ABC pomp ciepła. Grzanie z gruntu

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf  pdf

W kolektorze poziomym i sondzie pionowej medium robocze, które krąży w podziemnych rurach, jest najczęściej w postaci wodnego roztworu glikolu propylenowego o temperaturze zamarzania ok. minus 15oC, natomiast w pompie pobierającej ciepło z wody gruntowej medium jest sama woda czerpana ze studni. Woda ta  z zasady przepływa przez wymiennik pompy ciepła, w którym oddaje część swojego ciepła, a następnie jest zwracana z powrotem do ziemi poprzez drugą studnię. Z tej, na pozór, prostej zasady czerpania ciepła z wody gruntowej wynika, oprócz zalet, kilka ważnych uwarunkowań koniecznych do spełnienia w praktyce.

Zainteresowanie wykorzystaniem wody gruntowej dla pomp ciepła pochodzi stąd, że jest to potencjalnie bardzo wydajne i stabilne termicznie źródło ciepła. Woda podziemna, na głębokości poniżej 6 m, ma wysoką temperaturę, jak na potrzeby pompy ciepła, rzędu 7-12oC. Do obliczeń wydajności cieplnej tego rodzaju dolnego źródła zwykle przyjmuje się średnią temperaturę na poziomie 10oC. Jest to o 10oC więcej niż dla kolektora poziomego i o 5oC Rys. Przekroje wymienników stosowanych jako parowniki w pompach ciepła: 1) wymiennik płytowy, 2) wymiennik koaksjalny.więcej niż dla sondy pionowej.

Drugą, ważną cechą wodnego źródła ciepła jest praktycznie jego stała temperatura w ciągu całego roku, dzięki czemu pompa ciepła może osiągać bardzo wysoki współczynnik efektywności energetycznej. W praktyce to może oznaczać niskie koszty eksploatacji pompy ciepła, czyli tanie ogrzewanie budynku i tanie podgrzewanie wody użytkowej. Na końcowy rezultat eksploatacyjnej efektywności pompy ciepła ze źródłem w postaci wody gruntowej ma wpływ jednak więcej istotnych składników.

Konieczne jest wykonanie dwóch studni. Z jednej woda jest czerpana do pompy ciepła, do drugiej następuje zrzut wody z pompy ciepła. Wykonanie studni, zarówno czerpalnej, jak i chłonnej wymaga odpowiednich wstępnych i wynikowych prac geologicznych oraz wykonania projektu i dopełnienia wszystkich związanych z nim formalności prawnych.

Dalsze koszty związane są z wykonaniem obu studni w terenie. Ich usytuowanie powinno być zgodne z kierunkiem przepływu wód podziemnych; studnia czerpalna wyżej, studnia chłonna niżej, tak by woda oddana do studni chłonnej nie wracała z powrotem do studni czerpalnej. Obie studnie muszą sięgać tej samej warstwy wodonośnej i powinny znajdować się w odległości minimum 15 m od siebie. Prawidłowe wykonanie tych robót wymaga dobrego projektu, dobrej firmy studniarskiej i stałego nadzoru hydrogeologa. Dopiero po wykonaniu studni można i należy ocenić praktycznie jej cechy eksploatacyjne, w tym szczególnie: poziom zwierciadła, wydatek i czystość wody. W tabeli podano przykładowe, niezbędne wydatki wody dolnego źródła dla pomp ciepła w zależności od ich mocy nominalnej.

Od głębokości lustra wody zależeć będzie rodzaj niezbędnej pompy do tłoczenia wody do parownika pompy ciepła. Przy stabilnym lustrze wody do głębokości ok. 8 m możliwe jest użycie poziomej, samozasysającej pompy z zaworem stopowym, podobnej do stosowanych w zestawach hydroforowych. Taka pompa może znajdować się w pomieszczeniu pompy ciepła. Przy niższych poziomach wody gruntowej konieczne będzie zastosowanie pompy głębinowej o odpowiedniej wysokości podnoszenia i odpowiednim wydatku, zanurzonej w studni. Zastosowanie pompy głębinowej w przeciwieństwie do pompy poziomej ma tę zaletę, że unika się źródła hałasu i drgań w budynku.

Ogromne znaczenie dla efektywności działania pompy ciepła ma skład chemiczny wody, a zwłaszcza zawartość żelaza, manganu i innych związków chemicznych. Żelazo zawarte w wodzie gruntowej bardzo łatwo utlenia się i tworzy zawiesiny tlenków żelaza. Na skutek tego następuje zanieczyszczenie parownika pompy ciepła, którym najczęściej jest wymiennik płytowy, i znaczne obniżenie jej wydajności i sprawności energetycznej. Oczyszczenie parownika pompy ciepła wymagałoby rozmontowania całego agregatu pompy, co byłoby związane z ogromnym nakładem pracy i wysokimi kosztami. Temu szkodliwemu zjawisku można przeciwdziałać na kilka sposobów.

W pierwszej kolejności należy zadbać o szczelność instalacji dostarczającej wodę gruntową do parownika. Chodzi tu o szczelność gazową, tak by tlen nie miał dostępu do wody i nie utleniał zawartego w niej żelaza. Ta szczelność powinna być również zachowana w instalacji powrotnej do studni chłonnej. Woda zwrócona powinna zachować niezmieniony skład chemiczny ze względu na wymogi czystości środowiska naturalnego.

Niezależnie od szczelności instalacji stosuje się dodatkowy wymiennik ciepła dla wody dolnego źródła. Jest to zwykle rozbieralny wymiennik płytowy, możliwy do okresowego czyszczenia wewnątrz. Woda gruntowa oddaje ciepło w dodatkowym wymienniku do czystego medium, które transportuje dalej ciepło do parownika. Takie rozwiązanie konstrukcyjne chroni parownik przed zanieczyszczeniem, ale w pewnym stopniu obniża sprawność pompy ciepła ze względu na straty ciepła na dodatkowym wymienniku.

Niektórzy producenci oferują pompy ciepła z parownikami w specjalnym wykonaniu, z wymiennikiem koaksjalnym zamiast płytowego. Cechą charakterystyczną tych wymienników ciepła jest większy i regularny przekrój przepływu czynnika roboczego, dzięki któremu wszelkie zanieczyszczenia zawarte w wodzie nie zatrzymują się, lecz mogą swobodnie przepływać przez wymiennik. Wymienniki koaksjalne charakteryzują się również wysoką sprawnością wymiany ciepła i odpornością na korozję.

Ważną rolę odgrywa studnia chłonna. Jej zadaniem jest odebrać i wchłonąć skutecznie całą ilość wody z pompy ciepła. Nie zawsze jest to możliwe ze względów hydrogeologicznych lub na skutek zamulenia studni chłonnej po pewnym okresie jej eksploatacji. W takim wypadku może się okazać, że pewnego dnia wokół domu utworzyło się jezioro. Eksploatacja pompy ciepła z dolnym źródłem w postaci wody gruntowej wymaga od użytkownika stałego nadzoru, zarówno studni odbiorczej, jak i chłonnej. Tylko w ten sposób można odpowiednio szybko zaobserwować niekorzystne zmiany dolnego źródła ciepła i w porę właściwie zareagować, chroniąc się przed przykrymi skutkami nieprawidłowego działania całej instalacji pompy ciepła.

W naszym rozwijającym się dynamicznie kraju należy liczyć się również z jeszcze innym niebezpieczeństwem, jakie może zagrozić pompie ciepła z dolnym źródłem w postaci wody gruntowej. Jeśli w odległości kilkudziesięciu lub nawet kilkuset metrów od studni powstanie inwestycja budowlana, która będzie wymagać głębokich wykopów, w efekcie może nastąpić obniżenie poziomu wód gruntowych na tyle nisko, że wyschną wszystkie studnie w okolicy. W takiej sytuacji rekompensaty za poniesione szkody, otrzymywane zwykle po długotrwałym procesie odszkodowawczym, nie pokrywają wszystkich wydatków związanych z przywróceniem funkcjonowania podziemnych instalacji.

dr inż. Jan Siedlaczek

Rys. Przekroje wymienników stosowanych jako parowniki w pompach ciepła: 1) wymiennik płytowy, 2) wymiennik koaksjalny.

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