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.