Pompy ciepła. Rodzaje dolnych źródeł ciepła

Jakie dolne źródła ciepła wykorzystują pompy ciepła? Które z tych źródeł jest najbardziej efektywne? O wydajności pompy ciepła decyduje wiele czynników, ale jednym z ważniejszych jest właśnie dolne źródło ciepła.

Temperatura górnego źródła pomp ciepła określa efekt użyteczności pompy ciepła, z kolei nośnikiem ciepła (czynnikiem podgrzewanym) w tym źródle jest z reguły woda bądź powietrze. Dolne źródło, które dostarcza niskotemperaturową energię cieplną powinno charakteryzować się stałą temperaturą w ciągu roku, umożliwiającą ekonomiczny odzysk ciepła, oraz zdolnością odbudowy potencjału energetycznego w określonym czasie.

• Czytaj też: Instalacja pompy ciepła. Wymagania dla instalacji z pompą ciepła, koszty ogrzewania

Pompy ciepła - wybór dolnego źródła ciepła

Cechą charakterystyczną pomp ciepła jest to, iż temperatura dolnego źródła może być niższa od wymaganej temperatury czynnika grzewczego, co pozwala na wykorzystanie niskotemperaturowych źródeł energii, takich jak:

• powietrze (zewnętrzne lub wywiewane)
• wody powierzchniowe
• grunt
• wody gruntowe
• niskoparametrowe wody geotermalne
• ścieki.

W praktyce dostępność powyższych źródeł jest dość ograniczona, dlatego najczęściej można spotkać pompy ciepła z wymiennikiem powietrznym (wykorzystującym powietrze zewnętrzne) lub gruntowym (wykorzystujący ciepło zawarte w otaczającym gruncie). Wyboru odpowiedniego źródła ciepła należy dokonać, uwzględniając trzy podstawowe parametry charakteryzujące najefektywniejsze dolne źródło ciepła:

• duże zasoby ciepła – dolne źródło powinno się charakteryzować możliwie dużą pojemnością cieplną. Odbiór ciepła nie powinien zakłócać stanu równowagi cieplnej źródła, a zawarta w nim energia cieplna dostatecznie szybko uzupełniania,
• niski koszt inwestycyjny i eksploatacyjny – oprócz kosztów zakupu pompy ciepła na koszty inwestycyjne wpływają koszty podłączenia dolnego źródła. Koszty eksploatacji zależą w dużej mierze od okresu eksploatacji pompy ciepła, przeciętnej temperatury dolnego źródła i koniecznej temperatury zasilania obiegu grzewczego,
• możliwie wysoką i stałą temperaturą w czasie – temperatura dolnego źródła oraz jej zmiany mają kluczowe znaczenie dla efektywności pracy pompy ciepła. Im wyższa jest temperatura dolnego źródła, tym większa jest efektywność pracy pomp ciepła – co daje nam większą użyteczność uzyskanego ciepła na poziomie źródła górnego.

Podsumowując, efektywne dolne źródło ciepła powinno charakteryzować się możliwie wysoką temperaturą w ciągu roku, stabilnymi zmianami temperatury, bezawaryjnym funkcjonowaniem oraz niskimi kosztami eksploatacji.

Współczynnik efektywności pracy pompy ciepła

Podstawowym parametrem określającym efektywność pracy pompy ciepła jest współczynnik wydajności nazwany współczynnikiem efektywności energetycznej COP (Ceofficient of Performance), to stosunek wytworzonej energii cieplnej do zużycia energii napędowej niezbędnej do pracy pompy. Efektywność pompy jest tym wyższa, im mniejsza występuje różnica temperatury pomiędzy górnym a dolnym źródłem ciepła. Pompy ciepła pozyskują co najmniej 75% potrzebnej energii grzewczej ze środowiska naturalnego, natomiast pozostałe 25% stanowi energia elektryczna, z kolei mała różnica temperatur pomiędzy źródłami przekłada się na większe korzyści ekonomiczne, pozwalając na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej potrzebnej do napędu sprężarki.

• Czytaj też: Ogrzewanie pompą ciepła. Charakterystyka ogrzewania pompą ciepła

Najwyższym współczynnikiem efektywności COP, charakteryzują się pompy wykorzystujące wodę głębinową jako dolne źródło ciepła. Jest to korzystne rozwiązanie patrząc z punku widzenia średniorocznych temperatur dolnych źródeł ciepła, w Polsce wynoszą one od 8-10°C. Przykładowo średnia temperatura gruntu w zimie waha się w przedziale 0-5°C, a dla powietrza spada poniżej zera.

Powszechną metodą mająca na celu pokrycie 100% zapotrzebowania na ciepło w ciągu kilku najchłodniejszych dni w roku jest wykorzystywanie dodatkowego urządzenia grzewczego, do takich metod należą grzałka elektryczna zainstalowana w zbiorniku buforowym, kocioł c.o., kominek z płaszczem wodnym, rzadziej kolektory słoneczne.

Dolne źródło pompy ciepła: powietrze

Powietrze atmosferyczne jest najłatwiej dostępnym źródłem energii odnawialnej, dlatego użycie powietrza jako dolnego źródła dla pomp ciepła staje się coraz bardziej powszechne. Instalowanie powietrznych pomp ciepła jest mało kłopotliwe, co umożliwia zastosowanie tego typu instalacji w istniejących obiektach, bez znacznych przeróbek w instalacji grzewczej.

Intensywny przepływ powietrza przez parownik zapewnia fabrycznie zamontowany przy nim wentylator, z tego względu koszt instalacji całego systemu z pompą powietrzną jest wielokrotnie niższy niż ten, wykorzystujący pompę gruntową czy pompę wodną. Wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej, spada współczynnik efektywności COP. W praktyce oznacza to, że przy temperaturze poniżej -15°C (w zależności od producenta), wymagane jest zastosowanie układu biwalentego wykorzystującego dodatkowe źródło ciepła (np. kocioł c.o.).

• Czytaj też: Pompy ciepła powietrze woda

Jak działają pompy ciepła powietrze-woda?

Dolne źródło pompy ciepła: grunt

Na głębokości 10 m temperatura gruntu jest stała, równa średniorocznej temperaturze powietrza zewnętrznego, utrzymująca się w granicach 10-11°C. W głębszych warstwach, poniżej 20 m, akumulowana jest energia pochodząca zarówno od promieniowania słonecznego, jak i od wnętrza ziemi. Kolektor może być poziomy lub pionowy, o wyborze rozwiązana może decydować wielkość działki – do wykonania kolektora poziomego potrzeba kilkuset metrów kwadratowych, a na pionowe kolektory wystarczy kilkadziesiąt.

• Czytaj też: Pompa ciepła. Budowa i zasada działania pompy ciepła

Kolektor gruntowy poziomy wykonywany jest z rur polietylenowych (rzadziej polipropylenowych lub polibutylenowych), układanych na głębokości ok. 30 cm poniżej głębokości przemarzania gruntu, w postaci układów płaskich równoległych, wężownicowych czy spiralnych. O przydatności gruntu jako dolnego źródła ciepła decyduje także jego struktura oraz wilgotność (im większa tym, korzystniejsze warunki wymiany ciepła). Zaleca się by przed obliczeniem dolnego źródła ciepła, rozpoznany został rodzaj gruntu i średni współczynnik przewodności cieplnej, w którym zostaną położone kolektory.

Jednostkowa moc cieplna pobierana z gruntu w zależności od rodzaju (M. Rubik, 2006)

W przypadku kolektora gruntowego pionowego odcinki rur polietylenowych umieszczane są w odwiertach o głębokościach 20-100 m, połączone na dole U-kształtką. Odwierty do których wprowadzane są pionowe odcinki rur polietylenowych wykonywane są za pomocą wiertnicy mechanicznej, ich wykonaniem powinna zająć się doświadczona i specjalistyczna firma wiertnicza, a warunki wykonania odwiertów określa w sposób szczegółowy prawo geologiczne i górnicze.

Odstęp pomiędzy poszczególnymi odwiertami powinien wynosić 5 m, pod warunkiem że ich głębokość nie przekracza 50 m. Jeżeli odwierty są głębsze, odległość powinna wynosić powyżej 6 m aby zapobiec szybkiemu wychładzaniu się gruntu.

Koszty wykonania wymienników pionowych są wyższe od kosztów montażu kolektorów poziomych, a ich stosowanie jest uzasadnione wielkością powierzchni gruntu, którą się dysponuje. Należy jednak pamiętać że budowa kolektora pionowego musi być zgodna m.in. z przepisami Prawa budowlanego, ochrony środowiska i prawa górniczego.

Dolne źródło pompy ciepła: woda

Wody gruntowe o stałej średniorocznej temperaturze (5-12°C) stanowią szczególnie dogodne źródło ciepła. Wykorzystanie wód gruntowych jako dolnego źródła ciepła jest znacznie tańsze niż ma to miejsce przy zastosowaniu kolektora gruntowego poziomego czy pionowego.

Zasada działania pompy ciepła wykorzystującej jako dolne źródło ciepła wodę gruntową jest taka sama jak w przypadku kolektorów gruntowych, z tą różnicą że czynnikiem roboczym kierowanym do parownika pompy jest czerpana woda, a nie roztwór glikolu odbierający ciepło z gruntu w kolektorach poziomym, czy pionowym. W skład instalacji dolnego źródła opartej na wodzie gruntowej wchodzą studnia eksploatacyjna - którą woda wydobywana jest na powierzchnię terenu, oraz studnia chłonna - umożliwiająca jej powtórne zatłoczenie do warstwy wodonośnej. Studnia czerpana i zrzutowa powinna znajdować się w odległości 30-50 m, w zależności od właściwości gruntu i poziomu wody gruntowej.

Wykorzystywanie wody gruntowej jako dolnego źródła ciepła wiąże się z przestrzeganiem wymogów prawa geologicznego i górniczego, prawa wodnego (pozwolenie wodno-prawne) oraz przepisów ochrony środowiska. Dodatkowo eksploatacja wodnej pompy ciepła wymaga stałego nadzoru, pozwalając na stałą obserwację zmian dolnego źródła ciepła.