ABC pomp ciepła. Dolne źródło w PC

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf  pdf      

Mówimy o dolnym i górnym źródle ciepła. Aby pompy były odpowiednio wydajne, dolne źródło ciepła powinno być właściwie wykonane i przygotowane do eksploatacji. Czy jest to proste zadanie?
Spośród kilku rodzajów dolnych źródeł ciepła, których zalety i wady można długo rozważać, najczęściej stosuje się w naszej rzeczywistości tzw. sondy pionowe. Głębokość sond sięga nawet 150 m, najczęściej wykonuje się je do głębokości 100 m. W opinii fachowców ten typ dolnego źródła jest najbardziej pewny pod względem wydajności ciepła, stabilności działania i trwałości.

Podstawa to dobry projekt
Niezależnie od rodzaju dolnego źródła konieczne jest wykonanie projektu całej instalacji ze wszystkimi pracami szczegółowymi i niezbędnymi uzgodnieniami. Do ważnych prac szczegółowych należy zaliczyć dokładne oszacowanie potrzeb cieplnych budynku na ogrzewanie oraz przygotowanie ciepłej wody, z uwzględnieniem preferencji zamieszkałych tam osób. Normatywne szacunki mogą być zawodne.

Zostałem kiedyś poproszony o ustawienie temperatury pomieszczeń w regulatorze pogodowym kotła gazowego. Domownicy zaznaczyli zgodnie, że należą do ludzi „zimnego chowu”. Gdy przyszło do konkretów, okazało się, że temperatura w całym domu nie ma być niższa jak 24oC. Z tego wynika, że wszelkie uzgodnienia powinny być bardzo precyzyjne. Ogólne stwierdzenia mogą być mylące. W przypadku pompy ciepła każdy stopień będzie miał widoczny wpływ na efektywność energetyczną pompy i koszty eksploatacji. Im wyższa temperatura w pomieszczeniach mieszkalnych, tym niższa efektywność pompy i wyższe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Na podstawie dokładnie określonych potrzeb cieplnych można następnie dobrać pompę o odpowiedniej mocy grzewczej, biorąc pod uwagę jeszcze kilka innych uwarunkowań jak:

* rodzaj instalacji grzewczej (grzejniki, ogrzewanie podłogowe, ścienne, sufitowe),
* rodzaj pracy pompy (monowalentny, monoenergetyczny),
* udział innych źródeł ciepła (kocioł gazowy, olejowy, stałopalny, ogrzewanie solarne, elektryczne),
* sposób współpracy pompy z innymi źródłami ciepła (biwalentny alternatywny, biwalentny równoległy).

Ponadto należy wziąć pod uwagę, że producenci podają moc pompy dla określonych warunków pracy. Moc grzewcza pompy ulega zmianie ze zmianą [M2] temperatury dolnego źródła oraz różnicą temperatur na dopływie i odpływie dolnego, jak również górnego źródła. Ujęte jest to w normatywnym zapisie, np. B0/W35, co oznacza, że moc określona jest dla dolnego źródła (kolektor poziomy lub sonda pionowa) wykonanego z wężownicy z cieczą (B), o temperaturze źródła wynoszącej 0oC (0), i dla górnego źródła wykonanego w postaci wodnego ogrzewania (W) i temperatury zasilania 35oC (35). Jak zmienia się moc grzewcza w zależności od parametrów pracy pompy, określonej przez producenta jako pompa o mocy 10 kW, pokazano na wykresie.

Po ustaleniu wielkości mocy pompy ciepła wystarczy określić już tylko ilość i głębokość sond. To zadanie jest podobne do gry na fortepianie – jest tak samo „proste”. Wystarczy wiedzieć, kiedy i w jaki klawisz uderzyć. Tak jak dotychczasowe wstępne prace przygotowawcze (ocena potrzeb grzewczych i dobór mocy pompy) nie należą do łatwych i szybkich, tak i określenie liczby i głębokości sond uzależnione jest od wielu bliżej nieokreślonych uwarunkowań, głównie natury geologicznej, technicznej oraz prawnej.

Podstawą wykonania projektu dolnego źródła w postaci pionowych sond i robót geologicznych (wiercenia) powinien być projekt prac geologicznych (PPG). Projekt taki wykonuje geolog w oparciu o szczegółowe mapy geologiczne Polski (SMGP), mapy hydrogeologiczne Polski (MHP) i dokumentację geologiczną oraz swoją wiedzę i doświadczenie. Te dokumenty znajdują się w archiwum w Państwowym Instytucie Geologicznym. Są dobrem narodowym, powszechnie dostępnym dla każdego, z pewnym ograniczeniem odnośnie dokumentacji geologicznej, gdzie jest wymagane złożenie odpowiedniego wniosku i w zależności od celu wykorzystania tej dokumentacji może się to wiązać z odpłatnością.

Rusza odwiert!
Mapy i dokumentacja geologiczna nie dają całkowitej pewności optymalnego zaprojektowania dolnego źródła ciepła, ale są bardzo istotnym punktem wyjścia do projektu. Duże znaczenie, pod względem zawartości ciepła w złożu, ma nie tylko sama jego struktura geologiczna, lecz też zawartość wilgoci oraz przepływy strumieni wody podziemnej i ich natężenie. Nie zawsze te informacje są zawarte w dokumentacji geologicznej.

W trakcie wykonywania odwiertu konieczna jest bieżąca kontrola geologa dotycząca składu i stanu złoża. Na podstawie tych obserwacji i wyników badań powinien być sporządzony projekt prac powykonawczych (PPP). Dopiero ten dokument będzie opisywał dokładnie dolne źródło ciepła i pozwoli ocenić, czy wcześniejsze założenia co do ilości i głębokości sond są słuszne. Opisana procedura jest szczególnie ważna dla dużych inwestycji, gdzie bieżąca korekta może w znacznym stopniu wpłynąć na liczbę sond i koszty wykonania.

Tak staranne zaprojektowanie i wykonanie dolnego źródła w postaci sond pionowych jest niezbędne dla zapewnienia odpowiedniej wydajności cieplnej źródła i wieloletniej (kilkudziesięcioletniej) bezproblemowej eksploatacji. Projekt, jego weryfikacja i zatrudnianie geologa wiąże się z pewnymi dodatkowymi kosztami, które trzeba ponieść. Koszty te powinno się potraktować jak polisę ubezpieczeniową, która zagwarantuje sprawne działanie całego systemem grzewczego przez długi czas.

W przeciwnym wypadku może się okazać, że cieszymy się efektami działania pompy ciepła przez pierwszy sezon grzewczy, a w następnym pompa, na skutek wyczerpania ciepła w dolnym źródle w pierwszym sezonie, nie daje wystarczającej ilości ciepła, by ogrzać budynek do przewidzianej temperatury i podgrzać wodę użytkową. Mamy wówczas poważny problem, którego nie da się rozwiązać z dnia na dzień, i którego usunięcie będzie wymagało znacznie większych nakładów niż koszty poniesione na projekt i pracę geologa.

Samo wiercenie otworów też nie należy do łatwych zadań. Wymaga specjalistycznego sprzętu, fachowości i doświadczenia. Jak wynika z wieloletniej praktyki, najbardziej wydajne odwierty zaczynają się od głębokości ok. 80 m. Powyżej tej głębokości osiąga się wydajny i stabilny strumień ciepła. Jako typowe wykonuje się najczęściej odwierty o głębokości ok. 100 m. Znacznie lepszym rozwiązaniem, pod względem wydajności ciepła, jest wykonanie jednego odwiertu o głębokości 100 m niż dwóch odwiertów o głębokości 50 m każdy.

Podczas wiercenia można napotkać na wiele utrudnień wynikających ze struktury geologicznej gruntu, w postaci luźnych wilgotnych warstw (kurzawka) i warstw wodonośnych, których przebicie może powodować szkody środowiskowe. W takich sytuacjach stosuje się rury osłonowe, które zostają na zawsze w odwiercie lub usuwa się je po włożeniu sondy i wypełnieniu odwiertu odpowiednim materiałem.

Umieszczenie sondy
Włożenie sondy w odwiert następuje natychmiast po wykonaniu odwiertu. Zwłoka w umieszczeniu sondy w odwiercie może prowadzić do zacieśnienia się odwiertu (zmniejszenia średnicy) i uniemożliwienia włożenia sondy do pełnej głębokości. Zwykle w odwiercie umieszcza się tzw. pojedynczą u-rurkę, rzadziej podwójną. W krajach zachodnich (Niemcy, Austria) w przeważającej większości stosuje się podwójną u-rurkę. Przed włożeniem sondy w odwiert należy sprawdzić jej szczelność pod odpowiednim ciśnieniem. Sonda powinna być wypełniona cieczą, wówczas ma tendencję do wsuwania się w odwiert siłą grawitacji. Powinna być ona wcześniej umieszczona na bębnie (szpuli) i odwijana w sposób kontrolowany, z możliwością hamowania. Jeśli wprowadza się w odwiert sondę pustą lub w odwiercie znajduje się woda, do sondy mocuje się ciężar, który ułatwia wprowadzanie jej w odwiert. Obciążenie to zapobiega również wysuwaniu się sondy na powierzchnię w okresie eksploatacji. Takie zjawisko obserwuje się w wypadku złego wypełnienia odwiertu, np. przez zasypywanie go od góry urobkiem.

Po umieszczeniu sondy w odwiercie wprowadza się specjalny materiał, którego zadaniem jest całkowite wypełnienie odwiertu i prawidłowe termiczne połączenie sondy ze złożem.

W handlu rozprowadzany jest suchy materiał w workach, podobny do zaprawy tynkarskiej. Po zmieszaniu z wodą tworzy rzadką mieszaninę, łatwą do transportu wężami o średnicy nawet ok. 30 mm. Wypełniacz wprowadza się do odwiertu od dołu dodatkowo umieszczonym wężem razem z sondą. W miarę wypełniania odwiertu wąż się wyciąga. Po zastygnięciu konsystencja wypełniacza przypomina strukturę gipsu.

W następnym odcinku omówione zostaną następujące tematy: wypełnienie odwiertu, praca dolnego źródła oraz przepisy prawne dotyczące wykonywania odwiertów.

dr inż. Jan Siedlaczek

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