czwartek, grudzień 14, 2017

 Najnowsze wydania

 EKO
Schowek02TRH
I&M 2/2017

PI 7/2017

001 Okladka PI07

001 Okladka IM02 2017

Zmiana wydawcy banner

Dolne źródła dla sprężarkowej pompy ciepła: dylematy wyboru i realizacji

poczatekBogata oferta rynkowa sprężarkowych pomp ciepła sprawia, że użytkownicy często mają problem z wyborem typu tego urządzenia – czy ma to być pompa powietrzna, czy gruntowa? I chyba słusznie, że taki dylemat się pojawia, gdyż wybór dolnego źródła ciepła wcale nie jest oczywisty. W artykule zwrócę uwagę na pewne problematyczne kwestie związane z wykorzystaniem poszczególnych rozwiązań w zakresie dolnych źródeł ciepła.

Sprężarkowa pompa ciepła jest urządzeniem umożliwiającym zmianę poziomu czynnika temperaturowego z niższego na wyższy. Do poprawnego jej działania niezbędne są dwa elementy składowe współzależne od siebie. Pierwszym jest energia elektryczna do napędu sprężarki, a drugim dolne źródło ciepła (DZC), którego kluczowym parametrem jest temperatura. Stabilna wartość temperatury DZC, możliwie najbardziej zbliżona do temperatury kondensacji czynnika chłodniczego, zapewnia, że wydatki energetyczne na napęd sprężarki są najniższe, co oznacza niskie koszy eksploatacji pompy ciepła.
Nasze rozważania dotyczące wyboru dolnego źródła ciepła ograniczmy jedynie do gospodarstw domowych, w których zwykle stosowane są sprężarkowe pompy ciepła o nominalnej mocy grzewczej 7-20 kW. Przy realizacji tego typu inwestycji do dyspozycji generalnie mamy dwa dolne źródła ciepła: powietrze atmosferyczne oraz ciepło gruntu, które jest pozyskiwane przez poziome lub pionowe (sondy gruntowe) wymienniki gruntowe, w których nośnikiem ciepła jest solanka (roztwór glikolu propylenowego). Ostatnio rzadko korzysta się z układu dwóch studni, w którym nośnikiem ciepła jest woda gruntowa.

Powietrze atmosferyczne jako DZC

Powietrze atmosferyczne było tak naprawdę pierwszym dolnym źródłem ciepła dla sprężarkowej pompy ciepła. Jak wiadomo, zasadniczymi wadami powietrza atmosferycznego jako DZC jest niska wartość ciepła właściwego, która wynosi 1005 J/kgK, oraz wahania temperatury, której średni gradient w ciągu roku w polskich warunkach klimatycznych to 40 K. W ostatnich latach nasz klimat nieco się jednak zmienił i ostatnie zimy – pod względem wartości temperatury zewnętrznej – przypominały raczej późną jesień lub wczesną wiosnę, co znacząco poprawiło warunki dla stosowania tzw. powietrznych pomp ciepła. Oczywiście, w sezonie zimowym występują dni z temperaturą powietrza atmosferycznego poniżej -10⁰C, ale zwykle jest to tylko kilka dni w ciągu całego sezonu.

Analizując obecnie średnie wartości temperatury powietrza atmosferycznego podczas sezonu grzewczego, można dojść do wniosku, że jest ono stabilnym źródłem ciepła, którego temperatura poniżej -7⁰C występuje tylko kilka dni w roku.

Inaczej wygląda sprawa dobowych gradientów w okresie jesiennym i wiosennym, gdy często temperatura powietrza waha się od 2⁰C w nocy do 10⁰C w ciągu dnia (rys. 1). Biorąc pod uwagę zmiany zapotrzebowania na ciepło budynku w ciągu doby, które rośnie przy spadku temperatury otoczenia, oraz bezwładność budynku, pompa ciepła pracować będzie częściej w okresie niższej temperatury otoczenia z koniecznością wypracowania wyższej temperatury zasilania obiegu grzewczego (krzywa grzewcza), co będzie przekładać się na wyższe rachunki za energię elektryczną zużytą do zasilania sprężarki.

wykresggws
Pionowe wymienniki ciepła jako DZC

Największą popularnością jako dolne źródła ciepła dla sprężarkowych pomp ciepła cieszą się w ostatnich latach pionowe wymienniki gruntowe (sondy gruntowe). Ich istotną zaletą jest stosunkowo mała powierzchnia działki niezbędna do wygospodarowania pod wymiennik. W ciągu minionej dekady zmienił się tylko trend w zakresie długości i liczbie wykonywanych odwiertów. Panująca pod koniec ubiegłego wieku tendencja do wykonywania kilku płytkich odwiertów (do 30 m) zastąpiona została nową: mało odwiertów, ale głębszych, przy czym nie głębiej niż 100 m. Jak sądzę – tendencja słuszna. Im głębiej sięgniemy, tym temperatura gruntu będzie bardziej stabilna.

Głębokość odwiertu „umownie” ograniczona do 100 m nie wynika z braku technicznych możliwości wykonania głębszego odwiertu, lecz ma związek z rosnącymi oporami przepływu solanki przez sondę wymiennika, co w rezultacie skutkowałoby koniecznością wymiany pompy obiegowej po stronie parownika na większą.

Większa stabilność temperatury w gruncie wcale nie oznacza, że podczas pracy pompy ciepła temperatura gruntu, a tym samym temperatura solanki w wymienniku, nie ulegnie obniżeniu. Często się zdarza, szczególnie w odniesieniu do nowo wybudowanych domów oddanych do użytkowania na jesieni, że pompa ciepła pracuje w bardzo długich cyklach, co uniemożliwia regenerację wymiennika gruntowego. Taka sytuacja może wystąpić nawet w przypadku poprawnie zaprojektowanego i wykonanego pionowego wymiennika. A poprawnie zaprojektować pionowy wymiennik gruntowy wcale nie jest łatwo.

Dopasowanie długości wymiennika. Problem z poprawnym zaprojektowaniem pionowego wymiennika polega na tym, że należałoby najpierw właściwie oszacować wartość współczynnika przewodności gruntu, który stanowi podstawę do obliczenia długości wymiennika. Tymczasem wartość współczynnika przewodności gruntu zazwyczaj ocenia się w sposób orientacyjny, wstępnie zakładając 40 W/m. Dokładną wartość tego współczynnika można określić dopiero po przeprowadzeniu testu reakcji termicznej gruntu dla pierwszego wykonanego odwiertu. Taki test robiony jest zazwyczaj odpłatnie i dodatkowo zwiększa koszt wykonania wymiennika.
Czym skutkuje przewymiarowanie pionowego wymiennika gruntowego? Z jednej strony zwiększa to oczywiście stabilność temperatury dolnego źródła, ale z drugiej podnosi koszt jego wykonania oraz zwiększa opory przepływu solanki przez wymiennik, co może skutkować koniecznością wymiany pompy obiegowej parownika na większą. Z kolei niedoszacowanie wymiennika obniży koszt jego wykonania, ale wpłynie też na obniżenie temperatury w gruncie. W takim przypadku, przy długotrwałej pracy pompy ciepła, może dojść do trwałego obniżenia temperatury gruntu.

Wypełnienie odwiertu. Istotnym czynnikiem wpływającym na temperaturę wymiennika gruntowego jest prawidłowe jego wykonanie, a ściślej mówiąc: dokładne wypełnienie odwiertu zaprawą cementową. Prawidłowo wykonane wypełnienie eliminuje pozostałości płuczki w odwiercie i poprawia przewodność między gruntem a sondą. Ponadto jest to swoisty „korek” zabezpieczający przed mieszaniem się wody z poszczególnych warstw wodonośnych.

Poziome wymienniki gruntowe jako DZC

Zasadniczą wadą poziomych wymienników gruntowych jest znacząca powierzchnia działki, jaką trzeba wygospodarować, aby wykonać wymiennik umożliwiający stabilizację temperatury solanki będącej medium pośredniczącym w procesie wymiany ciepła między gruntem a parownikiem pompy ciepła. Duże wymiary wymiennika wynikają z małej głębokości jego posadowienia – tylko około 1,5 m poniżej poziomu gruntu (poniżej strefy przemarzania). Na tak niewielkiej głębokości znaczący wpływ na temperaturę gruntu ma temperatura powietrza atmosferycznego, co oznacza, że temperatura gruntu, nawet poniżej strefy przemarzania, zmienia się pod wpływem zmian temperatury otoczenia. Oczywiście, wpływ ten zależy od właściwości termofizycznych gruntu i ma on bezpośrednie przełożenie na wielkość wymiennika, gdyż średnio zakłada się, iż z jednego metra kwadratowego można uzyskać 10-35 W.
Decydując się na wymiennik poziomy, należy pamiętać, że na powierzchni, którą zajmuje, można jedynie założyć i pielęgnować trawnik.
system grzewczy
Nie powinno się sadzić krzewów i drzew, gdyż system korzeniowy mógłby uszkodzić wymiennik. Zaletą tego rozwiązania jest natomiast fakt, że instalator – tak samo jak inwestor – dokładnie widzi, w jaki sposób wykonany jest wymiennik. Takiej możliwości nie ma w przypadku wymiennika pionowego. W porównaniu z wymiennikiem pionowym koszt wykonania wymiennika poziomego jest niższy.

Układ dwóch studni jako DZC

Układ dwóch studni – obecnie to chyba rzadkość, gdyż takie rozwiązanie napiętnowane jest największą liczbą znaków zapytania. Na początku tego wieku dolne źródło ciepła w postaci układu dwóch studni było preferowane i polecane przez większość instalatorów raczkującego wówczas rynku pomp ciepła. Polecane było użytkownikom, którzy dysponowali działką o niewielkiej powierzchni. Rozwiązanie było rzeczywiście wygodne. Wystarczyło wykonać dwa odwierty: jeden ssący, drugi tłoczący, jedynie na głębokość pierwszej warstwy wód gruntowych. Odwierty mogły być rozmieszczone w skrajnych końcach działki. Z odwiertu ssącego woda gruntowa, o stałej temperaturze, była zasysana i przetłaczana przez parownik, a następnie schłodzona – była wtłaczana przez odwiert tłoczący do ziemi. Wydawało by się, że rozwiązanie dolnego źródła w postaci układu dwóch studni jest najprostsze i najtańsze pod względem wykonania. Jednakże, biorąc pod uwagę inne czynniki mające wpływ na eksploatację pompy ciepła i całego systemu, wcale tak być nie musi.

Wybór typu pompy ciepła zależy od warunków lokalnych. Generalnie, przy doposażaniu istniejącej instalacji w pompę ciepła sprawdzają się powietrzne pompy ciepła. W nowych instalacjach należy rozważyć głównie aspekt finansowy, czyli koszt zakupu i montażu urządzeń.

Parametry wody gruntowej i gruntu. Pierwszym czynnikiem nasuwającym pewne wątpliwości są parametry wody gruntowej, będącej nośnikiem ciepła. Jeśli parametry wody gruntowej przekraczają wartości graniczne parametrów materiału, z jakiego zbudowany jest parownik, należy zastosować dodatkowy, płytowy wymiennik ciepła, będący separatorem między parownikiem a wodą gruntową. W obiegu pośrednim – jako medium – należy zastosować solankę. To rozwiązanie, ze względu na straty w procesie wymiany ciepła, wymaga dostarczenia większej mocy chłodniczej z dolnego źródła, co w rezultacie powoduje obniżenie wartości współczynnika COP.
Ponadto, jeśli kierunek przepływu wód gruntowych jest przeciwny do kierunku ssania i wtłaczania wody gruntowej, wówczas schłodzona woda, która przeszła przez parownik i została wtłoczona do gruntu, ponownie zostanie zassana przez otwór ssący, w rezultacie czego temperatura dolnego źródła przy długotrwałych cyklach pracy pompy ciepła będzie się obniżać.
Trzecim, bardzo ważnym niuansem takiego rozwiązania jest typ gleby, w której wykonywana jest instalacja. O ile zassać wodę z odwiertu ssącego jest łatwo, o tyle zatłoczyć ją z powrotem do gruntu w przypadku gleb zwięzłych, np. gliny, wcale nie jest łatwo.
Tak więc tylko w teorii rozwiązanie to wydaje się najbardziej ekonomiczne i zapewniające największą stabilność temperatury dolnego źródła. W praktyce natomiast – ze względu na wspomniane niuanse – jest obecnie bardzo rzadko stosowane lub prawie nigdy.

sggw
Jakie DZC dla pompy ciepła?

Jaką zatem wybrać pompę ciepła: powietrzną, czy gruntową? A jeśli gruntową, to w jaki sposób zrealizować dolne źródło ciepła? Opinii na ten temat wyrażanych w literaturze branżowej i internecie jest wiele. – Myślę, że w przypadku istniejącej instalacji, którą mielibyśmy rozbudować, tworząc tzw. hybrydowy system zasilania i dodając do już zamontowanego źródła ciepła (kotła gazowego czy olejowego) pompę ciepła, warto zdecydować się na powietrzną pompę ciepła. Po pierwsze na już zagospodarowanej działce nie trzeba wtedy przeprowadzać żadnych robót ziemnych związanych z wykonaniem wymiennika gruntowego. Po drugie, nawet w przypadku niskiej temperatury powietrza (poniżej temperatury biwalentnej), pompa ciepła, pełniąca priorytetową funkcję w takim systemie, w zależności od możliwego trybu eksploatacji (alternatywny lub równoległy), będzie wspomagana przez stabilne źródło ciepła bazujące na konwencjonalnym nośniku energii. Ponadto powietrzne pompy ciepła często wykonywane są jako rewersyjne, co umożliwia aktywne chłodzenie budynku latem. Rewersyjne pompy gruntowe spotykane są na rynku nader rzadko.
W przypadku nowej instalacji należy rozważać głównie aspekt finansowy, czyli koszt zakupu i montażu urządzeń. Przy wyborze pompy gruntowej jest to koszt wykonania wymiennika, a przy wyborze pompy powietrznej – koszt wykonania ścieżki chłodniczej. Należy pamiętać, że przy poprawnie zaprojektowanym i wykonanym wymienniku gruntowym, gruntowe pompy ciepła pracują jako urządzenia autonomiczne, czyli nie wymagają dodatkowego źródła ciepła. Pompy powietrzne zawsze mają wbudowaną nagrzewnicę przepływową zasilaną energią elektryczną i załączaną w przypadku, gdy temperatura powietrza spadnie poniżej temperatury biwalentnej, której wartość przyjmowana jest zazwyczaj na poziomie -5⁰C.


wip ssg

Autor: dr. hab. inż. Paweł Obstawski

homeWyszukiwarka

homeNewsletter

Repowermap

homeTagi

homeReklama

UWAGA! Ten serwis używa cookies i podobnych technologii.

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Czytaj więcej…

Zrozumiałem