Wybór dolnego źródła

(fot. Archiwum BD)

Instalacja grzewcza z pompą ciepła składa się z trzech zasadniczych części:

• 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. Nie pompa ciepła, lecz źródło dolne decyduje o jakości całego systemu grzewczego.

 

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.

Skąd energia cieplna?

Wiadomo, 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 różnica temperatur ΔT. W przypadku zastosowania ogrzewania podłogowego (jest to rozwiązanie zalecane) temperatura T2 wynosi ok. 30°C (ok. 300 K). 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 dolnym źródłem 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 roztworem glikolu, nazywanym zwyczajowo solanką. Może być poziomy (płaski lub spiralny), zakopany na głębokość ok. 1,5 m pod powierzchnią gruntu, lub pionowy w odwiertach o głębokości od 30 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 zajęcie 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 niewymagające 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).

Woda gruntowa – dwie studnie

To proste 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 i 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 3000–4000 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, 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.

 

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 oraz bardzo wysoka twardość.

 

Każdy producent może indywidualnie określić parametry graniczne dla swojego urządzenia. 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.

 

Pełny artykuł w PDF: Wybór dolnego źródła