Drukuj
Nadrzędna kategoria: Artykuły tematyczne

dolne źródła ciepła PanteraOpisane w poprzednim artykule („Magiczna skrzynka”, czyli o zasadzie działania pompy ciepła”) elementy składowe pomp ciepła oraz zachodzące dzięki nim procesy termodynamiczne wypada teraz przełożyć na praktyczne zastosowanie. I choć nie jest moim zamiarem opisywanie poszczególnych rodzajów dolnych źródeł ciepła, chciałbym wskazać istotne sprawy, charakterystyczne dla danego typu pompy ciepła, które wpływają na poprawną pracę całej instalacji, jej efektywność oraz walory użytkowe.

 

Podstawowym elementem, który różni między sobą pompy ciepła korzystające z różnych rodzajów dolnych źródeł, jest budowa parownika, a więc wymiennika ciepła po stronie niskotemperaturowej lub prościej – po stronie środowiska. Procesy zachodzące wewnątrz urządzenia oraz wymiennik ciepła po stronie instalacji grzewczej będą identyczne, niezależnie od typu pompy ciepła, ponieważ ciepło oddawane jest zawsze do wody. To właśnie z parownikiem związana jest większość problemów, które skutkują niedomaganiem instalacji z pompą ciepła.

Ryzyko korozji w pompach solanka-woda

Pompy ciepła typu solanka-woda (dosłownie z angielskiego brine-water), których dolnym źródłem ciepła (DZC) jest grunt, bazują w większości na roztworach glikolowych – propylenowych lub etylenowych. Na rynku dostępne są zarówno koncentraty, jak i gotowe roztwory wodne. Ponieważ czysty glikol po zmieszaniu z wodą tworzy mieszaninę o działaniu silnie korozyjnym, co związane jest z jego utlenianiem, producenci gotowych roztworów uszlachetniają je m.in. dodatkami inhibitorów, a ponadto w celu oznaczenia – odpowiednio zabarwiają.

Pamiętajmy, że w instalacji DZC pomp ciepła typu solanka-woda występuje zawsze wiele rożnych materiałów: począwszy od wymiennika ze stali szlachetnej, poprzez kształtki mosiężne do rur, a wreszcie – po rozdzielacze z PE. Aby nie dopuścić do korozji elektrochemicznej, należy zatem zawsze stosować mieszaniny z dodatkami uszlachetniającymi. Inaczej, po kilku latach, dolne źródło ciepła trzeba będzie poddać gruntownemu remontowi, a parownik płukaniu.

Co wyczytamy w oznaczeniach pomp ciepła?

Przykładowo oznaczenia B0/W35; B0/W55; W10/W55; A2/W35; E4/W55 wskazują kolejno:
– medium dolnego źródła ciepła (litera):
B = Brine (solanka, najczęściej roztwór glikolu propylenowego 30%),
W = Water (woda),
A = Air (powietrze),
E = Earth (grunt);
– temperaturę dolnego źródła ciepła (cyfra lub liczba), np. 0 = 0°C, 10 = 10°C;
– medium odbiornika ciepła, czyli górnego źródła ciepła (litera):
W = Water (ang. woda, tutaj woda grzejna);
– temperaturę źródła ciepła, np. 35 = 35°C na zasilaniu.

Żeby tego było mało, parowników nie da się łatwo wypłukać, ponieważ najczęściej mają one specyficzną budowę kanałów i systemów rozprowadzania mediów po obu stronach parownika; mówi się wręcz, że parowniki są „niepłukalne”.
Jeśli do pobierania ciepła z ziemi używa się czynników przygotowywanych indywidualnie na bazie koncentratów, do ich rozcieńczenia należy bezwzględnie stosować wodę o niskiej twartości <5°dH oraz o niskiej zawartości chlorków. Oznacza to generalnie, że do wykonania mieszaniny na bazie koncentratu powinno się używać wody zdemineralizowanej.
Pamiętajmy też, że staranność zawodowa wymaga, aby podczas uruchamiania pompy ciepła dokładnie znać rodzaj i stężenie czynnika odbierającego ciepło z ziemi. Powinno to być zanotowane w protokole. Podczas kolejnych wizyt w celu przeglądu instalacji, warto dopytać użytkowników, czy ktoś nie uzupełniał zładu dolnego źródła ciepła, a jeśli tak, to jakim czynnikiem i w jakiej ilości.

Przeciwdziałanie zapowietrzeniu instalacji

Na rurociągach dolnego źródła ciepła (wykonanych dla pomp ciepła czerpiących energię z gruntu) stosowane są odpowietrzniki ręczne lub automatyczne. Te elementy są bardzo pomocne podczas napełniania instalacji – powinny być wtedy otwarte, ale na czas normalnej pracy należy je zamknąć i odciąć zaworem. Jeżeli pozostawi się je otwarte, będą powodować napowietrzanie instalacji dolnego źródła, co skutecznie utrudni przekazywanie ciepła na parowniku. Takie sytuacje nie są rzadkością, ponieważ naczynia przeponowe w instalacjach dolnego źródła, niestety, wcześniej czy później tracą ciśnienie poduszki i przyjmują na siebie dużą część zładu, co powoduje obniżenie ciśnienia płynu. Co więcej, czynnik roboczy podczas pracy pompy ciepła ulega ochładzaniu i jeszcze bardziej się kurczy, potęgując efekt spadku ciśnienia.

Odpowiedni przepływ czynnika przez parownik

Pompy ciepła wykorzystujące ciepło z gruntu są obecnie bardzo popularne, a ich silną stroną jest stały i stosunkowo wysoki współczynnik efektywności. Jednak, aby współczynnik ten utrzymać na wysokim poziomie, istotne jest zapewnienie optymalnego przepływu czynnika niezamarzającego przez parownik. Przepływ ten absolutnie nie może być mniejszy niż – jak najczęściej określają to producenci – tzw. poziom minimalny. Odpowiedni przepływ gwarantuje prawidłową pracę parownika i pełne wykorzystanie jego powierzchni wymiany ciepła.

Gdy dolnym źródłem ciepła jest grunt, pod pojęciem „odpowiedni przepływ” rozumie się taki przepływ czynnika niezamarzającego, który gwarantuje osiągnięcie na parowniku mocy chłodniczej pompy ciepła określonej według normy PN-EN14511 dla B0/W35 (i podanej w danych technicznych urządzenia) dla różnicy temperatury między zasilaniem a powrotem na poziomie 3 K.

Jeżeli w dolnym źródle ciepła spodziewamy się innej temperatury niż typowa dla gruntu, to przepływ należy obliczyć dla takiej mocy chłodniczej, jaką pompa ciepła będzie mogła osiągnąć w spodziewanej temperaturze. Wykresy zmiany mocy chłodniczej w zależności od temperatury dolnego źródła ciepła także są podawane w danych technicznych urządzeń.
Przepływy czynnika niezamarzającego są niezmiernie ważne w pompach ciepła, a niestety bywa to całkowicie lekceważone. Spotykam czasami takie instalacje, w których rozdzielacz dolnego źródła, zamknięty w studni z kręgów betonowych, wygląda jak rozsypane bierki (skojarzenie z grą z młodych lat), a do tego na pętlach nie ma żadnego elementu pomiarowego, który umożliwiłby określenie przepływu. Nie ma zatem możliwości oceny, czy wszystkie pętle są równomiernie zasilane czynnikiem i oczywiście, czy osiągnięty jest – tak przez nas oczekiwany – minimalny przepływ czynnika. Bez takiej oceny nie ma sensu przystępować do uruchamiania pompy ciepła.

Skutki zbyt małego przepływu
Jak zachowuje się pompa ciepła, gdy przepływ czynnika niezamarzającego przez parownik jest mniejszy niż wymagany przez producenta? Otóż taka pompa co prawda pracuje, pokazując nawet przy tym poprawną różnicę temperatury na zasilaniu i powrocie czynnika niezamarzającego, cóż jednak z tego, skoro pracuje ona z mniejszą niż deklarowana mocą, a niedobory mocy ostatecznie wpływają na obniżenie komfortu użytkowego i podwyższenie kosztów pracy instalacji. Spadek komfortu będzie się sprowadzał do dłuższego niż pożądany czasu oczekiwania na ciepłą wodę użytkową czy też do spadku temperatury w pomieszczeniach podczas występowania mrozów. Wyższe koszty będą natomiast spowodowane dłuższymi okresami pracy urządzenia, a także dłuższym czasem pracy grzałek elektrycznych, które zgodnie z algorytmami pracy pompy ciepła załączane są w przypadku niedoboru mocy grzewczej pompy ciepła.

Powietrze zewnętrzne: niby prościej, ale…

Pompy ciepła wykorzystujące powietrze atmosferyczne jako źródło ciepła stają się coraz bardziej popularne. Nie wymagają one bowiem nakładów inwestycyjnych w dolne źródło ciepła. Pompy tego typu są z reguły nieco większe od gruntowych tej samej mocy (choć powoli się to wyrównuje), a związane jest to z tym, że powietrze nie jest specjalnie dobrym magazynem ciepła. Aby uzyskać odpowiednie porcje energii, wymagany jest sporych rozmiarów wymiennik do odzyskiwania ciepła.
Oferowane na rynku modele pomp pracujących z wykorzystaniem powietrza zewnętrznego to urządzenia:
– typu monoblok, czyli wszystko w jednej obudowie, przeznaczone do zabudowy wewnątrz lub na zewnątrz budynku;
– typu Split, w których zachowany jest podział na dwie jednostki; jedna z nich jest montowana wewnątrz budynku, a druga na zewnątrz.
Wydawać by się mogło, że wszystko w takich urządzeniach jest dość proste. Rzeczywiście, rzeczy do zepsucia – w porównaniu z pompą typu solanka-woda – jest znacznie mniej, ale znajdzie się też kilka problemów dotyczących tylko dolnego źródła ciepła takich pomp, na które warto zwrócić uwagę.

Na granicy plusa i minusa

Temperatura dolnego źródła w przypadku pompy ciepła powietrze-woda zmienia się mniej więcej w zakresie od +30°C podczas letnich upałów do -20°C w mroźne zimy. Taka pompa ciepła będzie się zatem charakteryzowała różnymi wartościami mocy grzewczej zależnie od pory roku, przy czym zmiana jej mocy jest, niestety, odwrotnie proporcjonalna do zapotrzebowania budynku na ciepło.

Poziome czy pionowe kolektory?

Przy instalacji pomp ciepła w dalszym ciągu spotyka się zarówno poziome, jak i pionowe gruntowe dolne źródła. Popularność kolektorów poziomych wynika przede wszystkim z prostoty ich budowy i korzystniejszej ceny. Ponadto instalacje dolnego źródła z wykorzystaniem sond pionowych wymagają zastosowania poważniejszego sprzętu i zgromadzenia większej liczby dokumentów – zajmuje się tym jednak firma wykonująca odwierty.
Tym, co łączy te dwa rodzaje dolnych źródeł ciepła na etapie przygotowania inwestycji jest fakt, że przed rozpoczęciem ich budowy oba podlegają zgłoszeniu organom administracji geologicznej (staroście) jako prace związane z pozyskaniem ciepła ziemi.

Co ciekawe, skrajnie niska temperatura powietrza nie jest dla pompy ciepła powietrze-woda tak kłopotliwa, jak ta w okolicy 0°C. Powietrze charakteryzuje się wtedy wciąż dużą wilgotnością. Trafiając na parownik pracującej pompy ciepła, ulega dodatkowemu ochłodzeniu, a wytrącona wilgoć zamarza na ściankach parownika, powodując jego zamarzanie i zatykanie.

Automatyka pompy ciepła rozpozna oczywiście zamrożenie parownika i zrealizuje funkcję rozmrażania tzw. gorącym gazem lub elektrycznie. Jednak podczas rozmrażania pompa ciepła będzie wyglądać jakby paliła się od wewnątrz (nie ma płomieni, ale za to cała masa pary wodnej), a roztopiony lód będzie spływać do wanny kondensatu umieszczonej pod parownikiem i następnie wężem na zewnątrz urządzenia. Problem sprowadza się do tego, aby zapewnić odprowadzanie rozmrożonej wody w bezpieczne miejsce – tam, gdzie nie będzie ona mogła ulec ponownemu zamarznięciu. Ilość powstającej w ten sposób w ciągu roku wody nie jest duża, ale każdy pojedynczy proces odmrażania to jak odkręcenie kranu z zimną wodą. Odpływ musi być drożny, zabezpieczony przed zamarznięciem i doprowadzony np. do kanalizacji lub do dołu rozsączającego, który powinien być odpowiednio chłonny oraz zlokalizowany poniżej strefy przemarzania gruntu.

Praca wentylatora mnoży utrudnienia

Problem z zapewnieniem odprowadzenia wody powstałej podczas rozmrażania parownika dotyczy przede wszystkim pomp ciepła typu monoblok umieszczanych na zewnątrz budynku, ale też coraz częściej pomp ciepła typu Split. Jednostka zewnętrzna montowana w pobliżu budynku na cokole lub na ścianie zewnętrznej wymagać będzie zaizolowanego i niekiedy dodatkowo ogrzewanego odpływu kondensatu. A ponieważ podczas procesu odmrażania parownika wyłączany jest wentylator (aby nie powodować wydłużania tego procesu) jasny staje się nakaz montażu jednostki zewnętrznej w miejscach, które nie są narażone na silne podmuchy wiatru.
Wentylator pompy ciepła typu powietrze-woda o mocy grzewczej znormalizowanej wg PN-EN14511 dla A2/W35 – np. około 9 kW, wymaga przepływu powietrza na poziomie ponad 4000 m3/h, a więc ponad 1 m3 na sekundę. Wymusza to sytuowanie w miejscach oddalonych od ciągów komunikacyjnych oraz roślinności źle znoszących niską temperaturę:

I jeszcze drobiazg – gdy pompa ciepła jest źle wypoziomowana, po zakończeniu procesu odmrażania parownika część skroplin może zostawać na dnie wanny kondensatu. Podczas pracy wentylatora skropliny te będą wyrzucane na zewnątrz, tworząc lokalne skupiska lodu.

Lokalizacja a poziom hałasu

Nie bez znaczenia jest także hałas generowany przez pracujące wentylatory pomp ciepła. Polskie przepisy określają precyzyjnie dopuszczalne wartości hałasu emitowanego do otoczenia. Właściciel nieruchomości zobligowany jest do pilnowania, aby na granicy jego działki poziom hałasu nie przekraczał wartości określonych w rozporządzeniu Ministra Środowiska w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku. W przypadku terenów z zabudową jednorodzinną jest to 50 dB w ciągu dnia oraz 40 dB nocą.
Pompa typu Split o wspomnianej wcześniej mocy znormalizowanej 9 kW charakteryzuje się mocą akustyczną w zakresie 60-65 dB (A). Moc akustyczna określa poziom hałasu w źródle, a więc wraz z oddalaniem się od źródła hałasu mamy do czynienia z mniejszymi jego wartościami, które są określane mianem ciśnienia akustycznego, wyrażanego w tych samych jednostkach, co moc akustyczna. Przy określaniu minimalnych odległości lokalizacji pompy od granicy działki bierze się pod uwagę także współczynnik kierunkowy Q, który uwzględnia przestrzenne warunki promieniowania przy źródle dźwięku (rys. 1 i tabela 1). Zależność jest w tym przypadku następująca:

rys. 1 DZC Pantera
1. Wraz ze wzrostem liczby pionowych powierzchni (np. ściany) w sąsiedztwie urządzenia generującego hałas wzrasta poziom ciśnienia dźwięku w stosunku do ustawienia urządzenia na otwartej przestrzeni. Przykładowo: a) ustawienie jednostki zewnętrznej pompy ciepła na otwartej przestrzeni – fale dźwiękowe rozchodzą się w kształcie półokręgu, współczynnik kierunkowy Q = 2; b) ustawienie przy ścianie zewnętrznej budynku – fale rozchodzą się w . przestrzeni, Q= 4; c) ustawienie przy ścianie zewnętrznej budynku we wnęce fasady – fale rozchodzą się w 1/8 przestrzeni, Q = 8

 

Tabela 1. Ustalenie poziomu ciśnienia dźwięku na podstawie poziomu mocy dźwięku
Odległość od źródła dźwięku w m
Współczynnik
kierunkowości Q
1 2 4 5 6 8 10 12 15

Poziom ciśnienia dźwięku Lp
w odniesieniu do poziomu mocy dźwięku Lw przy urządzeniu w dB (A)

2 -8 -14 -20 -22 -23,5 -26 -28 -29,5 -31,5
4 -5 -11 -17 -19 -20,5 -23 -25 -26,5 -28,5
8 -2 -8 -14 -16 -17,5 -20 -22 -23,5 -25,5

 

Ochrona przed hałasem: obliczanie odległości od pompy ciepła do granicy działki lub chronionego pomieszczenia

Przykładowo wybrana pompa ciepła ma moc 14 kW. Ustawienie urządzenia przy ścianie budynku skutkuje zaistnieniem współczynnika kierunkowego Q = 4.
Dom znajduje się na ogólnym terenie mieszkalnym, zgodnie z lokalnym planem zagospodarowania, gdzie dopuszczalna wartość imisji hałasu przy odbiorcy wynosi w dzień 50 dB (A), a w nocy 40 dB (A).

Moc dźwięku według karty danych:

Vitocal 350 A 14 kW

Poziom mocy dźwięku Lw:
– poziom wentylatora 1
– poziom wentylatora 2
– poziom wentylatora 3

 

56 dB (A)
57 dB (A)
59 dB (A)

W celu ustalenia minimalnej odległości pompy ciepła od granicy działki lub pomieszczenia wymagającego ochrony przed hałasem uwzględniany jest poziom mocy dźwięku przy poziomie pracy wentylatora 3 (59 dB (A)) przy ustawieniu urządzenia dla Q = 4.

Zmniejszenie poziomu ciśnienia dźwięku poprzez zmiany odległości (zgodnie z tabelą 1)

W dzień
Przy 2 m odległości poziom ciśnienia dźwięku zmniejsza się o 11 dB (A).
59 dB (A) – 11 dB (A) < 50 dB (A)
Pompa ciepła może zostać usytuowana w odległości 2 m od granicy działki lub pomieszczenia wymagającego ochrony przed hałasem.

W nocy
Przy 5 m odległości poziom ciśnienia dźwięku zmniejsza się o 19 dB (A).
59 dB (A) – 19 dB (A) = 40 dB (A)
Pompa ciepła może zostać usytuowana w odległości 5 m od granicy działki lub pomieszczenia wymagającego ochrony przed hałasem.

 

Autor: Dawid Pantera

Cykl warsztatów instalatora OZE to projekt edukacyjny przygotowywany we współpracy redakcji Polskiego Instalatora oraz Polskiej Korporacji Techniki SGGiK – z dużymi firmami z branży OZE, mającymi bogate doświadczenie projektowe, produkcyjne, montażowe i serwisowe. Kierujemy go do potencjalnych projektantów i wykonawców takich instalacji, a być może także docelowych użytkowników.
W ramach cyklu zaprezentowaliśmy już tematykę kolektorów słonecznych i małych instalacji fotowoltaicznych. Teraz, korzystając z wiedzy fachowców z Akademii Viessmann oraz PORT PC, kontynuujemy cykl o pompach ciepła.