynku i trudny do rozwiązania problem.

Tłoczenie wody dolnego źródła bezpośrednio do wymiennika (parownika) pompy ciepła może spowodować w krótkim czasie jego zanieczyszczenie, uniemożliwiające prawidłową pracę (zmniejszony przepływ, pogorszona wymiana ciepła), w wyniku czego nie będzie odbierane ciepło z wody w dostatecznej ilości. Pompa ciepła utraci wówczas moc i sprawność energetyczną. Czyszczenie wymiennika wymagałoby bardzo trudnych, specjalistycznych i kosztownych operacji. Aby temu zapobiec, stosuje się dodatkowy wymiennik ciepła, zwykle o konstrukcji umożliwiającej, po demontażu z instalacji, łatwe rozbieranie i czyszczenie w miarę potrzeb. Takie rozwiązanie zmniejsza jednak efektywność energetyczną pompy ciepła i podnosi koszty inwestycji i koszty eksploatacji. Tych niedogodności nie ma kolektor zanurzony w wodzie, ponieważ jest wypełniony cieczą niezamarzającą do –15oC, a pompa tłocząca znajduje się wewnątrz budynku, najczęściej w samej pompie ciepła. Ciecz robocza wpływa bezpośrednio do wymiennika pompy, gdzie oddaje ciepło i nie powoduje jego zanieczyszczenia. Należy się liczyć też z okresową wymianą cieczy roboczej, podobnie jak w podziemnych kolektorach poziomych i sondach pionowych. Dostawcy cieczy do dolnych źródeł pomp ciepła określają jej żywotność na ok. 5 lat. O konieczności wymiany cieczy powinno się decydować na podstawie jej właściwości użytkowych, w tym szczególnie temperatury zamarzania, które można wyznaczyć praktycznie odpowiednimi przyrządami pomiarowymi. Zbudowanie kolektora na dnie zbiornika wody nie jest łatwe i tanie.

Zbiornik wody spełniający wymagania dolnego źródła ciepła, jak wskazuje doświadczenie, powinien mieć głębokość co najmniej 4 m. Mniejsza głębokość może spowodować zamrożenie wody na dnie zbiornika i ograniczenie poboru ciepła poniżej niezbędnego minimum. Wydajność takiego źródła będzie bowiem uzależniona od bieżącej regeneracji energią słoneczną, na którą nie zawsze można liczyć. Zależeć ona będzie od warunków, jakie panują zimą na powierzchni zbiornika wody lub raczej powierzchni lodu. Pokrywa śniegu ogranicza całkowicie emisję energii słonecznej w głąb wody i eliminuje bieżącą regenerację źródła. Aby zapobiec zamrożeniu źródła, w wypadku braku bieżącej regeneracji, niezbędna jest odpowiednia zawartość ciepła w wodzie, co sprowadza się w praktyce do odpowiedniej głębokości zbiornika. Ulokowanie kolektora na dnie zbiornika wody wiąże się również z istotnymi ograniczeniami w korzystaniu z wody przez innych użytkowników: wędkarzy, żeglarzy i miłośników poszukiwania podwodnych skarbów. Łowienie ryb wędkami spinningowymi przez wędkarzy, rzucanie kotwic przez żeglarzy i penetrowanie dna zbiornika przez nurków może spowodować uszkodzenie (rozszczelnienie) podwodnego kolektora i unieruchomienie działania pompy ciepła oraz skażenie zbiornika wody cieczą roboczą dolnego źródła. Usunięcie uszkodzenia będzie za każdym razem bardzo trudne i kosztowne. Nad kolektorem, dla jego bezpieczeństwa, powinna być wyznaczona strefa ograniczonego dostępu. Nie ma jednak gwarancji, że będzie ona respektowana przez innych użytkowników akwenu.

Ach te formalności… Zanim przystąpi się w praktyce do budowy dolnego źródła pompy ciepła w zbiorniku wodnym, należy załatwić skutecznie nieodzowne formalności w odpowiednich urzędach lokalnych. Celem tych formalności jest uzyskanie pozwolenia na wykorzystywanie wód powierzchniowych do celów ogrzewania.
Aby nie naruszyć sensu przepisów prawnych, poniżej zamieszczono wybrane fragmenty wprost z Prawa wodnego (Prawo wodne z dnia 18 lipca 2001 r. Dz. U. nr 115/2001, poz. 1229):
* Art.36.1 Właścicielowi gruntu przysługuje prawo do zwykłego korzystania z wód stanowiących jego własność oraz z wody podziemnej znajdującej się w jego gruncie; prawo to nie stanowi prawa do wykonywania urządzeń wodnych bez wymaganego pozwolenia wodnoprawnego. 2. Zwykłe korzystanie z wód służy zaspokojeniu potrzeb własnego gospodarstwa domowego oraz gospodarstwa rolnego, z zastrzeżeniem ust. 3. Ust. 3. Nie stanowi zwykłego korzystania z wód: 2) pobór wody powierzchniowej lub podziemnej w ilości większej niż 5 m3 na dobę.
* Art. 37. Szczególnym korzystaniem z wód jest korzystanie wykraczające poza korzystanie powszechne lub zwykłe, w szczególności: 1) pobór oraz odprowadzanie wód powierzchniowych lub podziemnych; 5) korzystanie z wód do celów energetycznych. Aby więc być w zgodzie z obowiązującymi przepisami prawa, konieczne jest uzyskanie pozwolenia wodnoprawnego na pobór i zrzut wody oraz na korzystanie z wód do celów energetycznych. Zarówno dolne źródło w postaci poboru i zrzutu wody powierzchniowej, jak i kolektor podwodny wymagają zezwolenia wodnoprawnego, nawet wówczas, gdy zbiornik wody (staw, jezioro) jest własnością inwestora.
* Art. 140. 1. Organem właściwym do wydawania pozwoleń wodnoprawnych (…) jest starosta, wykonujący to zadanie jako zadanie z zakresu administracji rządowej.
* Art. 131. 1. Pozwolenie wodnoprawne wydaje się na wniosek. 2. Do wniosku dołącza się: 1) operat wodnoprawny, zwany dalej „operatem”; 2) decyzję o lokalizacji inwestycji celu publicznego lub decyzję o warunkach zabudowy, jeżeli jest ona wymagana – w przypadku wniosku o wydanie pozwolenia wodnoprawnego na wykonanie urządzenia wodnego; 3) opis prowadzenia zamierzonej działalności sporządzony w języku nietechnicznym. 4. Pozwolenie wodnoprawne na wykonanie urządzeń wodnych może być wydane na podstawie projektu tych urządzeń, jeżeli projekt ten odpowiada wymaganiom operatu, o którym mowa w art. 132. 5. Koszty opracowania projektu instrukcji gospodarowania wodą ponoszą: 1) podmioty odnoszące korzyści z urządzenia wodnego, którego dotyczy instrukcja, proporcjonalnie do odnoszonych korzyści.
* Art. 132. 1. Operat sporządza się w formie opisowej i graficznej. 2. Część opisowa operatu zawiera:
1) oznaczenie zakładu ubiegającego się o wydanie pozwolenia, jego siedziby i adresu;
2) wyszczególnienie: a) celu i zakresu zamierzonego korzystania z wód, b) rodzaju urządzeń pomiarowych oraz znaków żeglugowych wodnych, c) stanu prawnego nieruchomości usytuowanych w zasięgu oddziaływania zamierzonego korzystania z wód lub planowanych do wykonania urządzeń wodnych, z podaniem siedzib i adresów ich właścicieli, d) obowiązków ubiegającego się o wydanie pozwolenia w stosunku do osób trzecich;
3) charakterystykę wód objętych pozwoleniem wodnoprawnym;
4) ustalenia wynikające z warunków korzystania z wód regionu wodnego;
5) określenie wpływu gospodarki wodnej zakładu na wody powierzchniowe oraz podziemne;
6) planowany okres rozruchu i sposób postępowania w przypadku rozruchu, zatrzymania działalności bądź wystąpienia awarii lub uszkodzenia urządzeń pomiarowych oraz rozmiar, warunki korzystania z wód i urządzeń wodnych w tych sytuacjach;
7) informację o formach ochrony przyrody utworzonych lub ustanowionych na podstawie ustawy z dnia 16 kwietnia 2004 r. o ochronie przyrody, występujących w zasięgu oddziaływania zamierzonego korzystania z wód lub planowanych do wykonania urządzeń wodnych.

3. Część graficzna operatu zawiera:
1) plan urządzeń wodnych i zasięg oddziaływania zamierzonego korzystania z wód lub planowanych do wykonania urządzeń wodnych, z oznaczeniem nieruchomości wraz z ich powierzchnią, naniesiony na mapę sytuacyjno-wysokościową terenu;
2) zasadnicze przekroje podłużne i poprzeczne urządzeń wodnych oraz koryt wody płynącej w zasięgu oddziaływania tych urządzeń;
3) schemat rozmieszczenia urządzeń pomiarowych oraz znaków żeglugowych wodnych;
4) schemat funkcjonalny lub technologiczny urządzeń wodnych.
4. Operat, na którego podstawie wydaje się pozwolenie wodnoprawne na pobór wód, oprócz odpowiednich danych, o których mowa w ust. 2 i 3, zawiera:
1) określenie wielkości poboru wody maksymalnego godzinowego i średniego dobowego,
2) opis techniczny urządzeń służących do poboru wody,
3) określenie rodzajów urządzeń służących do rejestracji oraz pomiaru poboru wody,
4) określenie zakresu i częstotliwości wykonywania wymaganych analiz pobieranej wody.

* Art. 64a.
1. Zakład, który wykonał urządzenie wodne bez wymaganego pozwolenia wodnoprawnego, jest obowiązany do jego rozebrania na własny koszt.
2. Jeżeli wykonane urządzenie wodne, o którym mowa w ust. 1, nie narusza przepisów ustawy o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym oraz przepisów art. 63, organ właściwy do wydania pozwolenia wodnoprawnego, po przedłożeniu przez właściciela tego urządzenia dokumentów, o których mowa w art. 131, może wydać decyzję o legalizacji urządzenia, ustalając jednocześnie, w drodze postanowienia, wysokość opłaty legalizacyjnej, wynoszącą 10-krotność opłaty skarbowej za wydanie pozwolenia wodnoprawnego.
3. Opłata, o której mowa w ust. 2, stanowi dochód budżetu państwa. Opłata skarbowa za wydanie pozwolenia wodnoprawnego, w normalnym trybie, wynosi 217 zł. Podstawą opłaty jest ustawa z dnia 16 listopada 2006 r. o opłacie skarbowej (Dz. U., 2006, nr 225, poz. 1635). Opłatę skarbową wnosi się przy składaniu wniosku. Operat wodnoprawny może wykonać hydrolog, meliorant, inżynier środowiska posiadający odpowiednie uprawnienia. Koszt operatu wodnoprawnego wynosi kilka tysięcy złotych, a sporządzenie go trwa zwykle kilka miesięcy.

W przypadku umieszczenia na dnie zbiornika wodnego kolektora dolnego źródła pompy ciepła, z którego może wyciec do wody ciecz robocza, starosta może zażądać przedłożenia raportu o oddziaływaniu instalacji podwodnej na środowisko naturalne, zgodnie z Rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia 9 listopada 2004 r. w sprawie określenia rodzajów przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko oraz szczegółowych uwarunkowań związanych z kwalifikowaniem przedsięwzięcia do sporządzenia raportu o oddziaływaniu na środowisko (Dz. U. z dnia 3 grudnia 2004 r. nr 257, poz. 2573). Raport taki sporządza regionalny dyrektor ochrony środowiska. Koszt raportu to kilka tysięcy złotych i kilka tygodni oczekiwania. Przy analizie kosztów inwestycji pompy ciepła z wykorzystaniem wód powierzchniowych, koszty związane z załatwieniem formalności powinny być również wzięte pod uwagę ze względu na ich znaczący udział w całej inwestycji.
dr inż. Jan Siedlaczek
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf pdf

Prenumerata Magazynu Instalatora

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