Grunt, woda czy powietrze? Optymalny rodzaj pompy ciepła (1). Sondowanie gruntu.

Na łamach „Magazynu Instalatora” publikowany będzie cykl artykułów poświęconych argumentacji, wszystkich „za” i „przeciw” pomp ciepła typu solanka/woda, woda/woda, powietrze/woda. Cykl będzie składał się z trzech części:
* Zalety i wady pomp ciepła typu solanka/woda i woda/woda
* Zalety i wady pomp ciepła typu powietrze/woda.
* Porównanie pomp ciepła typu solanka/woda, woda/woda, powietrze/woda do innych systemów grzewczych. Artykuły te powstały w oparciu o najczęściej pojawiające się pytania/problemy dotyczące omawianej tematyki.
Ponadto w każdym z artykułów znajdziecie Państwo odniesienie do przykładowych instalacji, popartych zdjęciami i schematami zastosowanych rozwiązań.

Praktyczny podział Podział pomp ciepła, który wykorzystałam do napisania niniejszego artykułu, wydaje mi się najprostszy i został wykonany w oparciu o rodzaj dolnego źródła, z którego pompa ciepła otrzymuje energię cieplną. Tak więc porównanie różnych rodzajów pomp ciepła sprowadza się do porównania dolnego źródła. Dolne źródło ogólnie dzieli się na źródła sztuczne (ciepło odpadowe) i źródła naturalne (odnawialne), z których korzystamy najczęściej i na których skupiłam się w niniejszej publikacji. Naturalne dolne źródło to akumulator energii słonecznej, znajdujący się w otaczającym nas środowisku. Takim naturalnym akumulatorem energii może być grunt, woda (gruntowa, powierzchniowa) lub powietrze. Aby odzyskać energię z gruntu, układamy w nim kolektor poziomy lub sondy pionowe w postaci przewodów wykonanych z rur polietylenowych o średnicy 32-40 mm wypełnionych czynnikiem niezamarzającym. W celu odzyskania energii z wody gruntowej pobieramy ją ze studni głębinowej najczęściej poprzez pośredni wymiennik płytowy, skąd ciepło przekazywane jest na „krótki obieg” glikolu dopływającego do pompy ciepła. Gdy dolnym źródłem jest woda powierzchniowa, ciepło odbieramy poprzez przepompowywanie jej przez wymiennik ciepła lub poprzez zatopienie w wodzie kolektora poziomego. Jeżeli dolnym źródłem jest powietrze, odzysk ciepła następuje z zewnętrznego powietrza lub wewnętrznego powietrza wentylacyjnego za pomocą wentylatora w pompie ciepła.

Zalety i wady Parametry jakie należy porównać przy wyborze rodzaju pompy ciepła (czytaj dolnego źródła) typu solanka/woda i woda/woda, to przede wszystkim: temperatura, jaką możemy uzyskać z dolnego źródła i, co się z tym wiąże, koszt wytwarzania ciepła przez pompę ciepła, a także warunki, czas i koszt wykonania odbiornika ciepła z dolnego źródła oraz żywotność dolnego źródła i pompy ciepła. Temperatura jaką możemy uzyskać z dolnego źródła będzie miała wpływ na sprawność urządzenia i koszt wytwarzania ciepła, ponieważ pompa ciepła pracuje najefektywniej im mniejsza jest różnica pomiędzy temperaturą na wejściu do pompy ciepła (temperatura uzyskana z dolnego źródła) a temperaturą zasilania systemu grzewczego.

Przekładając to na praktykę, pompa ciepła pracuje najefektywniej (najbardziej ekonomicznie) z niskoparametrowym systemem grzewczym (ogrzewanie płaszczyznowe: podłogowe/ścienne, temperatura zasilania systemu grzewczego 35oC) i z dolnym źródłem o wysokiej średniorocznej temperaturze. Jak wiemy dolnym źródłem dla pomp ciepła typu solanka/woda i woda/woda jest woda gruntowa o temperaturze 8-12oC, woda powierzchniowa i grunt o temperaturze od -3 do 5oC, wymienione celowo w kolejności od źródła charakteryzującego się najwyższą temperaturą. Jakie zatem będą roczne koszty eksploatacji pomp ciepła wykorzystujących ciepło zgromadzone w gruncie, wodzie powierzchniowej i wodzie gruntowej? Tego typu wyliczenia można wykonać w oparciu o podstawowe wzory matematyczne lub program komputerowy, co jest znacznie szybsze i przyjemniejsze. Przy pomocy komputerowego programu do wymiarowania dolnych źródeł oraz doboru pomp ciepła*, przygotowałam kalkulację dla tych samych parametrów obliczeniowych (dobranych dla budynku o pow. użytkowej 160 m2, zlokalizowanego w III strefie klimatycznej, o zapotrzebowaniu na ciepło budynku 8 kW, o temperaturze obliczeniowej wewnętrznej 200C, z instalacją grzewczą o parametrach 35/25), lecz dla pompy ciepła wykorzystującej różne dolne źródło: grunt, wodą gruntową i wodę powierzchniową.

Przyglądając się otrzymanym wynikom (patrz tabela), widzimy, że roczne koszty ogrzewania różnią się w zależności od temperatury uzyskanej z dolnego źródła. Im wyższa temperatura na wejściu do pompy ciepła, tym wyższa wydajność pompy ciepła i niższy koszt ogrzewania domu. Przyjrzyjmy się zatem kosztom instalacji. Koszt instalacji gruntowej pompy ciepła z kolektorem gruntowym pionowym wynosi około 50 000 zł brutto, natomiast koszt instalacji pompy ciepła z kolektorem gruntowym poziomym lub pompy ciepła wykorzystującej wodę gruntową (studnia czerpalna i zrzutowa, woda na głębokości 15 m), czy pompy ciepła z kolektorem zatopionym w jeziorze wynosi około 44 000 zł brutto. Skoro najniższy koszt instalacji i eksploatacji daje woda gruntowa, to dlaczego najczęściej stosowane są w Polsce kolektory gruntowe pionowe? O większej popularności pomp ciepła typu solanka/woda w stosunku do pomp ciepła typu woda/woda, nie decyduje zatem temperatura, efektywność pracy urządzeń i koszt instalacji, a warunki praktyczne i formalne wykonania odbiornika ciepła z dolnego źródła.

System dolnego źródła na bazie wody gruntowej składa się ze studni do poboru i zrzutu wody, wymaga określenia lokalizacji źródła, poziomu warstwy wodonośnej, wydajności źródła, określenia lokalnych warunków hydrogeologicznych oraz jakości wody. Ze względu na zawartość w wodzie gruntowej zanieczyszczeń, producenci pomp ciepła zalecają stosowanie pośredniego wymiennika ciepła w celu ochrony parownika w pompie ciepła przed osadami i korozją, a jeżeli poziom zanieczyszczeń mineralnych i chemicznych wody przekracza dopuszczalne wartości określone lub wydatek ujęcia wody jest zbyt mały, jej wykorzystanie, jako źródła ciepła, może być niemożliwe. Ponadto studnię zrzutową należy wykonać w ten sposób, aby zrzut wody chłodnej następował w odległości minimum 15 m od ujęcia, do tej samej warstwy wodonośnej, co w praktyce bywa niemożliwe do osiągnięcia i często jest powodem dla którego instalatorzy nie chcą podejmować się prac i ryzyka związanego z tego typu rozwiązaniem. Poza tym montaż pompy ciepła korzystającej z ciepła zgromadzonego w wodzie wymaga najwięcej formalności. Wykorzystanie wód gruntowych regulują przepisy: Prawa wodnego, Prawa ochrony środowiska, Prawa budowlanego, Ustawy o planowaniu i gospodarowaniu przestrzennym oraz Prawa górniczego i geologicznego. Woda po przepłynięciu przez wymiennik pompy ciepła uznawana jest za ściek, a odprowadzanie ścieków, jak i korzystanie z wody do celów energetycznych, czy wykonanie studni o głębokości ponad 30 m wymaga uzyskania pozwolenia wodnoprawnego. Pozwolenie wodnoprawne wydawane jest przez starostę w drodze decyzji, na czas określony, nie krótszy niż 10 lat.

Starosta może również pozwolenie cofnąć. Dodatkową wadą tego typu rozwiązania jest czas wykonania i nieprzewidywalność jeżeli chodzi o wydajność źródła i jakość wody. Trudności w wykorzystaniu wód powierzchniowych związane są przede wszystkim z brakiem zbiornika wodnego w okolicy budowy obiektu, który chcemy wyposażyć w pompę ciepła, jak również z procesem ubiegania się o pozwolenie. Jeżeli zdecydujemy się na system z bezpośrednim poborem wody i tłoczeniem jej przez wymiennik pośredni, to trzeba rozwiązać problem zamulania i zanieczyszczeń zarówno mineralnych, chemicznych i organicznych. Jeżeli ciepło będziemy odbierać poprzez kolektor zatapialny, zbiornik wodny powinien charakteryzować się odpowiednią powierzchnią (powierzchnię kolektora zatapialnego dobiera się podobnie jak dla kolektora gruntowego poziomego) i głębokością (powyżej 3 m). Myślę, że powyższe informacje całkowicie tłumaczą popularność pomp ciepła typu solanka/woda, a więc rozwiązań z kolektorem gruntowym. Jeżeli grunt, to który kolektor będzie lepszy: pionowy, czy poziomy? Przewaga instalacji z kolektorem pionowym w stosunku do kolektora gruntowego poziomego związana jest głównie z niewielką powierzchnią zajmowaną przez kolektor pionowy, który układa się w pionowych odwiertach, sięgających około 100 m w głąb ziemi oraz znikomym wpływem czynników zewnętrznych na grunt poniżej głębokości 10 m. Wykonanie kolektora gruntowego poziomego jest tańsze, jednak na głębokości 1,2-2 m, na której układa się kolektor gruntowy poziomy, występują dość duże wahania temperatury gruntu i jeżeli pętle kolektora będą zbyt blisko siebie ułożone, a ich długość źle zwymiarowana, w stosunku do właściwości fizycznych gruntu, może nastąpić jego nadmierne wychłodzenie. Efektem tego będzie niedogrzanie budynku lub nawet zatrzymanie pracy pompy ciepła (minimalna dopuszczalna temperatura dolnego źródła dla większości oferowanych pomp ciepła wynosi -5oC).

Ponadto należy pamiętać, że grunt w którym zakopany jest kolektor gruntowy poziomy w okresie wiosenno-letnim musi ulec regeneracji, w związku z czym nie wolno utrudniać penetracji energii słonecznej i wody deszczowej przez np. zabetonowanie terenu nad kolektorem. Dopełnieniem analizy będzie porównanie dwóch pozostałych parametrów, takich jak czas instalacji i żywotność (dolnego źródła i pompy ciepła). Czas instalacji pompy ciepła i wykonania kolektora gruntowego poziomego lub kolektora zatapialnego wynosi około 5 dni. Czas instalacji pompy ciepła i wykonania kolektora pionowego lub studni czerpalnej i zrzutowej, gdy dolnym źródłem jest woda gruntowa, wynosi około 3 dni. Żywotność pomp ciepła określana jest na poziomie żywotności sprężarki i bez względu na dolne źródło (przy założeniu że do modułu chłodniczego w pompie ciepła dostarczany jest ten sam czynnik niezamarzający) szacuje się na poziomie 25 lat. Najbezpieczniejszy w użytkowaniu będzie kolektor gruntowy (niektórzy producenci systemów dolnych źródeł dają 50-letnią gwarancję), natomiast nie jesteśmy w stanie przewidzieć, czy jakość i wydajność wody gruntowej, czy też jakość, głębokość i inne parametry zbiorników wody powierzchniowej nie ulegną z czasem zmianom, które mogą mieć wpływ na funkcjonowanie pompy ciepła.
dr inż. Małgorzata Smuczyńska
Ilustracje z archiwum firmy Nibe-Biawar. * Nibe VPDIM Tabela. Wyniki obliczeń wykonanych w programie komputerowym do doboru pomp ciepła NIBE VPDIM dla pompy ciepła o mocy 8kW wykorzystującej różne dolne źródło: grunt, wodą gruntową i wodę powierzchniową. * stosunek zapotrzebowania na moc cieplną budynku/moc grzewcza pompy ciepła przy założonych parametrach pracy
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