Jednym z powszechniejszych systemów grzewczych z pompami ciepła jest system wykorzystania wymiennika gruntowego czy studni wody gruntowej jako dolnego źródła ciepła.

Przy projektowaniu systemu grzewczego, gdzie występuje pompa ciepła należy jednak uwzględnić możliwość wykorzystania pompy ciepła do wytwarzania wody lodowej na potrzeby klimatyzacji.

Pompa ciepła – chłodzenie pasywne

Najkorzystniejsze pod względem kosztów eksploatacyjnych jest wykorzystanie systemu przewidzianego dla celów grzewczych do klimatyzacji w systemie  tzw. chłodzenia pasywnego. Zasadę działania pokazano na rys. 1.

Rysunek przedstawia chłodzenie sondami ziemnymi w połączeniu z ogrzewaniem podłogowym. Podobnym źródłem chłodu może być wymiennik gruntowy poziomy lub studnie głębinowe, a odbiornikiem chłodu ogrzewanie ścienne, klimakonwektory, belki grzewczo-chłodnicze lub chłodnica centrali wentylacyjnej. Warunkiem jest dobór odbiorników „chłodu” na parametry osiągalne z wymiennika bez udziału pracy sprężarki. Chłodzenie pasywne omówiono na przykładzie coraz powszechniejszego systemu z pionowym wymiennikiem gruntowym (sondy ziemne).

Pompa ciepła – wydajność sond

Wydajność cieplna (chłodnicza) sond ziemnych zależna jest od wielu parametrów, a w szczególności:

  • głębokości sondy,
  • rodzaju gruntu,
  • wilgotności gruntu,
  • wzajemnej odległości sond,
  • materiału wężownicy sondy,
  • prędkości przepływu medium w wężownicy,
  • rodzaju medium,
  • rodzaju materiału wypełnienia odwiertu sondy,
  • temperatury medium płynącego przez wężownicę sondy.

Ze względu na trudności z dokładnym ustaleniem rodzaju gruntu i jego wilgotności oraz wpływu odległości wzajemnej sond na wychładzanie, względnie ogrzanie gruntu, dobór sond ziemnych jest teoretycznie trudny do obliczeń. Sondy ziemne we współpracy z pompami ciepła znajdują coraz powszechniejsze zastosowanie. Dlatego istnieją przybliżone doświadczalne kryteria ich doboru, przy założeniu odpowiedniego współczynnika bezpieczeństwa uwzględniającego ewentualne zmiany warunków gruntowych.

Natomiast doświadczenia w zakresie wykorzystania sond ziemnych do celów klimatyzacji są znikome, niepoparte długoletnimi obserwacjami. Na podstawie doświadczenia w zakresie ogrzewania, klimatyzacji i znajomości wymiany ciepła można zalecić jednak pewne kryteria ich zastosowania i doboru:

  • temperatura wody chłodniczej nie niższa niż +12°C przy zastosowaniu wody jako czynnika chłodzącego płynącego przez sondy i +14°C przy zastosowaniu mieszaniny wody z glikolem,
  • zastosowanie mieszaniny zmniejsza o ok. 15% wydajność układu chłodniczego,
  • wydajność sondy z rurami PE dla układu chłodniczego – ok. 30 do 40 W/m w zależności od wilgotności, rodzaju gruntu i głębokości sondy.

Pompa ciepła – studnie głębinowe

Temperatura wody w studni o głębokości 20 m jest w ciągu roku stabilna i wynosi w naszej strefie klimatycznej od 8 do 10°C. Dobór odpowiedniej wydajności studni do zapotrzebowania mocy chłodniczej układu klimatyzacji jest bardzo prosty i pewny. Systemy chłodnicze z wykorzystaniem studni są znane i powszechnie stosowane w krajach Europy Zachodniej.

Do wykorzystania studni do celów grzewczych czy chłodniczych należy odwiercić dwie studnie: czerpalną i zrzutową. Rozwiązanie techniczne jej wykorzystania zależy jednak od składu chemicznego wody. W przypadku wody o składzie stwarzającym niebezpieczeństwo korozji układu chłodniczego należy go oddzielić wymiennikiem i uwzględnić zwiększenie kosztów eksploatacyjnych na jego konserwację. Przed podjęciem decyzji należy uwzględnić zmieniające się ciągle przepisy dotyczące poboru i zrzutu wody gruntowej i głębinowej oraz pozwoleń wodnoprawnych.

Pompa ciepła – chłodzenie aktywne

W przypadku konieczności wytwarzania wody lodowej o temperaturze niższej niż 12ºC istnieje możliwość rozszerzenia systemu o tzw. chłodzenie aktywne. Tryb chłodzenia aktywnego jest to wytwarzanie wody lodowej przy wykorzystaniu pompy ciepła jako agregatu wody lodowej. Tryb ten poprzedzony jest chłodzeniem pasywnym i włączany  jest  przypadku niewystarczającej temperatury wody lodowej w trybie chłodzenia pasywnego.

Obieg parownika pompy ciepła od strony wymiennika gruntowego zostaje wyłączony i włączony w obieg zasobnika buforowego wody lodowej. Odbiór ciepła następuje przez bufor wody grzewczej lub przygotowanie ciepłej wody. Można więc powiedzieć, że „dolnym źródłem” jest bufor wody lodowej. Przygotowanie ciepłej wody lub inna forma odbioru ciepła w lecie jest w tym przypadku odbiornikiem ciepła z procesu wytwarzania wody lodowej, a więc jej przygotowanie w tym trybie pracy jest ciepłem odpadowym.

W przypadku braku odbioru ciepła jest ono przekazywane poprzez wymiennik płytowy do wymiennika gruntowego. Istnieje też możliwość równoczesnego grzania grup grzewczych, ale w przypadku zapotrzebowania na wodę lodową o niskich parametrach nie występuje zapotrzebowanie na cele grzewcze budynku. Uzyskuje się tu też efekt ogrzewania wymiennika gruntowego, co powoduje szybszy proces regeneracji cieplnej gruntu oziębionego podczas eksploatacji na cele grzewcze. Rozwiązanie takie jest bardzo korzystne pod względem kosztów wytwarzania energii cieplnej przy dużym zapotrzebowaniu ciepłej wody użytkowej lub np. podgrzewania wody basenowej.

Pompa ciepła i bilans mocy grzewczej

Podstawowym kryterium przy projektowaniu central grzewczych powinny być koszty eksploatacyjne. Obowiązujące obecnie normy, jeszcze z lat 80-tych, dotyczące temperatur wewnętrznych pomieszczeń i krotności wymian świeżego powietrza w pomieszczeniach nie uwzględniają kosztów wytwarzania energii cieplnej. Przy nowoczesnej izolacji budynków pokrycie strat cieplnych przez przegrody stanowi jedynie ok. 50% zapotrzebowania ciepła. Pozostałe 50% to zapotrzebowanie na podgrzewanie świeżego powietrza dla wentylacji.

Dlatego należy dążyć do jak najlepszej izolacji cieplnej budynku i wentylowania jedynie pomieszczeń przeznaczonych dla stałego pobytu ludzi w ilości higienicznej, pozostałych pomieszczeń z 0,5-krotną wymianą konieczną dla przegród budowlanych. W większości pomieszczeń 0,5-krotna wymiana zapewnia też higieniczną ilość świeżego powietrza. Wychodząc z powyższych założeń, wręcz zalecanym elementem wyposażenia budynku powinna być wymuszona wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła z powietrza usuwanego na zewnątrz w tzw. rekuperatorach, których sprawność w nowoczesnych wykonaniach central wentylacyjnych  dochodzi do 90%.

Pompa ciepła – i PC

Najczęstszym obecnie sposobem obliczania zapotrzebowania mocy grzewczej budynku są programy komputerowe. Wyniki tych obliczeń nie powinny być jednak przyjmowane bezkrytycznie, a jedynie powinny stanowić wskazówkę do poprawnego i oszczędnego projektowania instalacji. W większości przypadków programy te zakładają jednokrotną wymianę powietrza, co podwyższa o ok. 30% całkowite zapotrzebowanie cieplne budynku.

Przy takim podejściu do obliczeń zapotrzebowania ciepła, szczególnie w przypadkach projektowania budynków nietypowych, nieodzowna jest ścisła współpraca architekta z instalatorem, gdyż czasem niewielkie pogrubienie izolacji cieplnej przegród budowlanych może spowodować znaczne oszczędności kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych systemu grzewczego. Prawidłowe obliczenie strat cieplnych budynku może wykonać jedynie instalator o dużej wiedzy technicznej w ścisłej współpracy z architektem.

Nie bez znaczenia powinien być też fakt, że w większości przypadków wytwarzanie energii grzewczej, nawet w najbardziej ekologicznych systemach grzewczych, wiąże się w warunkach polskich z emisją do atmosfery szkodliwych produktów spalania.

Pompa ciepła a bilans mocy chłodniczej

Zapotrzebowanie mocy chłodniczej do klimatyzacji pomieszczeń jest bardzo zróżnicowane w zależności od rodzaju użytkowania budynku, jego architektury, wymagań komfortu cieplnego użytkowników oraz strefy klimatycznej. Dlatego dobór wydajności chłodniczej wymiennika gruntowego należy dokonać po sporządzeniu bilansu chłodniczego budynku, z uwzględnieniem współczynnika jednoczesności pracy urządzeń klimatyzacyjnych. Często przy określaniu zapotrzebowania „chłodu” podaje się sumę wydajności chłodniczej elementów chłodniczych jak klimakonwektory czy belki chłodnicze i chłodnice central wentylacyjnych. Nie ma nic bardziej błędnego, gdyż elementy te nigdy nie będą pracowały jednocześnie.

Najczęstszym błędem jest również uwzględnienie zysków ciepła od oświetlenia, które włączane jest w normalnych warunkach, gdy nie ma zysków ciepła od nasłonecznienia, a temperatury powietrza zewnętrznego są niższe. W naszych warunkach klimatycznych po godz. 21 rzadko przekraczają 20°C. Ma to szczególne znaczenie w pomieszczeniach o dużym przeszkleniu, a więc w pomieszczeniach o małej zdolności magazynowania ciepła.

Duże znaczenie dla bilansu chłodniczego ma zastosowanie wentylacji z rekuperatorem, gdzie usuwane chłodniejsze powietrze z pomieszczeń schładza wstępnie powietrze czerpane z zewnątrz. Zmniejszenie zapotrzebowania mocy chłodniczej ocenia się w tym przypadku na około 20%. W budynkach o dużym przeszkleniu należy stosować szyby izolowane z żaluzjami zewnętrznymi.

Nie bez znaczenia jest też cieplne obciążenie wewnętrzne od powszechnie stosowanych w biurach urządzeń komputerowych. Należy uwzględnić postęp w technologii coraz bardziej energooszczędnego oświetlenia i zmniejszone wydzielanie ciepła przez coraz bardziej energooszczędne urządzenia komputerowe i telewizyjne. Urządzenia te są coraz sprawniejsze, a pobór mocy coraz mniejszy. W ogólnym bilansie należy też uwzględnić akumulację chłodu w elementach budowlanych. Im budynek masywniejszy, tym wyższa akumulacja. Przykładem są masywne budynki zabytkowe, w których, nawet w okresach wysokich temperatur zewnętrznych, zbędna jest dodatkowa klimatyzacja.

Biorąc pod uwagę powyższe poprawki, można przyjąć dla typowych pomieszczeń biurowych współczynnik obciążenia chłodniczego 15 W/m3. Oznacza to, że jest on niższy od współczynnika zapotrzebowania ciepła w zimie o ok. 25%. Wykorzystanie zatem sond ziemnych współpracujących z pompami ciepła na cele grzewcze jest możliwe dla klimatyzacji.

Agregat chłodniczy i pompa ciepła

Warunkiem uzyskania energii chłodniczej przez agregat chłodniczy jest możliwość oddania ciepła wytworzonego w tym procesie (np. lodówka). W najczęściej stosowanych agregatach chłodniczych woda/powietrze ciepło to wydalane jest do otoczenia. W naturze jest najczęściej tak, że gdy potrzebne jest ciepło, nie potrzebujemy chłodu i odwrotnie. A więc przy wytwarzaniu chłodu konieczna jest dodatkowa energia. Współczynnik efektywności takich maszyn nie przekracza 3, co znaczy, że w powszechnie stosowanych agregatach chłodniczych dla uzyskania 60 kW mocy chłodniczej potrzebujemy 20 kW mocy elektrycznej do napędu sprężarki.

Przy zastosowaniu bezpośredniego systemu chłodniczego z sond ziemnych lub studni (chłodzenie pasywne) dla uzyskania 60 kW mocy chłodniczej potrzebujemy max. 2 kW mocy elektrycznej do napędu pomp obiegowych. Współczynnik efektywności wynosi więc ok. 30.

Pompa ciepła – koszty inwestycyjne

Decydującym czynnikiem w kosztach inwestycyjnych jest realny bilans „chłodu”. Oprócz obliczeń teoretycznych powinien on uwzględnić wymagania inwestora i informację na temat sposobu użytkowania budynku. Dopuszczenie wyższych temperatur od obliczeniowych (tylko o 1ºC) w okresie wysokich temperatur pozwoli na obniżenie kosztów wymiennika gruntowego o ok. 10%.

Dla przykładowego budynku biurowego o powierzchni użytkowej 1000 m2 i zapotrzebowaniu mocy chłodniczej na klimatyzację 45 kW należy, w średnich warunkach gruntowych, zainstalować około 1000 mb sond ziemnych. Zakładając koszt kompletnego wymiennika gruntowego na poziomie 120 zł, z 1 mb sondy wyniesie to ok. 120 tys. zł. Koszt maszyny chłodniczej wynosi ok. 50 tys. zł. Biorąc pod uwagę koszt pomp obiegowych, armatury, orurowania i montażu, koszt montażu jest zbliżony do kosztów wykonania wymiennika gruntowego. Efekt ekonomiczny zastosowania sond ziemnych tylko do klimatyzacji jest niewielki.

Możliwość taka może być brana pod uwagę jedynie przy ich wykorzystaniu do chłodzenia „przy okazji“ zastosowania pomp ciepła na cele grzewcze. Możliwość chłodzenia ze studni głębinowej jest finansowo korzystniejsza pod warunkiem płytkiej wody powierzchniowej o dobrej jakości, wymaga to jednak uzyskania pozwolenia od służb ochrony środowiska.

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