Zamarznięte pionowe wymienniki pompy ciepła – studium osobliwego przypadku.

Zdarzają się jednak sporadyczne sytuacje, jak ta opisana poniżej, związane z zamarznięciem dolnego źródła ciepła. Wydaje się, że ważnym zadaniem dla osób zajmujących się zawodowo pompami ciepła jest poznanie wszystkich okoliczności związanych z tym zagadnieniem tak, aby ustrzec się podobnych sytuacji w przyszłości. W tym konkretnym przypadku nastąpiło niezwykle nieprawdopodobne spiętrzenie mnóstwa niekorzystnych przyczyn,… ale jednak miało to miejsce.

 

Założenia i dobór instalacji

Opisywane zdarzenie miało miejsce gdzieś w Polsce. W nowym budynku zamontowano pompę ciepła typu solanka/woda o mocy 10 kW (dla B0W35) z dolnym źródłem w postaci trzech pionowych gruntowych wymienników ciepła (tzw. pojedyncza u-rurka) o głębokości 70 m każdy (współczynnik przewodzenia gruntu wynosił ok. 2 W/m*K). Budynek jednorodzinny ma powierzchnię ogrzewaną 155 m2, w założeniach miała być zastosowana dobra izolacja cieplna (15 cm styropianu na ścianach zewnętrznych, 25 cm wełny mineralnej dla izolacji poddasza). Zgodnie z wykonanym projektem jednostkowe projektowe zapotrzebowanie ciepła budynku wynosiło ok. 50 W/m2.

Wydaje się, że, z punktu widzenia wielu podobnych obiektów, dobór pompy ciepła i dolnego źródła należy uznać za poprawny. Dobór mocy pompy ciepła 10, a nie 8 kW, został podyktowany względami bezpieczeństwa i dodatkiem 1 kW mocy na ciepłą wodę użytkową. W wielu podobnych nowych budynkach pompy ciepła o mocy 8 kW, z opisanym jak powyżej dolnym źródłem, pracują w sposób całkowicie poprawny.

Przypadek zamarznięcia dolnego źródła

W drugim sezonie pracy pompy ciepła (po ok. 12 miesiącach od uruchomienia) miało miejsce opisane poniżej zdarzenie.

Po kilku miesiącach pracy pompy, w drugim sezonie grzewczym i kilku dniach ciągłej pracy sprężarki pompy ciepła, nastąpił gwałtowny wzrost ciśnienia roztworu glikolu, powyżej wartości ciśnienia otwarcia zaworu bezpieczeństwa (3 bary), a także wyrzut ok. 1,5 l czynnika do zbiornika zrzutowego na ciecz niezamarzającą. Pojawiło się nurtujące klienta i instalatora pytanie: co było powodem tego zjawiska?

Najbardziej prawdopodobną odpowiedzią wydaje się, że pompa ciepła po przepracowaniu w ciągu roku około 2900 h pracy sprężarki (zamiast planowanych ok. 1500 h) wymroziła grunt wokół pionowego wymiennika ciepła. Zjawisko to nazywane jest zamrożeniem pionowego gruntowego wymiennika. Często może prowadzić do zablokowania pracy pompy ciepła, a w skrajnych przypadkach nawet do mechanicznego uszkodzenia pionowego wymiennika ciepła.

Przez wiele dni temperatura roztworu glikolu, wychodzącego z dolnego źródła, znajdowała się poniżej -3oC, a temperatura czynnika niezamarzającego podawana z pompy wynosiła poniżej -7oC (rys. 1) Woda znajdująca się w przestrzeni pierścieniowej (pomiędzy wymiennikiem a gruntem) uległa zamarznięciu. W trakcie zamarzania zwiększa się objętość lodu w stosunku do objętości wody, z której powstał i może to doprowadzić do miejscowego zgniecenia rury poprzez rozszerzający się lód i w konsekwencji do zgniecenia wymiennika. Z dużym prawdopodobieństwem można założyć, że tak zdarzyło się w tym przypadku. Długa i ciągła praca pompy ciepła przez wiele dni spowodowała zamrożenie gruntu wymiennika od góry do samego dołu. Mimo że zastosowany materiał był stosunkowo wysokiej klasy (rura DN 40 z PE 80 o ciśnieniu nominalnym PN 12), doszło do zgniecenia rury wymiennika przez lód. Można przyjąć istnienie ryzyka trwałego zniszczenia wymiennika ze względu na brak gwarancji niezawodnej pracy wymiennika w przyszłości. Przyjmuje się, że standardowy okres użytkowania pionowego wymiennika ciepła wynosi min. 50-100 lat i w tej sytuacji nikt nie może zagwarantować tak długiego okresu eksploatacji.

Wg badań, przeprowadzonych przez R. Rohmera, różnica ciśnień pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną częścią głowicy, w przypadku zamarzniętego pionowego wymiennika ciepła, może sięgać wartości ponad > 23 bary. Nawet gdy nie doszło do naruszenia struktury materiału, to i tak po stopieniu się lodu wokół wymiennika może dojść do przerwania kontaktu wymiennika z gruntem i późniejszego znacznego pogorszenia wydajności pionowego wymiennika ciepła (powietrze znajdujące się w mikroszczelinach jest izolacją cieplną).

Czasami dodatkowym objawem zamarznięcia pionowego wymiennika jest podniesienie wymiennika z gruntu (łącznie z rurami dobiegowymi) nawet do wysokości pół metra ponad gruntem. Może to powodować szkody budowlane, np. zniszczenie nawierzchni kostki brukowej. Zjawisko „wysadzania” wymiennika jest bardziej prawdopodobne w przypadku umieszczenia wymiennika w gruntach piaszczystych lub żwirowych. Do tego problemu, na szczęście, w tym wypadku nie doszło. W tym przypadku, po szybkiej reakcji instalatora, udało się podwyższyć temperatury dolnego źródła, odciążając je poprzez zmniejszenie utrzymywanych temperatur w pomieszczeniach z 23 do 20oC. Załączona została funkcja grzałki elektrycznej (pozwalająca na równoległą pracę grzałki z pompy ciepła) W sukurs przyszła też aura, czyli pojawiło się nagłe ocieplenie i temperatury powietrza powyżej 0oC.

W przypadku wystąpienia pełnego zamrożenia pionowych wymienników najlepszym rozwiązaniem jest przerwanie pracy pompy ciepła na okres minimum 1-2 tygodni i ogrzewania, np. za pomocą grzałki elektrycznej, lub próba maksymalnego odciążenia dolnego źródła, np. zmniejszenie temperatury zadanej w pomieszczeniach lub zmniejszenie pochylenia krzywej grzewczej.

Na podstawie doświadczeń przeprowadzonych w Szwajcarii jako temperatury graniczne ryzyka zamarzania dolnego źródła przyjmuje się wartość średnią -5oC (np. wejście -2,5oC, wyjście -5,5oC), w przypadku zastosowania roztworu glikolu etylenowego 30% i -7oC dla roztworu glikolu propylenowego 33% (np. wejście -3,5oC, wyjście -6,5oC).

Ze względu na ryzyko zamarzania pionowych wymienników ciepła zalecane standardy doboru pionowych wymienników w Niemczech (VDI 4640 cz. 2) nie dopuszczają do spadku średniej tygodniowej temperatury dolnego źródła poniżej -3,5oC (wejście/wyjście). Np. w Szwajcarii zalecano do niedawna, aby min. średnia temperatura tygodniowa była wyższa niż -2,5oC. Obecne zalecenie (norma SIA 386/4) to min. średnia temperatura -1,5oC (wyjście 0oC, wejście -3oC). Podane wyżej wartości dotyczą pomiarów po okresie użytkowania 25 lat. W podanym przykładzie średnia tygodniowa temperatura w drugim roku eksploatacji wyniosła -5oC (wyjście -3oC, wejście -7oC) i była znacząco poniżej wszystkich podanych granic.

Co było powodem zamarzania?

W tym konkretnym przypadku nałożył się splot różnych przyczyn. Zasadniczym powodem było nieprawidłowe wykonanie izolacji poddasza budynku, co zostało stwierdzone za pomocą nagrań kamerą termowizyjną. W efekcie, zamiast projektowych strat ciepła budynku na poziomie ok. 8 kW, realne straty projektowe dla temperatury -20oC wyniosły co najmniej 11 kW (ponad 35%). Fakt ten bez dodatkowych okoliczności nie doprowadziłby jednak do zamrożenia pionowego gruntowego wymiennika ciepła. Należy dodać do tego kolejne istotne przyczyny. Klient utrzymywał temperaturę w pomieszczeniach nie 20oC, a ponad 23oC. Niewykluczone jest to, że przeprowadzana była swoista „regulacja” temperatury pomieszczeń poprzez ciągłe uchylanie okien. Przekładając to na dodatkową ilość energii, stanowi to około 25-30%. Na domiar złego budynek nie był całkowicie wysuszony. W przypadku nowych budynków wznoszonych techniką mokrą ilość energii potrzebna na wysuszenie budynku sięga od 20% do 30% więcej niż dla budynków kompletnie suchych.

Prawie dwukrotnie większy niż zakładany roczny pobór energii z dolnego źródła (rys. 2 i 3) doprowadził do wyraźnego obniżenia temperatur dolnego źródła (gruntu i czynnika niezamarzającego). Wraz z trwałym obniżeniem temperatur dolnego źródła spadła też o ok. 15% moc grzewcza pompy ciepła, co doprowadziło w pewnym momencie do ciągłej pracy sprężarki mimo stosunkowo wysokich temperatur zewnętrznych (-5 do -8oC). W konsekwencji po kilku dniach ciągłej pracy pompy ciepła nastąpiło zamrożenie całego pionowego wymiennika ciepła.

Mimo że pompa ciepła miała wbudowaną grzałkę elektryczną o mocy 5 kW, nie została ona załączona. Została ona wyłączona programowo przez instalatora w regulatorze pompy ciepła. Automatyczne załączenie grzałki elektrycznej, przy dużym rozbiorze energii, skutecznie ochroniłoby przed zjawiskiem zamarzania dolnego źródła.

 

Jak można unikać takich problemów?

Ze względu na zjawisko suszenia nowego budynku warto zachęcić klienta do lekkiego przewymiarowania dolnego źródła o min. 15-20%. Jednym z wielu powodów zwiększenia wielkości dolnego źródła jest częsta praktyka utrzymywania wyższych temperatur w pomieszczeniach niż normatywne 20oC. W niektórych krajach przepisy budowlane i standardowe umowy zobowiązują firmy budowlane do wysuszenia budynku (za pomocą osuszaczy pomieszczeń). Warto podpowiedzieć inwestorowi przyjęcie takiej klauzuli w umowach z firmami budowlanymi.

Zarówno niemieckie wytyczne VDI 4640 cz. I, jak i austriackie wytyczne ÖWAV-Regelblatt 207 oraz szwajcarska norma SIA 384/6 zwracają uwagę na to, że niedopuszczalne jest suszenie budynku tylko za pomocą pompy ciepła.

Także ogrzewanie budynku, będącego w stanie budowy, tylko za pomocą pompy ciepła może być przeprowadzone tylko pod pełną kontrolą (ciągłym monitorowaniem temperatur dolnego źródła). Suszenie wylewki ogrzewania podłogowego można przeprowadzać za pomocą pompy ciepła, ale koniecznie z załączonym dodatkowym źródłem ciepła, np. grzałką elektryczną. W trakcie suszenia wylewki tylko pompą ciepła w miesiącach zimowych istnieje ryzyko zamrożenia pionowego lub poziomego wymiennika ciepła.

Doświadczenia wskazują, że dobrym rozwiązaniem jest wykonanie odbioru izolacji budynku za pomocą kamery termowizyjnej. Mimo kosztu, sięgającego ok. 1000 zł, ten wydatek zwraca się często z nawiązką. Koszty remontu izolacji i elewacji po skończeniu okresu rękojmi są znacząco wyższe.

Częstą przyczyną zbyt dużego poboru energii z gruntu i zamrożenia wymiennika jest również ogrzewanie budynku będącego w stanie budowy. Prowizoryczne drzwi, ubytki w izolacji, niezaizolowane mostki cieplne, częste i nieumiejętne wietrzenie budynku mogą prowadzić do znacznego obniżenia temperatur dolnego źródła ciepła.

Przypadki zamrożenia wymienników zdarzają się również po podłączeniu do istniejącej instalacji grzewczej odbiornika w postaci basenu letniego. Duży pobór energii w okresie lata i brak regeneracji dolnego źródła powoduje znaczące trwałe obniżenie temperatur gruntu. Również rozbudowa budynku bez zwiększenia wielkości dolnego źródła stanowi spore zagrożenie dla poprawnej pracy dolnego źródła.

Inną możliwą przyczyną problemu jest nieprawidłowe stężenie czynnika niezamarzającego w całej lub w części instalacji, które może doprowadzić, że np. realnie pracuje tylko jeden pionowy wymiennik ciepła, w drugim, w którym jest zbyt duże stężenie czynnika niezamarzającego nie ma odpowiedniego przepływu czynnika i prawidłowego odbioru ciepła. Również brak wyrównoważenia lub złe wyrównoważenie przepływu czynnika przez pionowe wymienniki ciepła może doprowadzić do podobnych efektów.

Do zamrożenia wymiennika mogą prowadzić również nieprawidłowo wypełnione przestrzenie otworowe między rurą wymiennika a gruntem. Stosowane wypełnianie urobkiem lub drobnym żwirem odwiertu nie daje gwarancji dobrej pracy wymiennika

Poprawnym zabezpieczeniem przed skutkiem zamarzania pionowego wymiennika jest stosowanie iniekcji przestrzeni pierścieniowej odwiertu masami wypełniającymi z gotowych mieszanek albo wykonywaną w warunkach budowy mieszaniną cementowo-bentonitową. Jest to realizowane dodatkową rurą iniekcyjną metodą od dołu do góry. To rozwiązanie, stosowane standardowo w Niemczech, Austrii czy Szwajcarii, zaczyna być stosowane również i u nas. Niektórzy producenci pionowych wymienników w Polsce stawiają to jako warunek uzyskania 50-letniej gwarancji na poprawną pracę wymiennika ciepła. Nie oznacza to, że można w takim przypadku pozwolić sobie na niedowymiarowanie dolnych źródeł. Masa wypełniająco-uszczelniająca ma ograniczoną ilość cykli zamarzania/odmarzania. Po przekroczeniu granicznej ilości X występuje ryzyko pęknięć masy uszczelniającej, powstania rys i pustych przestrzeni na styku rury i masy wypełniającej. Wszystko to może znacząco pogorszyć wymianę ciepła w wymienniku, prowadząc do wyłączeń awaryjnych pompy ciepła na skutek małej wydajności cieplnej i dużego spadku temperatury dolnego źródła.

W polskich warunkach rekomendowana wartość energii wyciągniętej z pionowego wymiennika ciepła nie powinna przekraczać 80-90 kWh/m. Przyjmowana moc chłodnicza dla projektów bez pełnego rozpoznania geologicznego nie powinna przekraczać 40 W/m. Podobne standardy poboru energii i mocy chłodniczej przyjmowane są obecnie wielu krajach, np. w Austrii czy Szwajcarii.

W niedługim czasie możemy spodziewać się nowej wersji niemieckich wytycznych VDI 4645 będących następcą aktualnych wytycznych dla dolnych źródeł VDI 4640 Blatt 1-4.
Po uruchomieniu pompy ciepła wskazane jest ciągłe monitorowanie temperatur dolnego źródła. Szybki spadek temperatury dolnego źródła poniżej 0oC jest już ważnym sygnałem ostrzegawczym. Ze względu na ryzyko zamrożenia wymiennika należy stosować materiały rur o klasie porównywalnej do PE 100 i min. ciśnieniu nominalnym PN 12. Ze względów bezpieczeństwa rekomendowane jest stosowanie rury o ciśnieniu nominalnym PN 16. W niektórych krajach, np. Szwajcarii, Niemczech czy Austrii, rury wymiennika o ciśnieniu nominalnym PN 16 stały się już standardem nawet przy krótkich wymiennikach. Również połączenie głowicy z rurą wymiennika ciepła nie może być wykonane w warunkach budowy.

 

Jak się znaleźć po bezpiecznej stronie?

Warto zabezpieczyć się przed ewentualnymi skutkami nadmiernego poboru energii z dolnego źródła odpowiednio sformułowanymi zapisami w umowach pomiędzy instalatorem a inwestorem. Wskazane jest również określenie wszystkich oczekiwań i ograniczeń do umowy, np. oczekiwanie wyższych temperatur w pomieszczeniach czy brak możliwości ogrzewania dodatkowych pomieszczeń lub basenu bez rozbudowy dolnego źródła. Wszystkie te zapisy należy starannie objaśnić klientowi, uświadamiając możliwe skutki nadmiernego zużycia energii przez pompę ciepła.

Ważnym narzędziem, które może pomóc instalatorowi, jest certyfikat energetyczny. Może stać się ważnym załącznikiem do umowy z inwestorem. Warto go wykonać jeszcze przed podpisaniem umowy z inwestorem. Aktualna praktyka wskazuje, że certyfikaty energetyczne są wykonywane dopiero na tydzień przed oddaniem dokumentacji do powiatowego inspektoratu nadzoru budowlanego w celu uzyskania końcowego odbioru budynku. W takiej sytuacji certyfikat energetyczny ma znaczenie tylko formalne, co odbija się też na jakości jego wykonania.

W pierwszych latach eksploatacji pompy ciepła wskazane jest monitorowanie temperatur dolnego źródła i należy pamiętać o tym, by nie wyłączać funkcji grzałki elektrycznej. Wskazane jest pozostawienie możliwości pracy pompy ciepła w trybie monoenergetycznym z możliwością załączenia grzałki elektrycznej, np. poniżej temperatury zewnętrznej -5oC.

Każdy przypadek zmarzniętego dolnego źródła (mimo tego, że zdarzają się niezwykle rzadko) jest porażką nie tylko dla konkretnego instalatora czy klienta, ale również dla całej branży pomp ciepła, psując wizerunek pomp ciepła jako całości.
Jestem przekonany, że poszerzenie wiedzy przez instalatora, projektanta i inwestora na temat opisanego problemu pozwoli w wystarczającym stopniu uchronić przed negatywnymi skutkami zamarzania dolnego źródła.

Ważnym zadaniem, przed którym stoi branża pomp ciepła, jest opracowanie i wprowadzenie standardów i wytycznych związanych z jakością doboru i wykonywania dolnych źródeł, podobnych do tych, jakie z powodzeniem od lat stosowane są w Niemczech, Austrii czy Szwajcarii.

Paweł Lachman

Literatura i źródła:

1. Niemieckie wytyczne VDI 4640 Blatt 2.
2. Austriackie wytyczne ÖWAV-Regelblatt 207 (2 wydanie z 2009 r.).
3. Szwajcarska norma SIA 384/6 Erdwärmesonden (wydanie 2010 r.).
4. Komputerowy program symulacyjny WP-OPT– www.wp-opt.pl.
5. Dokumentation von Schadensfällen bei Erdwärmesonden (wyd. Energieschweiz, 2006).
6. Lebensdauer von Erdwärmesonden in Bezug auf Druckverhältnisse und Hinterfüllung (E. Rohner, L. Rybach, M. Salton 2001).
Zobacz artykuł w wersji pdf 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