Źródło dolne w ogrzewaniu pompą ciepła

Pompa ciepła

(fot. CLIMA KOMFORT)

Instalacja grzewcza z pompą ciepła składa się z trzech zasadniczych części (rys. 1):

• źródła dolnego;
• węzła cieplnego, którego najważniejszym elementem jest pompa ciepła;
• źródła górnego.

Źródło górne grzeje pomieszczenia – to podłogówka, grzejniki lub jedno i drugie. Energię cieplną dostarcza do źródła górnego pompa ciepła. Jest to energia pobierana przez pompę ciepła z powietrza, wody lub gruntu za pomocą instalacji nazywanej źródłem dolnym. Fachowcy twierdzą, że nie pompa ciepła, lecz źródło dolne decyduje o jakości całego systemu grzewczego. Dużo w tym racji – pompa ciepła to w istocie sprężarka, której fizyczna zasada pracy jest zawsze taka sama. Jej możliwości i ograniczenia wynikają więc głównie z praw fizyki, niezależnych od starań konstruktora i producenta.

 

Każda pompa ciepła zawsze zrobi swoje – „przepompuje” ciepło ze źródła dolnego do górnego, jeśli tylko źródło dolne jest odpowiednio wydajne. Jeśli źródło dolne jest źle wybrane, źle zaprojektowane lub źle wykonane, nawet najlepsza pompa ciepła nic nie pomoże.

(rys. 1) Ogólny schemat systemu ogrzewania z pompą ciepła

Jest z czego wybierać

Wiemy już, że sprawność ogrzewania pompą ciepła, określana współczynnikiem COP jest tym większa, im mniejsza jest różnica temperatury ΔT między źródłem górnym (T2) a źródłem dolnym (T1) tj.
Jest to zależność intuicyjnie oczywista, gdyż pompowanie ciepła „pod górkę” tj. z materii chłodniejszej do cieplejszej, wymaga tym większej pracy im wyższa jest „górka”, czyli im większa jest różnica temperatur ΔT. W przypadku zastosowania ogrzewania podłogowego (jest to rozwiązanie zalecane) temperatura T₂ wynosi ok. 30°C (ok. 300 K).

(rys. 2) Klasyfikacja źródeł energii cieplnej pobieranej przez pompę ciepła

Najcieplejszym źródłem dolnym może być sztuczne źródło ciepła, takie jak ścieki, woda powrotna w systemach ciepłowniczych, inne ciecze, gazy lub powietrze ogrzewane w jakimś procesie technologicznym. Możliwości takich rozwiązań istnieją w przemyśle lub budownictwie komunalnym, natomiast bardzo rzadko zdarzają się w domach jednorodzinnych.

 

Pozostają nam źródła naturalne (odnawialne) wymienione na rys. 2 i przedstawione schematycznie na rys. 3. Najwyższą temperaturę ma woda gruntowa, ok. 10°C, niezależnie od głębokości i pory roku. Rozwiązanie z wodą gruntową jako dolne źródło jest więc bardzo korzystne pod względem sprawności (COP osiąga wartości 5÷6), niezbyt drogie inwestycyjnie, ale wymaga sprawdzenia parametrów wody, której zanieczyszczenia mogą powodować korozję wymiennika ciepła lub powstawanie osadów.

Kolektor gruntowy to kilkaset metrów zakopanej w ziemi rury napełnionej glikolem. Może być poziomy (płaski lub spiralny) zakopany na głębokość ok. 1,5 m pod powierzchnią gruntu lub pionowy w odwiertach o głębokości do 200 m.

Glikol krążący w kolektorze gruntowym ma zwykle temperaturę od -2 do +5°C, w pierwszym przybliżeniu przyjmuje się 0°C. Sprawność systemów z kolektorem gruntowym napełnionym glikolem jest nieco gorsza niż dla wody gruntowej (COP = 4 ÷ 5). Wyższe są koszty inwestycyjne, kłopotliwe jest zaangażowanie dużej powierzchni działki (dla kolektora poziomego), ale jest to rozwiązanie o wysokim stopniu niezawodności, gdyż układ zamknięty jest niewrażliwy na zanieczyszczenia czy ewentualne zmiany warunków hydrogeologicznych.

 

Najtańsze, bo nie wymagające żadnych prac inwestycyjnych jest wykorzystanie powietrza jako dolnego źródła. Największym mankamentem tego rozwiązania są sezonowe i pogodowe zmiany temperatury powietrza, przy czym najgorsze warunki są w zimie, kiedy pompa ciepła jest mocno eksploatowana, a jej sprawność spada w miarę obniżania się temperatury powietrza (dla T poniżej -10°C współczynnik COP wynosi zaledwie 2 ÷ 3). Jako dolne źródło może też być wykorzystane powietrze wewnątrz domu (5 ÷ 20°C), ale dotyczy to ograniczonych zastosowań pompy ciepła wyłącznie do wytwarzania c.w.u. lub do klimatyzacji (w roli rekuperatora).

		(rys. 3) Podstawowe rodzaje dolnego źródła

Woda gruntowa – dwie studnie

To najprostsze rozwiązanie. Grunt, a więc również woda gruntowa, na głębokości większej niż 6 m ma w zasadzie stałą temperaturę, która wynosi w Polsce ok. 10°C, niezależnie czy jest zima, czy lato (można się liczyć ze zmianami w przedziale 7 ÷ 12°C). Najtańszym inwestycyjnie sposobem pobierania ciepła z gruntu jest pompowanie wody z głębokości poniżej 6 m (oczywiście, lustro wody gruntowej może być na poziomie wyższym , np. 1 lub 2 m pod powierzchnią gruntu).

 

Budujemy dwie studnie – czerpalną do poboru wody, chłonną do odprowadzenia (zrzutu) wody schłodzonej, która wypływa z pompy ciepła. W typowych warunkach geologicznych, gdy woda jest czerpana z warstwy wodonośnej na głębokości 6 ÷ 15 m, koszt budowy takich dwóch studni wynosi ok. 2000 zł. Odległość pomiędzy studnią czerpalną i chłonną powinna być jak największa (co najmniej 15 m), żeby chłodna woda zrzucana nie mieszała się z wodą czerpaną, niekorzystnie obniżając jej temperaturę.

 

Obie studnie muszą korzystać z tej samej warstwy wodonośnej, przy czym studnia czerpalna powinna znajdować się przed chłonną względem kierunku przepływu wody w tej warstwie. Chodzi o to, by woda schłodzona nie wracała do studni czerpalnej.

 

Wydajność pompowania wody gruntowej powinna wynosić ok. 1,5 m³/h (szczegółowe obliczenia w ramce obok), do czego wystarcza pompa samozasysająca o mocy 200 W (jeśli lustro wody jest nie głębiej niż 6 m). Nie zawsze warunki gruntowo-wodne są korzystne dla tego rozwiązania.

 

Podstawowym przeciwwskazaniem może być głęboki poziom lustra wody gruntowej, co zmusza do stosowania droższych rozwiązań – pomp głębinowych i głębokich wierceń. Uwaga – na studnie głębsze niż 30 m wymagane jest pozwolenie wodnoprawne. Jest też drugi warunek (nie zawsze przestrzegany), że trzeba niezależnie od głębokości studni mieć pozwolenie wodnoprawne na czerpanie wody w ilości większej niż 15 m3/dobę.

 

Jest to warunek na ogół spełniany „na styk”, gdyż przy pompowaniu w tempie 1,5 m3/h oznacza maksymalnie 10 godzin pracy pompy wodnej na dobę.

 

Te graniczne parametry można odnieść do pompy ciepła o mocy 7 ÷ 8 kW. Dla pompy ciepła o większej mocy wydajność pompowania wody musi być większa niż 1,5 m3/h, zatem warunek czerpania wody w ilości większej niż 15 m3/dobę zostanie przekroczony i trzeba wystąpić o pozwolenie.

 

Uwaga. Każdy producent może indywidualnie określić parametry graniczne dla swojego urządzenia. Na przykład u niektórych producentów ograniczenia na żelazo i mangan wynoszą odpowiednio <0,2 mg/l oraz <0,1 mg/l – jak dla wody pitnej

Często wyrażane są obawy o niedługi czas życia studni – zarówno czerpalnej, której wydajność z czasem może się obniżyć, jak też zrzutowej, której chłonność może nie być wystarczająca po pewnym czasie. Jednak ewentualnej degradacji studni wierconej nie należy spodziewać się wcześniej niż po 15 ÷ 20 latach.

 

Jeśli już tak się stanie, to nie będzie wielkim problemem finansowym ani technicznym wywiercenie nowych studni, zatem tym ograniczeniem nie powinniśmy się nadmiernie przejmować. Innym kłopotem systemu woda-woda może być zła jakość wody – duża zawartość żelaza i manganu jak również bardzo wysoka twardość (tabela).

 

Do producenta pompy ciepła należy ocena, czy złe parametry jakościowe wody mogą istotnie wpłynąć na niszczenie lub złą pracę pompy ciepła. Groźne i, niestety, dość częste w naszych warunkach jest nadmierne zażelazienie wody. Żelazo nie jest szkodliwe dopóki się nie utleni. Osad tlenku żelaza może „zatkać” wymiennik, także studnię chłonną. Dlatego w przypadku mocno zażelazionej wody niezmiernie ważne jest, by cały układ od poboru wody w studni czerpalnej do zrzutu w studni chłonnej był szczelny i nie „nabierał” powietrza.

 

Niektórzy producenci oferują opcjonalnie parowniki w specjalnym wykonaniu, odpornym na korozyjne działanie wody o „złych” parametrach. Stosuje się też dodatkowy wymiennik ciepła odporny na „złą” wodę. W obiegu wtórnym takiego wymiennika, pośredniczącym między wodą ze studni a parownikiem pompy ciepła, krąży woda z 10% zawartością etylenu.

Kolektor poziomy płaski

Kolektor poziomy płaski wykonuje się z rur PE o średnicy 1 cala, układanych w wykopie o głębokości ok. 1,5 m, czyli poniżej strefy przemarzania, ale nie głębiej niż 2 m. Jest to zwykle kilka pętli, czyli odcinków rur o długości ok. 100 m (rys. 4). Podział rury kolektora przykładowej długości 500 m na pięć równoległych pętli długości 100 m ma na celu zmniejszenie oporów przepływu, aby pompa obiegowa wymuszająca przepływ glikolu nie musiała osiągać dużych mocy, zmniejszając tym samym efektywną sprawność systemu ogrzewania. Przy odstępach między rurami rzędu 0,5 ÷ 0,8 m z jednego m² gruntu z kolektorem otrzymuje się moc 10 ÷ 40 W, w zależności od rodzaju gleby. Gliniasty i wilgotny grunt oddaje więcej ciepła (30 ÷ 40 W), niż piaszczysty, suchy (10 ÷ 20 W).

(rys. 4) Przykładowy układ pętli kolektora poziomego

Stąd przy założeniu, że do ogrzewania domu potrzeba ok. 50 W na jeden metr kwadratowy powierzchni pomieszczeń, kolektor płaski powinien zajmować powierzchnię 1,5 do 5 razy większą niż powierzchnia domu. Zatem do tego rozwiązania niezbędna jest duża powierzchnia działki (np. ok. 600 m² dla domu o powierzchni ogrzewanych pomieszczeń ok. 150 m², jeśli grunt jest suchy i piaszczysty). Rury kolektora są wypełnione roztworem wodnym glikolu. Dawniej stosowano roztwór wodny soli (solankę).

 

Nazwa solanka zwyczajowo jest dalej używana, choć może odnosić się do glikolu. W parownikach pompy ciepła glikol oddaje ciepło ochładzając się o ok. 4 K. Średnia temperatura glikolu w kolektorze wynosi ok. 0°C, chociaż po słonecznym lecie może osiągnąć nawet +10°, a podczas srogiej zimy może wychłodzić się do kilku stopni poniżej zera. Trzeba pamiętać, że ciepło odbierane przez glikol z gruntu pochodzi głównie z promieni słonecznych – transport ciepła z głębszych warstw ziemi ku powierzchni jest zjawiskiem pomijalnie słabym.

 

Dlatego bardzo ważna jest możliwość pełnej regeneracji cieplnej gruntu w lecie, przed następnym sezonem grzewczym. Nie ma więc sensu zakopywanie kolektora na głębokościach większych niż 1,8 m, gdzie słabo dochodzi ciepło słoneczne. Nie wolno też utrudniać penetracji energii słonecznej przez np. zabetonowanie powierzchni gruntu nad kolektorem. Warto tu zauważyć, że energia słoneczna przenika do gruntu głównie z wodą deszczową.

 

Brak możliwości pełnej regeneracji cieplnej gruntu przez lato to ryzyko obniżenia temperatury glikolu w zimie poniżej granicznej wartości dla danej pompy, co spowoduje wyłączenie się pompy. Dlatego lepiej przewymiarować kolektor poziomy, czyli zaprojektować go z pewnym zapasem mocy. Moc kolektora płaskiego (jak każdego źródła dolnego) to moc pompy ciepła pomniejszona o moc sprężarki, czyli: P_kol = P_pc(1 – 1/COP) Na przykład dla pompy ciepła o mocy 8 kW i COP = 4 otrzymujemy Pkol = 6 kW, co przy gruncie o przeciętnych właściwościach cieplnych (22 W/m²) oznacza konieczność zajęcia powierzchni działki ok. 300 m².

Kolektor spiralny

(rys. 5) Przykładowy układ pętli kolektora spiralnego

Często twierdzi się, że jeśli powierzchnia działki nie pozwala na zainstalowanie kolektora płaskiego, to na znacznie mniejszej powierzchni można zainstalować kolektor spiralny, czyli ułożyć rury spiralnie w wykopie o szerokości co najmniej 80 cm (rys. 5).

 

Jednak jest to twierdzenie mylące – w istocie, kolektor spiralny wymaga niewiele mniejszej powierzchni działki, niż kolektor płaski, gdyż odległości między rowami nie powinny być mniejsze niż 3 m. Zaletą kolektora spiralnego jest to, że wykopanie kilku rowów o szerokości do 1m i długości do 20 m jest łatwiejsze niż zdjęcie niemal dwumetrowej warstwy gruntu z dużej powierzchni działki.

 

Warto tutaj przypomnieć, że źródłem ciepła jest grunt a nie rura, więc niezależnie od sposobu jej ułożenia (rzędami czy spiralnie) dla pobrania określonej ilości ciepła z gruntu wymagana jest określona powierzchnia „pracującego” gruntu. W praktyce powierzchnia pracy kolektora spiralnego jest o ok. 1/3 mniejsza niż kolektora płaskiego o identycznej mocy, natomiast powierzchnia prac gruntowych jest ponad pięciokrotnie mniejsza.

Kolektor pionowy

Najskuteczniejszym rozwiązaniem w przypadku ograniczonej ilości miejsca jest kolektor pionowy. Do odwiertów głębokości 30 ÷ 150 m (uwaga – konieczne jest zezwolenie) wkłada się sondy pionowe, czyli rury zgięte w kształcie litery U, w których krąży glikol.

 

Z 1 m odwiertu można uzyskiwać 30 ÷ 70 W energii cieplnej. Na przykład dla domu o powierzchni 200 m² potrzebną moc cieplną dolnego źródła (ok. 0,8 mocy pompy ciepła, czyli 0,8 x 200 m² x 50 W/m² = 8 kW) otrzymamy przy łącznej długości odwiertów ok. 160 m, czyli mogą to być 4 odwierty o głębokości 40 m każdy. Odległość między odwiertami nie powinna być mniejsza niż 5 m.

 

Kolektor pionowy, w porównaniu z kolektorem płaskim, ma same zalety:

• zajmuje niewielką powierzchnię działki
• glikol ma stabilną temperaturę w ciągu całego roku (3 ÷ 7°C).

Jest tylko jedna wada – wysoka cena. O ile kolektor poziomy dla domu 150 m² kosztuje ok. 5000 zł, to pionowy może kosztować ok. 10 000 zł, a zdarzają się oferty na poziomie powyżej 15 000 zł.

 

Ilość i długość sond głębinowych zależy od warunków geologicznych, dlatego często w trakcie wiercenia otworów wprowadza się korekty do wstępnego projektu. Na podstawie zdobywanych w trakcie wiercenia informacji o rzeczywistych warunkach geologicznych można zweryfikować długość sond.

Kolektor z bezpośrednim parowaniem

Popatrzmy na schemat systemu ogrzewania i wyobraźmy sobie, że prawą połowę obiegu termodynamicznego pompy ciepła od zaworu rozprężnego do sprężarki – wydłużamy o kilkaset metrów kolektora poziomego. To znaczy, że rezygnujemy z wymiennika ciepła między obiegiem glikolu w kolektorze poziomym a obiegiem pompy ciepła.

 

W takim wydłużonym obiegu termodynamicznym krąży specjalny czynnik (np. propan R 290 lub R 407C), który odparowuje w kolektorze, pobierając ciepło z gruntu. Rury kolektora wykonuje się z miedzi pokrytej warstwą PE. Wyeliminowanie wymiennika ciepła i pompy obiegowej (wymuszającej obieg cieczy w tradycyjnych kolektorach z glikolem) pozwala na zwiększenie sprawności COP o ok. 20%. Zasady układania nitek kolektora w gruncie są identyczne jak dla kolektora płaskiego z glikolem (rys. 6, 7). Czynnik roboczy nie traci swoich właściwości w funkcji czasu, a więc nie wymaga wymiany w całym okresie eksploatacji.

 

(rys. 6) Układanie pętli kolektora płaskiego		(rys. 7) Pompa ciepła pracująca na zewnątrz

Powietrze jako dolne źródło

Powietrze jest darmowym inwestycyjnie źródłem dolnym. Jest po prostu zasysane z zewnątrz lub wewnątrz budynku i po pobraniu z niego ciepła w parowniku, schłodzone jest odprowadzane kanałem odlotowym. Pobrane z powietrza ciepło może być przekazywane do wody krążącej w obiegu grzejnym podłogówki lub do powietrza wdmuchiwanego przez klimakonwektory. W naszym klimacie zastosowanie powietrza jako źródło dolne ciepła do ogrzewania domu jest mało efektywne. W zimie sprawność takiego systemu, przy ujemnych temperaturach na zewnątrz, spada do wartości 2-3, jednocześnie maleje też moc grzewcza i pomieszczenia mogą być niedogrzane.

 

Dlatego zwykle stosuje się tzw. system biwalentny, tj. poniżej pewnej granicznej temperatury zewnętrznej (np. -8°C) włącza się drugie urządzenie grzewcze – grzałka lub kocioł c.o. Od tego punktu pracy oba urządzenia grzewcze pracują równolegle. Przy dalszym spadku temperatury zewnętrznej o kolejne kilka st.C następuje wyłączenie pompy ciepła i całe obciążenie grzewcze przejmuje drugie urządzenie grzewcze (kocioł c.o.).

 

Powietrze jako źródło dolne ciepła doskonale się sprawdza w innych zastosowaniach – do wytwarzania c.w.u., do podgrzewania wody w basenie, do rekuperacji, czyli odzyskiwania ciepła z powietrza usuwanego z budynku. Różne aspekty tych zastosowań omówiliśmy szczegółowo w poprzednim artykule tego cyklu edukacyjnego ().

Słowo na zakończenie

(rys. 8) Wyniki sondy „Jakie źródło dolne wybrałeś?”

Nie jest lekko. Inwestor ma nad czym pomyśleć i przekalkulować, żeby dokonać słusznego wyboru źródła energii do ogrzewania swego domu. Nie ma jedynie słusznych rozwiązań. Najtaniej jest pobierać ciepło z powietrza. To inwestycja najtańsza i najłatwiejsza, bo pompę ciepła można umieścić na zewnątrz budynku (warto to wziąć pod uwagę, bo „przedmuchiwanie” powietrza musi trochę hałasować).

 

Jednak sprawność tego rozwiązania jest najmniejsza. Największą sprawność przy niewysokich kosztach inwestycyjnych osiąga się w systemie dwóch studni, ale łączy się to z pewnym stopniem ryzyka – a nuż studnia „wyschnie” lub się zamuli, albo zmienią się parametry wody.

 

Nie ma takich obaw w systemach z zamkniętym obiegiem glikolu, czyli w kolektorach płaskich lub pionowych. Ale to rozwiązanie drożej kosztuje, ma nieco mniejszą sprawność niż układ dwóch studni, albo wymaga zaangażowania sporej powierzchni działki. No cóż, wybór należy do Ciebie.

 

Mamy pewną wiedzę, jak wybierają inni. Zrobiliśmy sondaż wśród członków Klubu Budujących Dom. Jeden na trzydziestu zastosował już pompę ciepła w swoim domu. Jeden na trzech poważnie się nad tym zastanawia. Ci, którzy już się zdecydowali lub są blisko decyzji, odpowiedzieli nam również na pytanie o wybór rodzaju źródła dolnego. Wyniki pokazuje diagram (rys. 8).