Dobór dolnego źródła dla pomp ciepła

Pompy ciepła – źródło ciepła i chłodu

Pompa ciepła jest urządzeniem wykorzystującym powszechnie stosowaną technologię w lodówkach z tą różnicą, że proces ma za zadanie wytwarzanie ciepła, a nie chłodu. Pompa ciepła do wytworzenia jednostki energii potrzebuje tylko 35% energii elektrycznej, a 65% czerpie z dolnego źródła (wody, powietrze, grunt), za którą to energię nie płacimy.

Zatem z 1 kW energii elektrycznej zasilającej pompę ciepła otrzymujemy 4÷5 kW energii cieplnej. Podstawowym parametrem określającym efektywność pomp ciepła jest współczynnik COP, który określa stosunek ilości energii włożonej do uzyskanej i wynosić może np. od 3 do nawet 5,6. COP zależy od kilku czynników, w tym od zastosowanego dolnego źródła ciepła.

Powietrze

Powietrze atmosferyczne jako źródło ciepła niskotemperaturowego ma dużo zalet, ale też ma wady. Zalety to powszechna dostępność w dowolnych ilościach i stosunkowo niskie koszty inwestycyjne ujmowania ciepła z powietrza oraz to, że nie powoduje żadnych zakłóceń równowagi cieplnej otoczenia.

Wadami tego dolnego źródła ciepła są duże wahania temperatury (zarówno w okresie dobowym, jak i rocznym), niekorzystne warunki wymiany ciepła (małe współczynniki wnikania ciepła) i konieczność budowania wymienników o dużej powierzchni, a ponadto tworzenie się szronu na powierzchni wymiennika, gdy jego temperatura jest niższa od 0°C (warstwa szronu tworzy dodatkowy opór cieplny oraz utrudnia przepływ powietrza), zła koherentność, a także hałas spowodowany pracą wentylatorów.

Efektywne wykorzystanie pomp ciepła, w których powietrze stanowi dolne źródło ciepła możliwe jest do temperatury ok. 3÷5°C. Przy niższych temperaturach zewnętrznych (produkowane są pompy ciepła pracujące nawet przy temperaturze –15°C) stosuje się okresowe odszranianie parowacza i wymaga to dodatkowej energii.

W takich przypadkach współczynniki wydajności są niskie i należy wówczas stosować układy biwalentne, wykorzystujące dodatkowe źródło ciepła (np. kocioł gazowy). Średnioroczny współczynnik wydajności cieplnej pompy powietrze- powietrze, zasilającej instalację ogrzewczą wynosi od 2,0 do 2,5.

Woda

Woda dzięki korzystnym właściwościom fizycznym, a szczególnie dzięki dużej właściwej pojemności cieplnej, jest dobrym nośnikiem ciepła. Jednakże wybierając to dolne źródło, należy zwrócić szczególna uwagę na skład chemiczny wody.

Wody gruntowe i głębinowe wykorzystywane są w urządzeniach o średniej i dużej mocy; mają wiele zalet, do których należą: stosunkowo stała i wysoka temperatura (wody gruntowe 8÷12°C, głębinowe nawet do 15°C); dobra koherentność (najniższa temperatura na wiosnę, gdy mija już szczytowe zapotrzebowanie na ciepło) oraz niskie koszty eksploatacji.

Wady to: wysokie koszty inwestycyjne w znacznym stopniu zależne od rodzaju terenu i głębokości występowania wody; możliwość zanieczyszczenia i korozji (szczególnie przy zbyt dużej ilości żelaza lub manganu, które będą powodowały problemy eksploatacyjne).

Grunt

Z gruntu można czerpać energię geotermii płytkiej – to energia zmagazynowana w gruncie pochodząca od promieniowania słonecznego – występuje ona do głębokości 350 m. Głębiej zalega energia jądra ziemi i tę energię nazywamy energią geotermalną.

Najczęściej wykorzystywana jest energia geotermii płytkiej poprzez sond pionowych, w których przepływający glikol lub solanka odbiera w układzie zamkniętym energię z gruntu (otworowe, pionowe zamknięte wymienniki ciepła). Drugim systemem są kolektory poziome zakopywane na głębokości 1÷2 m ppt., które w przypadku dużych mocy potrzebują bardzo dużych powierzchni gruntu.

Nośnikami ciepła, transportującymi energię cieplną z gruntu do pompy ciepła są wodne roztwory glikoli lub solanki o zalecanych prędkościach przepływu 0,5÷0,6 m/s. Przyrost temperatury nośnika ciepła w gruncie wynosi 3÷5 K.

Właściwości geologiczne gruntu wpływają na wielkość pozyskania energii z 1 m2 kolektora poziomego (8÷40 W) lub 1 mb sondy pionowej (30÷100 W). Zalety gruntu jako dolnego źródła ciepła to: duża pojemność cieplna, stała temperatura, możliwość wykorzystywania go do pobierania i oddawania ciepła oraz bezproblemowa eksploatacja.

Przy projektowaniu dolnych źródeł w gruncie dla instalacji powyżej 30 kW niezbędne jest wykonanie pomiaru energii gruntu poprzez Thermal Response Test (test reakcji termicznej). Wytyczne niemieckie VDI 4640 część 1 i 2 Thermische Nutzung des Untergrundes – Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte podają bowiem wartości energetyczne gruntu tylko dla pojedynczych instalacji oraz o mocy do 30 kW.

Norma ta jest dla Europy, oprocz Skandynawii, podstawową normą, w ktorej zawarte są parametry przewodności cieplnej dla rożnych warstw gleby, skał i struktur geologicznych. Thermal Response Test jest to uznana, międzynarodowa metoda do określenia geotermicznych parametrów podłoża. W metodzie tej sonda geotermiczna naładowana zostaje określoną ilością ciepła, która krąży w systemie i określa warunki termiczne (temperaturę).

Wyniki pomiaru to dokładne parametry gruntowe i efektywna zdolność przewodzenia ciepła oraz opór termiczny otworu wiertniczego. W ten sposób otrzymane parametry gruntu stanowią ważne dane wyjściowe w planowaniu dużych pol sond. Dzięki nim można nie tylko zoptymalizować koszty instalacji geotermicznej, ale także zagwarantować potrzebne wartości grzewcze i chłodnicze.

Rozkład energii dla pojedynczej sondy, podwójne U przy stałym poborze energii, przedstawia rys. 1., a rys. 2. przedstawia otrzymane wyniki testu. Poprzez symulację EED wykonuje się model geotermicznego pola sondy z uwzględnieniem wyników TRT, w tym dokładną kompensację ogrzewania/chłodzenia, dostrojenie za pomocą planera AG/TGA i wykorzystując zebrane dane z zainstalowanej sondy pionowej poprzez algorytmy, określa też rozkład energii w gruncie i możliwe maksymalne obciążenie na jedną sondę. Jest to niezwykle istotna kwestia przy określaniu łącznej liczby i długości sond pionowych.

Wyliczanie długości sond pionowych bez gruntownego określenia geologicznych właściwości przy zapotrzebowaniu instalacji na energię powyżej 30 kW jest po prostu nieporozumieniem, co w konsekwencji może doprowadzić do braku energii cieplnej wytwarzanej w pompie ciepła np. w środku zimy. Oczywiście można wielokrotnie zwiększyć dolne źródło. Będzie to pozytywny efekt energetyczny, lecz nie ekonomiczny.

Inwestor musi mieć pewność, że zlecając określone rozwiązanie do realizacji nie przepłaca, a liczba i długość odwiertów wraz z sondami jest optymalna, tzn. taka, która zapewni dostarczenie lub odprowadzenie odpowiedniej ilości energii zimą i latem.

Najczęstsze błędy przy wykonywaniu dolnych źródeł w gruncie przez polskich wykonawców to:

• zastosowanie nieodpowiednich materiałów o niskiej przewodności cieplnej np. zwykła rura niebieska z PE przeznaczona do instalacji wodociągowych,
• stosowanie tzw. patentów dla dolnej części sondy, niezgodnych z projektem,
• źle dobrana wielkość dolnego źródła,
• nieprawidłowy dobór średnic przewodów, co powoduje, że pompa obiegu glikolu pobiera kilka razy więcej energii elektrycznej niż powinna, a tym samym spada efektywność ogólna systemu pompy ciepła. 

Przykładem poprawnych rozwiązań dla dolnego źródła są systemy oparte na kompatybilnym systemie wykorzystującym materiały o wysokim współczynniku przewodzenia ciepła i niskiego oporu przepływu. Są to systemy wykonane z PEHD, których produkcja jest nadzorowana przez niezależne instytuty badawcze.

Takim systemem jest np. GEROthermR produkowany w Szwajcarii, w skład którego wchodzą wszystkie elementy począwszy od sond, poprzez zawory i przewody zasilające dla glikolowych systemów pomp ciepła, po opatentowaną stopę sondy, która ma niskie opory przepływu, a zarazem jest wytrzymała przy pracach montażowych, co daje gwarancję poprawności wykonania i niskie opory w sondzie pionowej.

Istotne są także równe przepływy w każdej sondzie, które realizowane są przez regulatory przepływu w zbieraczu. Rozdzielacz i zbieracz powinny mieć odpowiednio dobraną średnicę głowicy, tak aby nie występował efekt szumowania.

Najistotniejsze przy wykonaniu gruntowego dolnego źródła ciepła jest właściwe wykonanie odwiertów, włożenie odpowiedniej jakości sondy oraz wtłoczenie masy uszczelniającej odwiert, która musi mieć także dobry współczynnik przewodności cieplnej, aby szybko przekazywać energię z gruntu do sondy. Bardzo ważny jest sposób wypełnienia masą uszczelniającą – najlepszym rozwiązaniem jest wtłaczanie masy poprzez rurę iniekcyjną, włożoną do końca odwiertu.

Gdy masa wypłynie na powierzchnię gruntu, daje to gwarancję pełnego zalania odwiertu, bez miejscowych korków powietrznych, które działają jak termos nie przepuszczając energii cieplnej. Niestety wiele firm wiertniczych bagatelizuje te sprawy, co w efekcie powoduje, że np. z całej długości sond tylko połowa pracuje poprawnie, a efektem tego jest znaczny wzrost zużycia energii elektrycznej przez pompę ciepła, a tym samym niski współczynnik COP.

Inwestor miał zaoszczędzić na kosztach energii ok. 60% i tylko przy takim założeniu inwestycja miała szanse zwrotu, a tymczasem zużycie energii nie spada do zakładanego poziomu. Winą za niskie efekty obarczany jest najczęściej producent pompy ciepła, a nie wykonawca – instalator. Tym samym niska jakość wykonywania odwiertów i stosowanych elementów dla dolnego źródła przez wielu wykonawców w Polsce wpływa istotnie na opinię o pompach ciepła.