Przyczyny i skutki przeciążenia dolnego źródła gruntowej pompy ciepła

Gruntowe pompy ciepła umożliwiają wykorzystanie energii cieplnej zawartej w płytkich warstwach skorupy ziemskiej. Płytka geotermia stanowi wszechobecne, nieograniczone źródło czystej energii wykorzystujące zaabsorbowaną przez grunt energię słoneczną oraz geotermalną. Prawidłowo zaprojektowane, wykonane i eksploatowane systemy gruntowych pomp ciepła charakteryzują się długim czasem eksploatacji i jej niskimi kosztami – w porównaniu do klasycznych systemów ogrzewania i chłodzenia. Ponadto nie generują niskiej emisji, a w połączeniu z ogniwami fotowoltaicznymi możliwe jest całkowite wyeliminowanie emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Pomimo tych zalet rynek gruntowych pomp ciepła w Polsce jest wciąż stosunkowo niewielki (w 2019 roku 5380 instalacji GPC wg PORT PC [1]), głównie ze względu na wysokie koszty inwestycyjne. Duże przyrosty sprzedaży mają natomiast powietrzne pompy ciepła.

Najbardziej rozpowszechnioną technologią pozyskiwania energii zawartej w gruncie są sondy pionowe, zwykle o konstrukcji w kształcie litery U. Sondy mają zazwyczaj długość od 30 do 200 m, a przestrzeń między rurą i gruntem wypełnia się materiałem na bazie bentonitu o wysokiej przewodności cieplnej, co zapewnia odpowiednią wymianę ciepła między sondą a gruntem oraz zmniejsza ryzyko zanieczyszczenia wód gruntowych czynnikiem roboczym. Najpopularniejszym czynnikiem roboczym jest 15-proc. roztwór glikolu propylenowego – w praktyce rzadko stosuje się inne czynniki [2].

Czytaj też: Jakie dolne źródło pompy ciepła dla konkretnej inwestycji? >>

Stabilna temperatura gruntu na głębokości poniżej 15 m gwarantuje wydajną i ekonomiczną eksploatację. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że systemy takie wymagają szczególnej uwagi na etapie projektowania. Praktyka inżynierska w procesie projektowania gruntowego wymiennika ciepła opiera się na wykorzystaniu wskaźników jednostkowego uzysku ciepła z gruntu dla założonej litologii skał na terenie realizacji zadania projektowego. W przypadku dużych instalacji (powyżej 10 odwiertów) przeprowadza się proces dokładniejszej analizy gruntu, wykonuje odwiert pilotażowy, a nawet test odpowiedzi termicznej (TRT). Żadna z tych metod nie daje pewności co do występujących na danym terenie parametrów geofizycznych, jednak zdecydowanie poprawia dokładność przy projektowaniu gruntowego wymiennika ciepła [3]. Na końcowe efekty energetyczne i ekonomiczne eksploatacji systemu nie wpływają jednak tylko założenia projektowe. W celu zapewnienia dobrych warunków transportu ciepła w odwiercie niezbędne jest również zachowanie jak najwyższej jakości jego wykonania.

Według analizy przeprowadzonej na Uniwersytecie w Siegen wiele firm wiertniczych zastrzega sobie prawo do zmiany istniejących planów, np. dzieląc odwiert na kilka mniejszych, jeżeli ze względu na problemy mechaniczne niemożliwe jest osiągnięcie jego planowanej głębokości. W wielu przypadkach zaniechano nawet dalszego wykonywania odwiertu i zamontowano wymiennik ciepła bez ponownej kalkulacji jego wielkości. Z obserwacji dokonanych przez naukowców z Siegen można wnioskować, że proces kontroli jakości wykonania oraz zachowania wytycznych projektu w przypadku instalacji gruntowych wymienników ciepła jest niewystarczający [4]. Właściwe wykonanie gruntowego wymiennika ciepła zapewnia utrzymanie wysokiego poziomu wymiany ciepła pomiędzy U-rurą i ścianą odwiertu, ochronę warstwy wodonośnej oraz wydajną i ekonomiczną eksploatację. Istotny jest zatem świadomy wybór wykonawcy z doświadczeniem i aktualną wiedzą wiertniczo-geologiczną. Końcowym ogniwem determinującym poprawną pracę układu jest jego eksploatacja, która zależy w dużej mierze od świadomości właściciela instalacji. Tej problematyki dotyczy niniejszy artykuł.

Eksploatacja gruntowej pompy ciepła

Analiza pracy instalacji grzewczej z gruntową pompą ciepła

W przypadku pomp ciepła solanka/woda to dolne źródło ciepła jest elementem wymagającym szczególnej uwagi, nie tylko podczas projektowania i wykonywania, ale również eksploatacji systemu. W trakcie sezonu grzewczego w wyniku zmian zapotrzebowania na energię grzewczą zmienia się również temperatura dolnego źródła ciepła, co może znacząco wpływać na efektywność energetyczną pompy ciepła. Metody pozyskiwania danych do projektowania gruntowych wymienników pomp ciepła przedstawione zostały w poprzednich artykułach [3, 5]. Opisano w nich również skutki przyjęcia niewłaściwych danych do wykonania projektu dolnego źródła ciepła. Niniejszy artykuł ma na celu przybliżenie skutków niewłaściwej eksploatacji gruntowego wymiennika ciepła dla pompy ciepła glikol/woda. Interesujące wyniki dotyczące rzeczywistych skutków przeciążenia dolnego źródła ciepła w instalacji grzewczej zawarto w pracach [6, 7]. Opisana w nich instalacja dolnego źródła pompy ciepła, na której prowadzono pomiary, składa się z pięciu odwiertów o głębokości 78 m każdy. Przeprowadzono testy eksploatacji wymiennika ciepła pod różnym obciążeniem: monitorowano pracę układu na wszystkich pięciu odwiertach (niższe jednostkowe obciążenie gruntu), a następnie pracę układu na trzech odwiertach (wyższe jednostkowe obciążenie gruntu). Wyniki eksperymentu istotne dla opisywanego w niniejszym artykule problemu przedstawiono na rys. 1 i 2. Bardziej szczegółową analizę danych przedstawiono w artykule [6].

Na rys. 1 przedstawiono stabilną pracę jednego z pięciu odwiertów w styczniu 2015 roku, w trakcie sezonu grzewczego, gdy temperatury powietrza zewnętrznego (T_zew) zmieniały się od –5 do 15°C. W takich warunkach maksymalny jednostkowy uzysk ciepła z gruntu w odwiercie wyniósł średnio dla całego miesiąca q_max = 35 W/mb, a średni ok. q_śr = 24 W/mb. Na rys. 2 przedstawiono pracę instalacji dociążonej, tj. zasilanej trzema odwiertami, w ostatnim tygodniu października i trzech tygodniach listopada 2017 r. Temperatura powietrza zewnętrznego (T_zew) wynosiła w tym okresie od 0 do 17°C. Maksymalny jednostkowy uzysk ciepła z gruntu w odwiercie wynosił dla badanego okresu średnio q_max = 65 W/mb, a średni ok. q_śr = 40 W/mb. Zauważyć można, że pomimo relatywnie wysokich temperatur długoterminowe utrzymanie współczynnika jednostkowego uzysku ciepła z gruntu na poziomie 60-70 W/mb jest w przypadku tej instalacji niemożliwe. Praca tak dociążonego systemu skutkuje spadkiem temperatury czynnika roboczego o 5 K w trakcie stosunkowo ciepłego miesiąca. W przypadku współpracy układu z pięcioma odwiertami tak znaczny spadek temperatury glikolu nie został zarejestrowany.

Test w warunkach wzmożonego obciążenia układu prowadzono przez ponad trzy miesiące – od września do połowy grudnia. W grudniu, kiedy temperatura powietrza zewnętrznego obniżyła się, podjęto decyzję o zakończeniu testu ze względu na bardzo niskie temperatury czynnika roboczego, spadające poniżej 0°C. Dalsza eksploatacja dociążonego źródła mogłaby skutkować znacznym wychłodzeniem gruntu wokół wymiennika, a tym samym spadkiem efektywności pracy pompy ciepła w całym sezonie grzewczym. Badania te skłoniły autorów do przeprowadzenia dalszych analiz w formie symulacji, których przebieg i wyniki opisano w kolejnym punkcie.

Różne scenariusze pracy dolnego źródła pompy ciepła

Jednym ze skrajnych przykładów niewłaściwego wykorzystania instalacji centralnego ogrzewania z gruntową pompą ciepła jest próba osuszania budynku przy użyciu energii pobieranej z gruntowego wymiennika ciepła. W nowo powstałych obiektach istnieje duży problem z wilgocią wynikającą z odparowania wody zawartej w mieszaninach betonu używanych m.in. do wylania posadzek. Inwestorzy, chcąc przyspieszyć proces osuszania budynku, decydują się na uruchomienie źródła ciepła i „wygrzewanie” budynku. Instalacja pracuje wówczas przez wiele godzin z dużym obciążeniem wynikającym m.in. z częstego lub ciągłego przewietrzania. Efektem pracy przeciążonego dolnego źródła ciepła może być nawet zamarznięcie wymiennika. Dodatkowo negatywne efekty przeciążenia dolnego źródła mogą zostać wzmocnione w wyniku niewłaściwych założeń projektowych lub ograniczania kosztów inwestycyjnych, skutkujących zaprojektowaniem/wykonaniem zbyt małego wymiennika dla danych parametrów gruntu.

Dla zobrazowania potencjalnych skutków przeciążenia dolnego źródła gruntowej pompy ciepła posłużono się przykładem instalacji grzewczej w typowym nowo budowanym domu jednorodzinnym zlokalizowanym na Dolnym Śląsku. Projektowe obciążenie cieplne tego obiektu to 7,2 kW, a roczne zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania wynosi 13 410 kWh/rok (w standardowym sezonie grzewczym). Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania (Qbud) w każdym z wariantów obliczono zgodnie z PN-EN 13790 i przedstawiono w tabeli 1. W celu obserwacji zachowania wymiennika dolnego źródła ciepła wykonano symulację pracy układu dla trzech przykładowych sytuacji mogących wystąpić w rzeczywistej instalacji grzewczej. Autorzy przeprowadzili analizę zmian temperatury czynnika roboczego w dolnym źródle dla statystycznego sezonu grzewczego, okresowego przeciążenia dolnego źródła ciepła (mroźny miesiąc zimowy) oraz dla pierwszego roku pracy instalacji, kiedy na skutek procesów osuszania zapotrzebowanie budynku na energię grzewczą jest znacznie wyższe.

Wariant 1 (W1): Praca instalacji grzewczej w typowym sezonie grzewczym. Przyjęto temperatury zewnętrzne zgodne z przebiegiem sezonu statystycznego dla najbliższej stacji meteorologicznej.

Wariant 2 (W2): Praca instalacji w sezonie grzewczym z dłuższym okresem o znacząco obniżonej temperaturze powietrza zewnętrznego. W celu zachowania wiarygodności wyników posłużono się archiwalnymi meteorologicznymi danymi pomiarowymi. Do analiz przyjęto rzeczywiste temperatury powietrza zewnętrznego występujące w tej lokalizacji przez 13 dni w styczniu 2013 r. Średnia temperatura zewnętrzna wynosiła w tym okresie –6,9°C, a chwilowa nawet –13°C, co w perspektywie całego miesiąca przekłada się na dodatkową ciągłą pracę pompy ciepła z maksymalną mocą przez ok. 40 godzin. Dla pozostałej części sezonu grzewczego przyjęto warunki jak w wariancie 1.

Wariant 3 (W3): Symulacja pracy instalacji w pierwszym sezonie grzewczym po wybudowaniu budynku. Wariant zakłada użycie pompy ciepła do wspomagania jego osuszania. Według źródeł literaturowych [8] w celu utrzymania wewnątrz komfortu termicznego dom w takim stanie potrzebuje od 40 do nawet 100% więcej energii cieplnej. Wariant 3 zakłada wystąpienie wzrostu zapotrzebowania o dodatkowe 50% energii cieplnej w stosunku do wariantu 1.

Wariant 4 (W4): Sytuacja tożsama z wariantem 3, zakłada jednak wystąpienie wzrostu zapotrzebowania o dodatkowe 100% energii cieplnej w stosunku do wariantu 1. Dane wejściowe do symulacji dla poszczególnych wariantów pracy instalacji zestawiono w tabeli 1.

Analiza pracy dolnego źródła

Analizę pracy wykonano dla opisanych powyżej czterech wariantów obciążenia gruntowej pompy ciepła oraz dla trzech wielkości dolnego źródła. Różnica wielkości dolnego źródła pompy ciepła może wynikać z szerokiego zakresu jednostkowego uzysku ciepła z tego samego rodzaju gruntu możliwego do przyjęcia przez projektanta.

Czytaj też: Ogrzewanie budynków gruntową pompą ciepła >>

Przykład 1 (P1): Analiza dla założenia jednostkowego uzysku ciepła z gruntu wynoszącego 50 W/mb. Jest to górna wartość jednostkowego uzysku ciepła dla gruntu średniowilgotnego, którą może przyjąć projektant, kierując się wytycznymi zawartymi w poradnikach dla projektantów. Warunek ten spełnią dwie sondy w kształcie litery U o długości 80 m z założeniem strefy martwej w górnej części wymiennika.

Przykład 2 (P2): Analiza dla założenia jednostkowego uzysku ciepła z gruntu wynoszącego 40 W/mb. Jest to średnia wartość jednostkowego uzysku ciepła dla gruntu średniowilgotnego, którą może przyjąć projektant, kierując się wytycznymi zawartymi w poradnikach dla projektantów. Warunek ten spełnią dwie sondy w kształcie litery U o długości 100 m z założeniem strefy martwej w górnej części wymiennika.

Przykład 3 (P3): Analiza dla założenia jednostkowego uzysku ciepła z gruntu wynoszącego 30 W/mb. Jest to dolna wartość jednostkowego uzysku ciepła dla gruntu średniowilgotnego, którą może przyjąć projektant, kierując się wytycznymi zawartymi w poradnikach dla projektantów. Warunek ten spełnią trzy sondy w kształcie litery U o długości 80 m z założeniem strefy martwej w górnej części wymiennika.

Wszystkie analizy przeprowadzono, korzystając z oprogramowania Earth Energy Designer [9]. Przyjęto następujące parametry gruntu: współczynnik przewodności cieplnej 2,5 W/(m · K); pojemność cieplna 2,16 MJ/(m³ · K); temperatura powierzchni gruntu 8,3°C. Odpowiadają one wybranej lokalizacji instalacji (woj. dolnośląskie) oraz parametrom gruntu średniowilgotnego. Jako początek sezonu grzewczego przyjęto wrzesień. Wynikiem przeprowadzonych symulacji jest średnia wartość temperatury glikolu (Tglikolu) na koniec każdego miesiąca w pierwszym roku eksploatacji.

Na rys. 3 przedstawiono parametry pracy instalacji grzewczej w pierwszym roku eksploatacji pod obciążeniem standardowym (W1) dla wszystkich analizowanych wielkości wymienników dolnego źródła (P1, P2 oraz P3). Analiza zmian temperatury glikolu w instalacji pozwala zaobserwować znaczące różnice między najmniejszym (P1) a największym dolnym źródłem ciepła (P3). W miesiącach charakteryzujących się stosunkowo niską średnią temperaturą powietrza zewnętrznego (a zatem wysokim zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania) temperatura glikolu dla wymiennika P1 spada nieco poniżej 0°C. Choć nie spowoduje to awaryjnego wyłączenia pompy ciepła, prawdopodobnie będzie miało niekorzystny wpływ na długofalową pracę instalacji oraz na wartość SCOP (sezonowy współczynnik efektywności energetycznej) pompy ciepła. W przypadku większych wymienników (P2 i P3) temperatura glikolu dla miesięcy o najwyższym zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania wynosi ok. 4°C, gwarantując prawidłową pracę układu z wysoką efektywnością energetyczną.

Drugi z analizowanych wariantów eksploatacji dolnego źródła (W2) miał na celu zaobserwowanie skutków dłuższego okresu występowania bardzo niskich temperatur zewnętrznych. Jak pokazano na rys. 4, w przypadku pracy instalacji z obciążeniem szczytowym występującym przez 40 h w jednym miesiącu w roku (styczniu) temperatura glikolu uległa znaczącemu obniżeniu. Dla najmniejszego wymiennika (P1) zaobserwowano spadek nawet poniżej –7°C, co spowoduje awaryjne wyłączenie pompy ciepła. W przypadku większych wymienników (P2 oraz P3) spadek również jest zauważalny, jednak osiągnięta temperatura pozwala na ciągłą stabilną pracę układu. Po ustąpieniu niesprzyjających warunków pogodowych (w dalszej części sezonu grzewczego) grunt stosunkowo szybko powraca do równowagi, mimo wciąż wysokiego zapotrzebowania na energię do ogrzewania. Temperatura glikolu już na koniec kolejnego miesiąca wynosi ok. 4°C, co pozwala na efektywną pracę pompy ciepła.

Skrajnym przypadkiem obciążenia gruntowego wymiennika ciepła jest pierwszy rok eksploatacji instalacji uruchomionej tuż po zakończeniu budowy, przed właściwym osuszeniem przegród budynku. Na rys. 5 oraz 6 przedstawiono wartości temperatury glikolu w dolnym źródle pompy ciepła wynikające z jej pracy przy zwiększonym o odpowiednio 50 i 100% zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania. Tak wysokie w stosunku do warunków projektowych przeciążenie spowoduje szybki spadek temperatury glikolu w odwiertach.

Dla zapotrzebowania zwiększonego o 50% większe wymienniki P2 i P3 zostają stosunkowo mocno wychłodzone, gwarantują jednak stabilną pracę pompy ciepła w okresie całego sezonu grzewczego. Wymiennik P1 niemal osiąga temperaturę wyłączenia pompy ciepła, dlatego jego eksploatacja byłaby w takim przypadku zagrożona. W razie przeciążenia wymiennika o 100% w stosunku do standardowego sezonu grzewczego symulacje wykazują bardzo mocne wychłodzenie gruntu dla wymienników P1 i P2. Ewentualna dalsza eksploatacja powodowałaby postępujące wychłodzenie gruntu wokół wymiennika i groziła jego całkowitym zamarznięciem. Jedynie w przypadku konfiguracji z najdłuższym wymiennikiem P3 możliwe jest uzyskanie wymaganej energii grzewczej bez zagrożenia dla dalszego funkcjonowania instalacji. Należy się jednak spodziewać, że osiągnięte zostaną niskie temperatury glikolu (znacznie poniżej 0°C), które utrzymywać się będą przez cały sezon grzewczy. Spowoduje to w konsekwencji znaczący spadek efektywności energetycznej urządzenia, co w przypadku zwiększonego zapotrzebowania na energię do ogrzewania budynku skutkować będzie relatywnie wysokimi kosztami eksploatacji systemu grzewczego.

Wnioski

Pompy ciepła glikol/woda to pewne, stabilne i bezpieczne źródło energii grzewczej dla budynków. Należy podkreślić, że dobrze zaprojektowany gruntowy wymiennik ciepła pracuje stabilnie niezależnie od poziomu temperatury powietrza zewnętrznego, zapewniając przy tym wysoką wydajność i efektywność energetyczną systemu. Dzięki dodatkowemu połączeniu układu pompy ciepła z instalacją fotowoltaiczną możliwe jest stworzenie systemu grzewczego nie tylko przyjaznego dla środowiska naturalnego, ale również prawie niegenerującego kosztów eksploatacyjnych. Jednak, jak wykazano w artykule, niewłaściwie zaprojektowana lub eksploatowana instalacja może prowadzić do destabilizacji systemu, a w konsekwencji do wzrostu kosztów eksploatacji, a nawet awarii dolnego źródła. Krótkotrwałe przeciążenie prawidłowo zaprojektowanej instalacji pompy ciepła (rozumiane jako występowanie przez około miesiąc skrajnie niskich temperatur powietrza zewnętrznego) nie niesie za sobą większych konsekwencji.

Długotrwałe przeciążenie instalacji dolnego źródła pompy ciepła (rozumiane jako zwiększenie zapotrzebowania na energię w całym sezonie grzewczym od 50 do 100% – sytuacja ta może wystąpić w przypadku próby osuszenia budynku z wykorzystaniem tej instalacji) może mieć negatywne i znaczące konsekwencje. Faktyczny spadek temperatury glikolu uzależniony jest od rzeczywistej wydajności cieplnej gruntu i poziomu przeciążenia. Dla większych wymienników może to być spadek temperatury glikolu jedynie nieco poniżej 0°C. W przypadku instalacji zaprojektowanej dla jednostkowego uzysku ciepła przekraczającego rzeczywiste możliwości gruntu eksploatacja pompy ciepła ze zwiększonym obciążeniem może prowadzić do spadku temperatury glikolu poniżej bezpiecznej temperatury pracy. Skutki długotrwałego przeciążenia gruntu mogą być długofalowe i kosztowne. Powrót gruntu do równowagi może trwać kilka tygodni, a nawet miesięcy. Właściwe projektowanie, oparte nie tylko na założeniach, ale również na analizie pracy dolnego źródła, staranne wykonanie oraz świadome użytkowanie instalacji pompy ciepła pozwolą na długoletnią, bezproblemową eksploatację i utrzymanie wysokiej efektywności systemu.

Literatura

1. Pompy ciepła, raport rynkowy PORT PC, 2019.

2. Stefanowicz Ewelina, Piechurski Krzysztof, Szulgowska-Zgrzywa Małgorzata, Czynniki robocze stosowane w dolnych źródłach gruntowych pomp ciepła, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2017, s. 24–28, rynekinstalacyjny.pl.

3. Stefanowicz Ewelina, Piechurski Krzysztof, Metody wyznaczania parametrów gruntu do projektowania pionowych wymienników dla pomp ciepła solanka/woda, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2018, s. 24–28, rynekinstalacyjny.pl.

4. Research Project: Drilling techniques for the installation of ground source heat exchangers and development of tools for technology and economic planning, Universität Siegen, 2010.

5. Stefanowicz Ewelina, Szulgowska-Zgrzywa Małgorzata, Konfiguracja odwiertów oraz obciążenie cieplne i chłodnicze obiektu a parametry pracy dolnego źródła pompy ciepła glikol/woda, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2017, s. 84–89, rynekinstalacyjny.pl.

6. Fidorów-Kaprawy Natalia, Stefanowicz Ewelina, Analysis of the power extraction rate change for boreholes in time and in different heat load conditions, E3S Web of Conferences, 2019.

7. Fidorów-Kaprawy Natalia, Stefanowicz Ewelina, Mazurek Wojciech, Szulgowska-Zgrzywa Małgorzata, Bryszewska-Mazurek Anna, The analysis of the differences between the results of the thermal response test and the data from the operation of the brine-to-water heat pump’s vertical exchanger, E3S Web of Conferences, 2017.

8. Lachman Paweł, Nadmierne koszty ogrzewania w niedostatecznie wysuszonych nowych budynkach, „Instal Reporter” nr 3/2012.

9. BLOCON, Earth Energy Designer, Stockholm 2015.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!