Współpraca instalacji solarnej z pompą ciepła

Od lat specjaliści głowią się nad tym, jak najefektywniej magazynować energię słoneczną. Większość badań skierowana jest na opracowanie takiego czynnika, który pracując dwufazowo (topnienie – twardnienie lub parowanie – kondensacja), mógłby gromadzić duże ilości ciepła. Od paru lat testowana jest jednak i inna koncepcja magazynowania ciepła, a mianowicie podgrzewanie ziemi na dużej głębokości i pobieranie jej w okresie zimowym.

Wyobraźmy sobie, że pompa ciepła z wymiennikami pionowymi (często nazywanymi sondami) wprowadzonymi do ziemi na głębokość ok. 150 m (temperatura ziemi na tej głębokości jest stabilna – na poziomie ok. 12°C) w okresie letnim, gdy mamy silne nasłonecznienie, zamiast pobierać ciepło z głębi ziemi, to ciepło w głąb ziemi dostarcza. Oczywiście nie musimy do tego celu wykorzystywać obiegu pompy ciepła, a jedynie wymienniki pionowe, przez które krąży woda z kolektorów słonecznych, z pominięciem pompy.

Nie trzeba też umieszczać sond tak głęboko, bo stabilna temperatura zaczyna się na głębokości ok. 25–30 m i wynosi ok. 10°C. Jednak im głębiej będą znajdować się sondy, tym mniejsza strata ciepła magazynowego, gdyż temperatura powietrza w zimie nie będzie miała żadnego wpływu, lub tylko nieznaczny, na ogólny bilans energetyczny instalacji.

Instalacja pilotażowa

W ramach projektu badawczego Niemieckiej Fundacji Środowiska (DBU) firma GEFGA wykonała taką instalację w miejscowości Limburg nad Lehnem [1]. Na rysunku 1 pokazano schemat tej instalacji. Wykonano ją dla domu jednorodzinnego o powierzchni 300 m², o zapotrzebowaniu mocy cieplnej 15 kW. Roczne zapotrzebowanie na ciepło, bez podgrzewania basenu, wynosi 35 750 kWh.

Zastosowano pompę ciepła Öko Energy System typ Cora 14TMS oraz kolektory słoneczne Quick Step o powierzchni 44 m². Do ziemi wpuszczono 14 sond ziemnych (kolektorów pionowych) GeoSticks, o długości 17,5 m każda.

W instalacji znajduje się zasobnik wody o pojemności 400 litrów. System ogrzewania przyjęty dla całego budynku to ogrzewanie powierzchniowe (ścienne, podłogowe i sufitowe) wykonane z rur kapilarnych VL-RL pracujących na parametrach 30/26°C (dla temperatury obliczeniowej –12°C).

Na rysunku 2 pokazano roczny bilans energetyczny tej pilotażowej instalacji. Widać na nim, jak duży jest nadmiar energii pobieranej z kolektora słonecznego w okresie od kwietnia do września, którą można skierować do podgrzewania ziemi.

Ziemia jako magazyn ciepła

Ciepło ziemi (energia geotermalna) wykorzystywane jest w instalacjach z pompą ciepła współpracującą ze wszystkimi kolektorami oprócz powietrznych. W opisanym powyżej przykładzie do pobierania ciepła z dolnego źródła zastosowano sondy ziemne, bez konieczności korzystania z wody jako źródła ciepła.

Na rysunku 3 pokazano, jaki wpływ na temperaturę ziemi ma temperatura zewnętrzna i jak głęboko ten wpływ jest zauważalny. Można założyć, że na głębokości ok. 15 m temperatura ziemi się stabilizuje i nie zmienia pod wpływem temperatury powietrza. Od głębokości 50 m temperatura zaczyna rosnąć o ok. 3°C co każde 100 m.

Instalacja słoneczna, która w lecie będzie podgrzewać ziemię na określonej głębokości, na pewno będzie wpływać na rozkład temperatur wokół sondy, zarówno w lecie (wzrost temperatury), jak i w zimie (spadek temperatury). Dla instalacji pilotażowej wykonano symulację rozkładu temperatur w ciągu 25 lat, bo obliczono, że dopiero po 10 latach jej pracy rozkład ten zacznie się stabilizować, a po 25 latach przestanie się zmieniać (rys. 4).

Możliwości magazynowania ciepła w ziemi zależą od jej składu. W tabeli 1 zestawiono wartości termiczne kamienia różnego rodzaju. Należy o nich pamiętać przy bilansowaniu ciepła instalacji geosolarnej.

Eksploatacja instalacji geosolarnej

Jak wiadomo, sprawność pompy ciepła wzrasta wraz ze zmniejszającą się różnicą temperatury dolnego i górnego źródła. Na rysunku 5 pokazano, z jakimi wartościami sprawności pompy ciepła mamy do czynienia przy różnych kombinacjach dolnego i górnego źródła.

Przyjęty dla instalacji pilotażowej system ogrzewania powierzchniowego z użyciem rurek kapilarnych (maty grzejne lub chłodzące wykonywane z rurek polietylenowych o średnicy 5 mm) pozwala na pracę instalacji na niskich parametrach.

Na wykresie widać, że Geo-Solarsystem pracujący z takim ogrzewaniem powierzchniowym daje nam współczynnik sprawności pompy ciepła ponad 5,5, gdy trochę wyżej zaznaczony system kolektorów ziemnych, bez współpracy z kolektorami słonecznymi, daje równie dużo, bo 5,0. Wystarczy zmienić sposób ogrzewania budynku na podłogowe i współczynnik sprawności pompy ciepła spada do 3,5, mimo że instalacja nadal współpracuje z kolektorami słonecznymi.

Od czasu instalacji pilotażowej firma GEFGA wykonała jeszcze trzy inne instalacje tego typu w domach jednorodzinnych. Może któraś z agencji zajmujących się energią odnawialną pokusi się o wykonanie takiej instalacji w warunkach polskich i przeprowadzi dokładną analizę ekonomiczną – temat jest bardzo interesujący.

Literatura

1. Rosinski Ch., Solar und Geothermie ideal kombiniert, IKZ-Fachplaner Heft 2/2007.
2. VDI 4640.
3. Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen, Oberflächennahe Geothermie Heizen und Kühlen mit Energie aus dem Untergrund, broszura informacyjna, sierpień 2007 r.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!