Dolne źródła pomp ciepła: pion, poziom, a może powietrzna? Gruntowe kolektory

zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

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 (20 cm poniżej strefy przemarzania gruntu w danym regionie), 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.

Czas instalacji pompy ciepła i wykonania kolektora gruntowego poziomego wynosi około 5-6 dni. Czas instalacji pompy ciepła i wykonania kolektora pionowego wynosi około 3-4 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 o tej samej temperaturze średniorocznej) szacuje się ją na poziomie 25 lat. Najbezpieczniejszy w użytkowaniu będzie kolektor gruntowy pionowy (niektórzy producenci systemów dolnych źródeł dają 50-letnią gwarancję), ze względu na to że grunt poniżej wierzchniej warstwy 8-10 m ma stałą temperaturę, a kolektor pionowy przechodzi zazwyczaj przez kilka różnego rodzaju warstw gruntu, w związku z czym, w porównaniu do kolektora poziomego, jest mniejsze prawdopodobieństwo, że natrafimy na grunt o słabych właściwościach przewodzenia ciepła.

Ciepło z powietrza za darmo?
Pompy na powietrze zewnętrzne cieszą się ogromną popularnością w krajach zachodniej Europy, m.in. we Francji, Niemczech, w Austrii, a także w Czechach. Dlaczego więc Polacy nadal bardzo sceptycznie podchodzą do tej technologii? Niewielki odsetek pomp ciepła zasilanych powietrzem zewnętrznym – 12,5% w stosunku do wszystkich pomp ciepła zamontowanych w 2011 r. w Polsce (wg danych PORT PC) – jest głównie spowodowany brakiem wiedzy i powtarzanym sloganem, mówiącym o małej wydajności tego typu urządzeń w stosunku do panującego w Polsce surowego klimatu. Według mnie jest to błędne przekonanie. Urządzenia te, oprócz tego, że wykorzystują niewątpliwie najtańsze i najłatwiejsze do pozyskania źródło ciepła, przeszły znaczne modyfikacje i ulepszenia, które postaram się szczegółowo opisać.

Zasada działania
Gdy dolnym źródłem jest powietrze, odzysk ciepła następuje z zewnętrznego lub wewnętrznego powietrza wentylacyjnego za pomocą wentylatora w pompie ciepła.

Odebrane ze środowiska ciepło transportowane jest do układu chłodniczego pompy ciepła, na który składają się następujące elementy: dwa wymienniki ciepła nazywane (od pełnionych funkcji) parownikiem i skraplaczem, sprężarka i zawór rozprężny. Oprócz tych elementów są jeszcze pompa ciepła wyposażona w pompę obiegową czynnika grzewczego oraz czujniki temperatur i system sterowania. Temperatura uzyskana z dolnego źródła jest wystarczająca, aby w wymienniku płytowym (parownik) odparował czynnik chłodniczy drugiego obiegu. Najczęściej stosowanym czynnikiem chłodniczym w pompach ciepła typu powietrze/woda jest R404A. Czynnik chłodniczy już w postaci gazowej jest następnie sprężany przez sprężarkę. Znacznemu wzrostowi ciśnienia towarzyszy duży przyrost temperatury i gaz za sprężarką może osiągnąć nawet 90oC. W postaci przegrzanej pary czynnik chłodniczy wpływa do kolejnego wymiennika (skraplacz), w którym następuje wymiana ciepła do obiegu trzeciego – systemu grzewczego (woda grzewcza). W skraplaczu gaz ulega skropleniu i w postaci ciekłej dopływa do zaworu rozprężnego, w którym następuje redukcja ciśnienia, a wraz z nim temperatury. Ochłodzony czynnik chłodniczy po raz kolejny wpływa do parownika, zamykając cykl pracy. Woda grzewcza, która może osiągać temperaturę 65oC, wykorzystywana jest do przygotowania ciepłej wody kotłowej, którą możemy wykorzystać do podgrzania wody użytkowej, ogrzewania budynku, a także w procesach technologicznych urządzeń przemysłowych poprzez instalację grzewczą, np. grzejnikową, płaszczyznową lub mieszaną. Do pracy pompy ciepła potrzebna jest więc wyłącznie energia elektryczna do napędu wentylatora, sprężarki i pompy obiegowej.

Analiza ekonomiczna
Pompy ciepła powietrze-woda jako źródło ciepła wykorzystują powietrze zewnętrzne, w związku z czym wykonywanie dolnego źródła w postaci sond pionowych lub kolektora gruntowego jest zbędne, a produkcja ciepła jest możliwa, nawet gdy jego temperatura spada do -20°C, a niekiedy nawet -25°C. Należy jednak pamiętać, że największym mankamentem tego rozwiązania są sezonowe i pogodowe zmiany temperatury powietrza, przy czym najgorsze warunki są w zimie, kiedy pompa ciepła jest mocno eksploatowana, a jej sprawność spada w miarę obniżania się temperatury powietrza (dla T poniżej -10°C współczynnik COP wynosi ok. 2-3) i konieczne jest zastosowanie dodatkowego źródła ciepła. Czy jest to jednak wystarczający powód, dla którego na starcie trzeba zrezygnować z tego rodzaju urządzenia? Odpowiedzi na to pytanie dostarczy analiza kosztów inwestycyjnych i eksploatacji pompy ciepła na powietrze zewnętrzne (w porównaniu do pompy gruntowej) wykonana w oparciu o program do doboru pomp ciepła NIBE VP DIM. Kalkulację kosztów ogrzewania budynku (bez c.w.u.) wykonałam 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, obliczeniowa temperatura wewnętrzna 20ºC, z instalacją grzewczą o parametrach 35/25), dla powietrznych pomp ciepła typu monoblok i split oraz dla pompy gruntowej.

W kolejnym artykule kontynuować będę temat związany z opłacalnością pomp ciepła.

dr inż. Małgorzata Smuczyńska

Ilustracje z archiwum firmy Nibe-Biawar.

Rys. 1. Schemat instalacji gruntowej pompy ciepła zasilanej kolektorem poziomym.

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