Systemy pracy pomp ciepła. Wydajne studnie

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa zobacz pdfa        

Ze względu na stabilną temperaturę w ciągu całego roku pompa ciepła woda-woda ma najbardziej stabilny i najwyższy współczynnik efektowności z wszystkich systemów pracy i może pokryć całkowite zapotrzebowanie ciepła budynku na potrzeby grzewcze i ciepłej wody użytkowej. Przy zastosowaniu studni o odpowiedniej wydajności nie ma niebezpieczeństwa wymrożenia się dolnego źródła jak to, przy niewłaściwym doborze i usytuowaniu sond ziemnych, ma miejsce z wymiennikiem gruntowym pionowym.
Dolnym źródłem ciepła są tu najczęściej dwie studnie wody gruntowej, przy czym jedna studnia jako studnia czerpalna, druga jako studnia zrzutowa. Zalecane, wręcz nieodzowne, jest oddzielenie obiegu studni od obiegu przez parownik pompy ciepła. Wymiennik ten wyeliminuje też możliwość przedostania się czynnika chłodniczego do studni zrzutowej w przypadku nieszczelności w jego obiegu. Czynniki chłodnicze w nowoczesnych pompach ciepła zaliczane są do ekologicznych, powinno się jednak wyeliminować możliwość przedostania się ich do gruntu. Wymagania dotyczące jakości wody przepływającej przez parownik są bardzo rzadko osiągalne w wodzie gruntowej.
Woda ze studni czerpalnej doprowadzona jest do wymiennika pośredniego i po odbiorze ciepła (schłodzeniu) odprowadzana jest do studni zrzutowej. Połączenie studni z wymiennikiem wykonuje się rurami PE ułożonymi w ziemi poniżej głębokości zamarzania.
Do parownika doprowadzona jest woda z wymiennika w obiegu zamkniętym. Aby ten system był w praktyce najbardziej efektywny, należy zwrócić szczególną uwagę na dobór pompy głębinowej i odprowadzenie do studni zrzutowej, gdyż może to spowodować duży pobór energii elektrycznej przez pompę głębinową, pogarszając tym samym ogólny współczynnik COP całego systemu. Należy też zwrócić uwagę na to, że w obiegu studnie/wymiennik mamy do czynienia z systemem otwartym.
Nie jest dopuszczalny, a takie przypadki istnieją, zrzut wody do zbiorników otwartych lub na powierzchnię gruntu, gdyż oprócz niebezpieczeństwa jej zamarzania rośnie pobór prądu przez pompę głębinową i wytrącają się znaczne ilości żelaza, które zanieczyszczają wymiennik i przewody łączące studnie z wymiennikiem. Powoduje to zwiększone straty ciśnienia, które wpływają na zmniejszenie przepływu, co w efekcie prowadzi do zakłóceń w pracy pompy ciepła.
Ze względu na występujące często trudności z odbiorem wody przez studnię zrzutową zaleca się wykonanie dwóch studni zrzutowych, które przemiennie można wykorzystywać jako studnie czerpalne. Zalecana odległość wzajemna studni wynosi 20 m. Zaleca się również montowanie dwóch pomp głębinowych w obu studniach pracujących okresowo na przemian. Jest to szczególnie korzystne w samooczyszczaniu się studni i stanowi dodatkowe zabezpieczenie w przypadku konieczności rewizji studni czy pompy głębinowej.
Pompę głębinową należy zamontować na głębokości ok. 10 m od dynamicznego lustra wody, a rurę zrzutową wprowadzić około 15 m pod lustro wody. Należy też zwrócić uwagę na fakt, że wiercenie studni wymaga pozwolenia wodno-prawnego. Dla budynku o zapotrzebowaniu mocy grzewczej 15 kW (ok. 250 m2 powierzchni ogrzewalnej) należy odwiercić studnie o wydajności ok. 3,0 m³/h przy obniżeniu temperatury wody w parowniku pompy ciepła o ok. 4ºC.
Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że w normalnych warunkach do wydajności ok. 5 m3/h wystarczą studnie o głębokości 30 m i średnicy 200 mm. Wiercenie studni, bez uprzedniego kosztownego odwiertu próbnego, wiąże się zawsze z finansowym ryzykiem. W przypadku natrafienia na skałę lub przy niewystarczającej wydajności studni przy założonych głębokościach może zajść konieczność zmiany jej lokalizacji lub zwiększenia jej głębokości. Dlatego zaleca się instalatorom wykluczenie z umowy wiercenia studni, pozostawiając tę część inwestycji bezpośrednio inwestorowi. Należy mu jednak udzielić daleko idącej pomocy fachowej, organizacyjnej i koordynacyjnej. W przypadku podpisania umowy ryczałtowej na kompleksowe wykonawstwo łącznie ze studniami można się narazić na znaczne straty z powodu zwiększenia kosztów.
Dodatkową zaletą systemu ze studniami jest fakt, że wodę ze studni, przy odpowiednim połączeniu hydraulicznym i systemem regulacji, można wykorzystać w lecie do klimatyzacji pomieszczeń, zastępując tak drogie inwestycyjnie i w eksploatacji klimatyzatory. Można ją też wykorzystać do celów gospodarczych.
Studnie charakteryzują się większą wydajnością czerpania z nich wody niż jej wchłaniania. Może zatem dojść w niektórych sytuacjach pogodowych do przelewania się wody w studni zrzutowej. Dlatego studnie powinny być wyposażone w możliwie szczelną głowicę.
Jedną z możliwości zastąpienia studni głębinowych jest pobór wody z wodociągu. Bardzo trudno jest uzyskać takie zezwolenie, ale znane są przypadki jego udzielenia. Będzie to tematem jednego z następnych artykułów.

Centrala grzewcza

Pompę ciepła należy zainstalować wewnątrz budynku. Z wymiennika w obiegu zamkniętym woda pompowana jest do parownika pompy ciepła. Zastosowanie wymiennika płytowego obniża temperaturę parowania w parowniku o ok. 2ºC, tj. około 6%, zmniejsza współczynnik efektywności pracy pompy, a więc zwiększa zapotrzebowanie energii elektrycznej. Powoduje to jednak zwiększenie niezawodności pracy systemu grzewczego i przedłużenie okresu żywotności pompy ciepła.
Inną sprawą jest zabezpieczenie obiegu wody przed zamarzaniem. Przyjmowaną minimalną temperaturą wody głębinowej jest 8ºC. Zakładając spadek temperatury w wymienniku 2 K, wchodzimy do parownika pompy ciepła z temperaturą ok. 6ºC. Zakładany spadek ok. 4ºC w parowniku powoduje, że z parownika wychodzimy z wodą o temperaturze 2ºC. Przeciwzamrożeniowe zabezpieczenie pompy ciepła standardowo ustawione jest na +4ºC, a więc możemy się znaleźć poniżej tej temperatury.
Dlatego coraz częściej w systemach ze studniami za wymiennikiem stosuje się pompy ciepła solanka/woda. Obniża to wydajność grzewczą systemu i pogarsza współczynnik COP.
Pomimo obniżenia współczynnika efektywności pracy pompy ciepła, z powodu zastosowania wymiennika płytowego przed parownikiem i przyjęciem pompy ciepła solanka/woda, system ten jest w dalszym ciągu najefektywniejszym systemem spośród systemów grzewczych zasilających instalację centralnego ogrzewania. Powodem tego jest uzyskiwana wyższa temperatura solanki o ok. 6ºC na wejściu do pompy ciepła w porównaniu do systemów gruntowych.
W obiegu grzewczym (obieg skraplacza) zaleca się zamontowanie buforowego zbiornika wody grzewczej.
Jest on wręcz niezbędny przy grzejnikowej instalacji centralnego ogrzewania o małym zładzie wodnym i małej bezwładności cieplnej instalacji c.o.
W przypadku ogrzewania podłogowego można zrezygnować ze zbiornika buforowego, jednak jego zastosowanie jest zawsze korzystne dla pracy pompy ciepła, gdyż zmniejsza to ilość włączeń i wyłączeń pompy, straty postojowe i przedłuża żywotność  pracy sprężarki. Zmniejsza też nieznacznie zużycie energii elektrycznej, gdyż każde uruchomienie sprężarki wymaga przedbiegu pompy obiegowej parownika, potem pompy obiegowej skraplacza i włączenia silnika sprężarki z prądem rozruchowym. Częste włączanie się sprężarki skraca jej żywotność. W małych pompach ciepła prawie wyłącznie stosowane są sprężarki hermetyczne, co oznacza, że jej zużycie powoduje konieczność wymiany całej sprężarki, stanowiącej około 1/3 ceny pompy ciepła.
Przy doborze średnic rur w instalacji c.o. należy zwrócić uwagę na to, że spadek temperatury wody grzewczej jest najczęściej prawie dwukrotnie mniejszy od spadku temperatury zakładanego przy kotłowniach olejowych czy gazowych.
Powoduje to zwiększone prędkości wody w instalacji i zwiększone opory przepływu, a nawet słyszalne szumy. A więc instalacja c.o. powinna mieć rury o większej średnicy.

System automatycznej regulacji
System automatycznej regulacji pracy pompy jest systemem analogicznym do systemu regulacji kotłowni olejowej lub gazowej. Regulacja pogodowa włącza lub wyłącza pompę w zależności od temperatury zewnętrznej lub wewnętrznej pomieszczenia albo temperatury ciepłej wody użytkowej.
W przypadku zastosowania wymiennika płytowego, dwóch pomp głębinowych czy wykorzystania wody do celów gospodarczych automatyczna regulacja i sterowanie muszą być indywidualnie dopasowane do całego systemu. W tych przypadkach zaleca się stosowanie układów i elementów regulacji tego samego producenta co system regulacji pogodowej pompy ciepła. Podkreśla się, że optymalny system regulacji powoduje dalsze oszczędności eksploatacyjne całego systemu z pompą ciepła. W doborze elementów regulacji należy się więc kierować jakością, renomą i marką producenta, a nie cenami, które zresztą nie są tak bardzo zróżnicowane.

Rachunek ekonomiczny
Centrala cieplna z pompą ciepła i studniami jako dolnym źródłem ciepła jest systemem o najniższych kosztach eksploatacyjnych. W przypadkach korzystnych warunków geologicznych jest także systemem o niskich kosztach inwestycyjnych. Jednak gdy warunki te odbiegają od nich i mamy do czynienia ze złą jakością wody, trudnymi warunkami wiertniczymi czy wodnymi, koszty te mogą znacznie przewyższyć koszty innych systemów.
Przy wyznaczaniu współczynnika efektywności pracy pompy ciepła należy koniecznie uwzględnić zapotrzebowanie mocy elektrycznej do napędu pompy głębinowej. Współczynnik ten może się zmieniać w zależności od głębokości studni, jej odległości od centrali cieplnej, a także jakości wody. Dlatego podjęcie decyzji o zainstalowaniu systemu grzewczego z pompą ciepła i studniami powinno być poprzedzone głęboką analizą z możliwie jak najściślejszymi ustaleniami warunków zagospodarowania terenu, warunków geologicznych i wodnych oraz jakości wody ze studni.
W przeciwnym razie możemy przeżyć niespodzianki w postaci nieosiągnięcia wymaganej mocy grzewczej, spodziewanych efektów ekonomicznych czy zakłóceń w pracy systemu z powodu złej jakości wody.
Mirosław Kozłow

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