Dolne źródła w pompach ciepła. Efektywny odzysk.

W domach jednorodzinnych, budynkach użyteczności publicznej najczęściej mamy możliwość wykorzystania do pomp ciepła źródeł naturalnych, których temperatura zależy zarówno od ich rodzaju, jak i pory roku. Są to: woda gruntowa (8-12oC), woda powierzchniowa i grunt (-3 do 5oC), powietrze (-20 do 30oC), wymienione celowo w kolejności od źródła charakteryzującego się najwyższą temperaturą. W niniejszym artykule pragnę przedstawić aspekty związane z efektywnością, wykonaniem i wymiarowaniem dolnych źródeł dla pomp ciepła typu solanka/woda i woda/woda. 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 pompujemy 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 wymiennika poziomego. Sposoby odbioru ciepła ze źródeł odnawialnych przedstawione zostały na rysunkach 1-3. Parametry, które należy porównać przy wyborze rodzaju dolnego źródła, 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 z dolnego źródła
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 i wodzie powierzchniowej? 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 (NIBE VPDIM) 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, z obliczeniową temperaturą wewnętrzną 200C i z instalacją grzewczą o parametrach 35/25), lecz dla pompy ciepła wykorzystującej różne dolne źródło: grunt, wodę 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.

Pion czy poziom? Skoro najwyższą temperaturą charakteryzuje się woda gruntowa, niezależnie od głębokości i pory roku (ok. 10oC), to dlaczego najczęściej w Polsce stosowane są kolektory gruntowe pionowe? 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 zanieczyszczeń w wodzie gruntowej 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 źródło ciepła, może być niemożliwe. Ponadto studnię zrzutową należy wykonać w ten sposób, aby zrzut wody chłodnej następował do tej samej warstwy wodonośnej w odległości minimum 15 m od ujęcia. 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. Problemem z tego typu źródłem ciepła jest fakt, że w Polsce wszystkie rzeki i jeziora są własnością Państwa. Jedynie stawy rybne bywają prywatnymi własnościami. 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, jak i organicznych. Jeżeli ciepło będziemy odbierać poprzez wymiennik zatapialny, zbiornik wodny powinien charakteryzować się odpowiednią powierzchnią (powierzchnię kolektora zatapialnego dobiera się podobnie jak dla kolektora gruntowego poziomego) i głębokością (powyżej 3 m). Należy także pamiętać, że zimą temperatura wody zbliżać się będzie do 0oC, a w przypadku dużego zanieczyszczenia nawet spadać poniżej. W miesiącach zimowych należy także rozpatrywać problemy związane z oblodzeniem wymienników. Myślę, że powyższe informacje całkowicie tłumaczą popularność rozwiązań z kolektorem gruntowym. Natomiast 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 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. Dla całości analizy pozostały do porównania dwa parametry: czas instalacji i żywotność (dolnego źródła i pompy ciepła). Ale o tym (i o wymiarowaniu kolektorów) w następnej części.
dr inż. Małgorzata Smuczyńska
Fot. Kolektor spiralny w zbiorniku wody.
Zobacz artykuł w wersji pdf pdfpdf

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