Systemy pracy pomp ciepła. Magazyn w gruncie

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa zobacz pdfa zobacz pdfa   

W takim wymienniku gruntowym i parowniku pompy ciepła cyrkuluje mieszanina wody z glikolem odporna na zamarzanie, zwana solanką.  W parowniku pompy ciepła następuje odbiór ciepła o niskim poziomie temperatury z gruntu. W pompie ciepła, za pomocą obiegu czynnika roboczego w procesie termodynamicznym z udziałem pracy sprężarki, ciepło to podnoszone jest na wyższy poziom temperatury, możliwy do wykorzystania w instalacjach grzewczych. Możemy rozróżnić dwa podstawowe rodzaje wymienników gruntowych: poziomy i pionowy.

Wymiennik gruntowy poziomy
Grunt nagrzewany jest wodami opadowymi i promieniowaniem słonecznym. Można go więc potraktować jako sezonowy zasobnik ciepła. Aby to ciepło przetransportować do pompy ciepła, na głębokości 1,2 do 1,5 m układa się rury z tworzywa sztucznego w odległości 0,8-1,0 m. Pętle kolektora łączy się w studni zbiorczej z rozdzielaczami lub w szafce rozdzielczej zamontowanej w centrali grzewczej. Istnieje też możliwość połączenia pętli do rur zbiorczych w trzyrurowym systemie Tichelmanna. W każdym przypadku rozdzielacze lub rury zbiorcze muszą być umieszczone wyżej od pętli, aby umożliwić jego odpowietrzenie. Wszystkie pętle kolektora powinny mieć w przybliżeniu równą długość, która nie powinna być mniejsza niż 100 m.
Przewodność cieplna gruntu zależna jest od jego wilgotności i składu mineralnego. Suchy i lżejszy grunt przewodzi ciepło gorzej. Lepsze są grunty wilgotne, ciężkie, tzn. takie, w których jest duża zawartość wody. Doúwiadczenia wykazaůy, ýe úrednio w tych przypadkach moýliwy jest ciŕgůy uzysk ciepůa ok. 25 W/m˛.
Ponieważ ciepło gruntu pochodzi głównie z promieniowania słonecznego i wód opadowych, powierzchnia działki, gdzie ułożony jest kolektor, nie może być zabudowana, pokryta asfaltem czy inną utwardzoną nawierzchnią. W wyjątkowych przypadkach, np. ograniczonej wolnej powierzchni  działki, dopuszczalne jest utwardzenie, np. parkingów, nawierzchnią przepuszczającą częściowo wody opadowe, należy jednak założyć mniejszy powierzchniowy uzysk ciepła.
Czynnikiem niekorzystnym, w porównaniu z np. wykorzystaniem jako „dolnego“ źródła ciepła wód gruntowych czy głębinowych, jest niższa temperatura gruntu w sezonie grzewczym i większe wahania jego temperatury w ciągu roku. Zainteresowanych pogłębieniem tej problematyki odsyłam do opracowania Leszka Pająka „Model numeryczny rozwoju strefy przemarzania gruntu w warunkach eksploatacji energii cieplnej“, wydanego przez Polską Akademię Nauk – Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią.
W pompach ciepła solanka-woda mamy do czynienia z podwójną wymianą ciepła: grunt-solanka i solanka-parownik, co prowadzi do niższego współczynnika efektywności pracy pompy ciepła. O wyższym współczynniku możemy mówić przy systemach z bezpośrednim odparowaniem, tj. systemach gdzie parownik jest wymiennikiem gruntowym w którym przekazującym ciepło jest czynnik roboczy pompy ciepła. Nie jest to jednak tematem tego artykułu, gdyż jest to inna konstrukcja pompy i zawiera wiele mankamentów natury technicznej.

Kolektor ziemny a rośliny
Jednym z częstszych pytań dotyczących kolektorów ziemnych jest pytanie o wpływ kolektora na wegetację roślin. Niekorzystny wpływ na wegetację roślinności nad kolektorem ziemnym może mieć miejsce tylko w tym przypadku, gdy gruba warstwa zmarzniętego gruntu nie pozwoli na przepuszczenie wód opadowych. Może to doprowadzić do zabagnienia działki. Dlatego odległości od poszczególnych rur kolektora gruntowego powinny być możliwie jak największe. Poza tym na powierzchni nad kolektorem nie wolno sadzić drzew o głębokich korzeniach. Generalnie można przyjąć, że nad kolektorem powinno się unikać sadzenia warzyw i kwiatów.
Przy izolacji cieplnej budynku zgodnie z obowiązującą obecnie normą należy przyjąć, że przy samodzielnej pracy pompy ciepła powierzchnia kolektora powinna być ok. trzykrotnie większa od powierzchni użytkowej budynku. Stosunek ten może się zmniejszyć w przypadku zastosowania wentylacji mechanicznej z rekuperatorem lub zainstalowania dodatkowych układów odzyskujących ciepło wewnętrzne budynku.

Rodzaje kolektorów
W praktyce znajduje zastosowanie kilka rodzajów poziomych kolektorów ziemnych.
A oto niektóre z nich:

* kolektory poziome jednorzędowe,
* kolektory poziome dwurzędowe,
* kolektory poziome czterorzędowe,
* kolektory spiralne.

Wybór kolektora zależy od warunków terenowych działki, rodzaju gruntu i m

ożliwości przeprowadzenia robót ziemnych związanych z jego ułożeniem, a jego wielkość powinna być ustalona na podstawie badań geologicznych gruntu.
Przy ułożeniu kolektorów poziomych muszą być wykonane uciążliwe roboty ziemne, dlatego w budynkach istniejących nie zaleca się tego systemu, gdyż koszty przywrócenia istniejącej infrastruktury są często bardzo wysokie. Natomiast przy budowie nowych budynków roboty ziemne mogą być skoordynowane z innymi niezbędnymi wykopami, co znacznie obniży koszt ułożenia kolektora.
Przy optymalnej izolacji cieplnej budynku i dostatecznie dużej powierzchni działki pompa ciepła z kolektorem poziomym jest w stanie ogrzać budynek bez doprowadzenia dodatkowej energii cieplnej.

Mirosław KozłowKolektory pionowe
Kolektory pionowe, zwane powszechnie sondami ziemnymi, działają podobnie jak kolektory poziome, lecz różnią się budową i sposobem montażu. Wymiennikiem jest tu, podobnie jak w wymienniku poziomym, pętla z rury PE, ale nie ułożona poziomo, lecz wpuszczona pionowo w odwiert.
Sonda ziemna uzyskuje ciepło powstałe z promieniowania słonecznego, opadów i ciepła wewnętrznego Ziemi. Zalecane są one tam, gdzie ze względu na ograniczoną powierzchnię działki lub konieczność zachowania istniejącej infrastruktury nie ma możliwości zastosowania kolektorów poziomych czy studni głębinowych. Temperatura solanki uzyskiwana z sond jest w przybliżeniu stabilna w ciągu roku (wykres).
Obecnie system ten zdobywa coraz większą popularność w Polsce ze względu na bardziej opanowaną technologię wierceń i montażu sond. Przed przystąpieniem do wiercenia sond należy wykonać specjalistyczny projekt geologiczny i zgłosić go do terenowego Wydziału Ochrony Środowiska. Przed przystąpieniem do odwiertów należy zgłosić go do Górniczego Instytutu Geologicznego.
Sondy ziemne wwiercane są od głębokości 50 do 200 m, przy czym wg obecnych technologii wykonywania odwiertów zaleca się od 80 do 100 m. Sondy ziemne mogą być wykonywane jedynie przez firmy uprawnione do wykonywania wierceń.
Mogą być one wpuszczane w odwierty wykonane nie tylko w luźnym gruncie jak żwir czy piasek, lecz także w skale.
Wykonanie odwiertów jest bardzo trudne w gruntach, w których na większych głębokościach występuje tzw. kurzawka.

Istnieje kilka sposobów wykonania sond ziemnych, jednak najpopularniejszymi są sondy wykonane z dwóch rur PE40 o średnicy 40 mm lub czterech rur PE32. Obecna technologia polega na wykonywaniu odwiertu metodą płuczkową z udziałem wody i bentonitu o dobrym współczynniku przewodzenia ciepła i zapuszczeniu sondy w odwiercie. Sonda poprzez warstwę bentonitu ma bezpośredni kontakt z gruntem. System ten stanowi zamknięty obieg. Istnieje szereg nieporozumień w interpretacji odwiertów dla sond ziemnych. Często ze względu na konieczność wykonania odwiertów sondy ziemne traktowane są jak studnie głębinowe i urzędy wymagają pozwolenia wodno-prawnego. Zasadnicza różnica sond ziemnych od studni głębinowych polega na braku bezpośredniego kontaktu czynnika w sondach z gruntem, a jedyne podobieństwo polega na tym, że w obu przypadkach występuje konieczność wykonywania odwiertów.
Wydajność cieplna kolektora waha się znacznie i w zależności od rodzaju gruntu wynosi od 30 do 70 W/m. Zależy ona od wilgotności i składu mineralnego gruntu. W gruntach z wodą gruntową wydajność takiej sondy można przyjąć jako 70 W/mb. W gruntach suchych w następstwie dyfuzji pary wodnej  tworzy się wokół sondy walcowy prąd wodny transportujący ciepło z otoczenia sondy na powierzchnię. W tym przypadku można określić wydajność sondy jako 50 W/mb. Dla typowych domów jednorodzinnych można przyjąć, że łączna głębokość sond powinna być w przybliżeniu równa powierzchni ogrzewalnej budynku.
Należy jednak pamiętać, że źródłem ciepła przekazywanego do obiegu solanki w sondach nie są same sondy, lecz grunt w otoczeniu sond. Aby zapewnić dostateczną regenerację cieplną gruntu, sondy nie mogą być umieszczone zbyt blisko siebie. Długoletnie doświadczenia z krajów, w których technologia wymiennika gruntowego stosowana jest już od ponad 40 lat, wskazują, że minimalne wzajemne odległości sond o głębokości do 50 m powinny wynosić 5 m, a dla sond głębszych odległość ta powinna być równa ok. 10% głębokości sond. Przy mniejszych odległościach może zachodzić niebezpieczeństwo stopniowego obniżania się temperatury gruntu aż do zlodowacenia. Prowadzi to do stopniowego obniżania się efektywności pracy pompy ciepła aż do całkowitej nieopłacalności jej eksploatacji. Zjawisko to trwa latami, a więc trudne jest do stwierdzenia w pierwszym okresie eksploatacji.
Często warunek ten jest trudny do spełnienia ze względu na małą powierzchnię działki, dlatego coraz częstszym przypadkiem przy ciasnej zabudowie dla nowo projektowanych budynków jest umieszczanie sond ziemnych pod budynkiem. Projekt sond ziemnych pod budynkiem wymaga ścisłej współpracy z architektem i geologiem.
W przypadku sukcesywnego wychładzania sond po kilku latach eksploatacji nie ma możliwości powiększenia wymiennika i koszty inwestycji w sondy ziemne można spisać na straty.
Do określania łącznej głębokości sond należy podchodzić bardzo ostrożnie, szczególnie dla obiektów o dużym całorocznym zapotrzebowaniu ciepła jak baseny halowe i obiekty o dużym zapotrzebowaniu ciepłej wody użytkowej. Nie należy jednak przewymiarowywać łącznej głębokości sond, gdyż optymalny dobór sond pozwoli na osiągniecie znacznych oszczędności inwestycyjnych. Koszty sond ziemnych stanowią ok. 50% całkowitych kosztów systemu grzewczego.
Częsty błędem jest przyjmowanie wydajności cieplnej kolektora do mocy grzewczej pompy ciepła. Do jego doboru należy przyjmować zapotrzebowanie mocy grzewczej budynku. Ma to szczególne znaczenie przy zakładaniu pracy biwalentnej systemu grzewczego.

Pompa ciepła
Zastosowanie pompy ciepła z wymiennikiem gruntowym ma najczęściej zastosowanie dla obiektów nowo projektowanych przy założeniu parametrów instalacji wewnętrznej przystosowanych do możliwości pompy ciepła.
Pompa ciepła jest w stanie zapewnić 100% zapotrzebowania budynku. Przy doborze pompy ciepła solanka/woda należy uwzględnić zapotrzebowanie ciepła na przygotowanie ciepłej wody nawet w przypadku zakładania priorytetu jej grzania ze względu na minimalne ustawienie czasu postoju sprężarki.
W przypadku dużego udziału zapotrzebowania ciepła na przygotowanie ciepłej wody należy zastosować większy zasobnik buforowy wody grzewczej.

Efekty ekonomiczne
Ze względu na mniejszą amplitudę wahań temperatury gruntu od temperatury zewnętrznej średni całoroczny współczynnik efektywności pompy ciepła solanka-woda jest korzystniejszy od powietrznej pompy ciepła. Koszty eksploatacyjne w normalnych przypadkach są więc niższe. Relacja ta może się jednak zmienić w przypadku bardzo dużego zużycia ciepłej wody użytkowej, szczególnie w lecie.
Koszty inwestycyjne są znacznie większe od powietrznej pompy ciepła. Rzutują na nie zwłaszcza drogie kolektory ziemne wraz z niezbędnymi pracami ziemnymi. Szczególnie wysokie koszty inwestycyjne występują przy zastosowaniu oferowanych na rynku kolektorów pionowych. Spowodowane jest to częściowo szybkim wzrostem ceny oleju opałowego potrzebnego do napędu maszyn do robót wiertniczych i ziemnych.
W przypadku ich obniżenia ogólne koszty inwestycyjne tego systemu mogłyby być porównywalne z innymi systemami.
Mirosław Kozłow

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