Dolne źródła ciepła

Dolne źródło ciepła w pompie ciepła ma za zadanie dostarczyć odpowiedniej ilości energii niezbędnej do odparowania czynnika krążącego w obiegu. Dolnym źródłem może być (rys. poniżej, autor: Agnieszka Sadłowska-Saręga ):

 

Źródło dostarczające ciepło niskotemperaturowe potrzebne do odparowania czynnika roboczego w parowaczu pompy ciepła powinno charakteryzować się następującymi cechami:

 dużą pojemnością cieplną,

 możliwie wysoką stałą temperaturą

 brakami zanieczyszczeń powodujących korozję elementów instalacji oraz powstawanie osadów,

 łatwą dostępnością i niskimi kosztami instalacji służącej do pozyskiwania i transportu ciepła.

Źródła ciepła wymienione powyżej mogą pracować w układach monowalentnych, jak jedyne źródło zasilania w ciepło układ parowacza, lub biwalentnych. To drugie rozwiązanie jest stosowane w przypadku, gdy jedno ze źródeł ma zbyt małą moc lub wykazuje duże wahania w czasie. Ogólnie można stwierdzić, że temperatura źródła i jej zmiany są istotną cechą wpływającą na współczynnik wydajności a źródła wyższa, tym większa jest sprawność pompy. Poniżej na kolejnym rys. przedstawione wpływ temperatury zewnętrznej na temperaturę źródła ciepła niskotemperaturowego.

Jak widać z rysunku, najbardziej stabilna temperaturę wykazuje ciepło wód gruntowych, największe wahania temperatur występują z kolei w powietrzu zewnętrznym.

(rys obok, autor: Agnieszka Sadłowska-Saręga )

  Powietrze atmosferyczne

Powietrze atmosferyczne jest najłatwiej dostępnym źródłem energii odnawialnej i dlatego jest one

często stosowane do zasilania parowaczy pomp o małej i średniej mocy przeznaczonych do ogrzewania budynków jednorodzinnych lub przygotowania c.w.u. Do niekorzystnych cech powietrza jako dolnego  źródła ciepła niskotemperaturowego należą małe wartości współczynników przejmowania ciepła, a zatem i współczynników przenikania ciepła w parowaczach pomp ciepła oraz duża zmienność temperatur powietrza w przekroju dobowym i sezonowym. Średnia wartość współczynników przenikania ciepła w wężownicowych, ożebrowanych parowaczach freonowych pomp ciepła wynosi 35 ÷ 50 W·m2·K^-1. W przypadku ograniczonej możliwości powiększania pola powierzchni wymiany ciepła, a zatem i wymiarów parowacza, gęstość wymienianej mocy cieplnej zwiększana jest przez obniżenie temperatury parowania czynnika roboczego. Powoduje to z kolei zwiększenie koniecznego spiętrzenia temperatury czynnika roboczego (różnica między temperaturą skraplania i parowania),

a tym samym zmniejszenie współczynnika wydajności grzejnej pompy ciepła. Kolejną niekorzystną cechą jest powstawanie szronu na powierzchni parowacza w warunkach, gdy jej temperatura jest niższa niż 0°C. Warstwa szronu stanowi nie tylko dodatkowy opór cieplny, lecz w skrajnych warunkach może całkowicie uniemożliwić przepływ powietrza przez parowacz.

Aby zapobiec temu zjawisku stosowane są urządzenia do odszraniania parowacza. Parowacz może być okresowo odszraniany za pomocą gorącej pary czynnika roboczego tłoczonego do parowacza zamiast do skraplacza, za pomocą elektrycznej nagrzewnicy powietrza lub powietrza zewnętrznego podczas postoju pompy ciepła. Najczęściej proces odszraniania sterowany jest automatycznie. Powietrze ma również małą pojemność cieplną, co jest to przyczyną przetłaczania przez parowacz

dużego strumienia masy powietrza i związanego z tym dodatkowego zużycia energii do napędu wentylatora. Wtórnym skutkiem tej cechy jest zwiększenie poziomu hałasu towarzyszącego pracy pompy ciepła. Obniżenie temperatury powietrza zewnętrznego powoduje zwiększenie zapotrzebowania na moc cieplną do ogrzewania pomieszczeń. Występują zatem dwa przeciwstawne zjawiska: moc grzejna pompy ciepła zmniejsza się w warunkach, gdy rośnie zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania. Aby ograniczyć wpływ tego zjawiska w systemach ogrzewczych stosowane są dodatkowe źródła ciepła

(układy biwalentne). Powietrze zewnętrzne jako źródło ciepła niskotemperaturowego dla parowacza pompy ciepła charakteryzuje się następującymi właściwościami:

 użyteczny przedział temperatury 4 ÷ 15°C (produkowane są pompy ciepła przystosowane do eksploatacji przy temp. powietrza zewnętrznego do -15°C, lecz praca ich w tych warunkach nie jest ekonomiczna);

 spadek temperatury w parowaczu 4 ÷ 6 K;

 jednostkowa ilość uzyskiwanego ciepła 1,4 ÷ 2,2 Wh·m^-3.

 
  Woda powierzchniowa
 

Wody powierzchniowe (cieki lub wody stojące – stawy, jeziora) są najczęściej zasysane przez pompę i tłoczone przez parowacz pompy ciepła. Strumień masy przetłaczanej wody jest stosunkowo duży z powodu niewielkiego spadku temperatury wody wynoszącego 4 ÷ 5 K, a jednostkowa ilość uzyskiwanego ciepła 4500 ÷ 5900 Wh·m^-3. Wody powierzchniowe mogą być źródłem ciepła niskotemperaturowego w instalacjach pomp ciepła o średniej i dużej mocy. W  stosunku do wód gruntowych i termalnych koszty inwestycyjne i eksploatacyjne przy wykorzystaniu wód powierzchniowych są wyraźnie niższe. Jest to właściwie koszt ułożenia na dnie zbiornika i właściwego zamocowania wymiennika ciepła. Koszty eksploatacyjne to energia na napęd pomp obiegowych. Wody powierzchniowe są bardzo dobrym akumulatorem energii słonecznej. Niestety duże wahania temperatur w sezonie grzewczym (od 0 do 15ºC) mają niekorzystny wpływ na roczny współczynnik efektywności COP, ponieważ najniższa temperatura wody zbiega się z maksymalnym zapotrzebowaniem na ciepło dla obiektu. Zdarzają się też oblodzenia powierzchni wymiennika przy temperaturach bliskich 0ºC. Rysunek obok przedstawia wahania temperatury wody powierzchniowej w sezonie letnim i zimowym w zależności od głębokości. W obliczeniach projektowych przyjmuje się temperaturę wody 4ºC, gdyż woda o tej temperaturze ma największą gęstość, a więc znajduje się na samym dnie zbiornika. Z uwagi na fakt oblodzenia wymiennika ciepła, można wodę wychładzać do temperatury o 1ºC wyższą od temperatury zamarzania. Zimą współczynnik wydajności grzejnej pompy ciepła wykorzystującej wody powierzchniowe jako dolne źródło ciepła, może spaść poniżej 3,0. Przyjmując tą teorię za słuszną, czynnik pobierający ciepło można podgrzać (teoretycznie) do temperatury wody panującej na zewnątrz przewodów tj. 4ºC. Praktycznie przyrosty temperatury czynnika pobierającego ciepło mogą wynieść ok. 2K. Odbiór ciepła zawartego w wodach powierzchniowych może być realizowany w wymiennikach zasilanych pompą lub wymiennikach ciepła zanurzonych bezpośrednio w wodzie (stawie, jeziorze, rzece). W tym drugim przypadku stosuje się wymienniki wężownicowe (kolektory) lub płytowe. Kolektory układa się podobnie jak w gruncie z rur PE DN40 PN10. Tego typu źródło wymaga odpowiedniej głębokości (powyżej 3m) celem uzyskania temperatury zasilania na wystarczająco wysokim poziomie. Wymienniki płytowe umieszcza się w specjalnym kanale zapewniającym odpowiedni przepływ wody

Rys. Ujęcie wody powierzchniowej.

  Wody gruntowe

Wody gruntowe o stałej średniorocznej temperaturze 5 ÷ 12°C stanowią szczególnie dogodne źródło ciepła niskotemperaturowego. Woda czerpana ze studni płytkich ochładzana jest w parowaczu o 4 ÷ 5K  i za pośrednictwem studni chłonnych (zrzutowych) odprowadzana ponownie do gruntu.

Studnie czerpalna i chłonna powinny być oddalone od siebie o min. 15 m w zależności od własności gruntu i poziomu wody gruntowej. Jednostkowa ilość ciepła uzyskiwana w parowaczu zasilanym wodą gruntową wynosi 4500 ÷ 5900 Wh·m^-3, a zatem z 1 m3 wody można w skraplaczu uzyskać 6,8 ÷ 9,0 kWh (przy współczynniku wydajności grzejnej COP =3). Schematy ujęć wód podziemnych pokazano na rys. , przy czym wody te mogą być tłoczone bezpośrednio do parowacza pompy ciepła, a gdy stopień ich mineralizacji jest wysoki (np. duże zasolenie), to stosowany jest pośredni wymiennik ciepła.

 Rys. Schematy ujęć wód gruntowych (rys. Agnieszka Sadłowska-Sałęga)

Strumień objętości wody gruntowej zasilającej parowacz pompy ciepła (konieczną wydajność studni) oblicza się ze wzoru:

gdzie:

Qo – moc cieplna pobierana z dolnego źródła, [kW],

c_p – ciepło właściwe wody, [kJ/kgxK],

ΔT – spadek temperatury wody w parowaczu (ΔT = 4 ÷ 5 K), [K],
ρ – gęstość wody, [kg·m^-3].

W przypadku studni głębokich nie powinno dopuszczać się do swobodnego spływu wody powrotnej, gdyż powoduje to wydzielanie się dwutlenku węgla i tworzenie węglanu wapnia na ściankach studni. Najczęściej spotykane problemy eksploatacyjne to: narastanie szlamu na ściankach studni, wytrącanie się żelaza, zanieczyszczenia biologiczne, ograniczenie dopływu świeżej wody, zamulenie (kolmatacja) oraz uszkodzenie obramowania studni. Niektóre studnie wymagają czyszczenia roztworem kwasu solnego, np. studnie aluwialne wymagają konserwacji co 2 do 5 lat.

  Grunt

Grunt jest dobrym akumulatorem ciepła, które pochodzi z pochłaniania energii słonecznej, wymiany ciepła między gruntem a otoczeniem oraz opadów deszczu. W głębszych warstwach ziemi, poniżej 20 m zakumulowana jest również energia pochodząca z gorącego wnętrza Ziemi. Na głębokościach od 5÷10 m w zależności od strefy klimatycznej (w Polsce ok. 10 m) temperatura gruntu jest stała i równa średniorocznej temperaturze powietrza w danej strefie (dla miasta Poznania ~11,5 ºC). W górnych warstwach gruntu (<10 m) temperatura zmienia się odpowiednio do zmian temperatury powietrza. W gruncie występuje przesunięcie w fazie przebiegu zmian temperatur powietrza i gruntu. Jest ono tym większe, im większa jest głębokość warstwy. Jest to zjawisko korzystne z punktu widzenia wykorzystania gruntu jako źródło ciepła do ogrzewania, ponieważ w okresie największego zapotrzebowania na ciepło (październik – marzec) temperatura nienaruszonego gruntu jest wyższa od temperatury powietrza. Przebieg zmian temperatury gruntu w zależności od głębokości, zależy głównie od rodzaju i właściwości fizycznych gruntu tzn. współczynnika przewodzenia ciepła, ciepła właściwego oraz wilgotności. Temperatura wierzchnich warstw gruntu zależna jest także od jego struktury, nasiąkliwości i natężenia opadów w danej strefie klimatycznej, dlatego dobór gruntu jako dolnego źródła ciepła winien być analizowany indywidualnie dla danego obszaru. Ciepło zakumulowane w gruncie może być przekazywane do nośników za pomocą pionowych i poziomych wymienników ciepła. Energia ta jest przekazywana w sposób bezpośredni, gdy czynnik chłodniczy odparowuje w rurkach ułożonych w gruncie (wiąże się to z dużymi kosztami czynnika chłodniczego) lub w sposób pośredni, gdy czynnik odparowuje w wymienniku (parowniku) pompy ciepła. W drugim przypadku nośnikami ciepła mogą być wówczas woda, solanka lub wodne roztwory glikolu propylenowego lub etylenowego o niskiej temperaturze krzepnięcia. Przyrost temperatury nośnika ciepła w gruncie wynosi ok.3 – 5 K. Zarówno położenie kolektora jak i jego kształt mają znaczący wpływ na proces wymiany ciepła.

Gruntowe kolektory pionowe

Gruntowe kolektory pionowe umieszcza się w pionowych wywierconych otworach o głębokości od 20 do 100 m, z tym, że w jednym odwiercie może być umieszczony pakiet rur. Są to przeważnie rury wykonane z tworzywa sztucznego np. PE, PB lub dla gruntów piaszczystych i żwirowych, rury stalowe. Odległości pomiędzy poszczególnymi sondami powinny wynosić ok. 5÷6 m. Najczęściej zalecane są głębokości odwiertu wynoszące co najmniej 80 m. Pierwsze 5m warstwy gruntu w okres ie zimy należy traktować jako stratę energetyczną. Średnia temperatura zasilania pompy ciepła w okresie sezonu grzewczego wynosi ok. 6ºC. Z uwagi na to, że temperatura gruntu do 5 m głębokości nie przekracza 6ºC następuje strata energii. Kolejne 10 m jest regionem neutralnym. Wówczas temperatury zasilania pompy ciepła i gruntu są na podobnym poziomie, nie następuje zatem wymiana ciepła. Przyjmuje się, że od ok 14m następuje pobór ciepła. Ograniczeniem głębokości dla odwiertów na poziomie 125m nie są ograniczenia techniczne, a raczej fakt, iż dla stosowanych rur PE oporu przepływu znacznie

wzrastają dla długości powyżej 250mb (125×2). Wiercenie głębiej okupione byłoby nadmiernym zużyciem energii elektrycznej pomp obiegowych. Należy też wspomnieć, że tak głębokie wiercenia wymagają specjalnych pozwoleń. 

Gruntowe kolektory poziome

Gruntowe kolektory poziome wymagają zapewnienia odpowiedniej powierzchni, aby przy jednostkowej wydajności cieplnej gruntu zapewnić odpowiednią ilość ciepła na odparowanie czynnika chłodniczego w parowniku pompy ciepła. Kolektory wykonuje się w różnych konfiguracjach: jako układy płaskie: szeregowe, wężownicowe oraz spiralne. Wykonane są one przeważnie z rur tworzywa sztucznego PCV, PE, PP, PB o średnicach w zakresie 20÷40 mm, układanych na głębokości 1,2 do 2,2 m w odstępach 0,5÷1 m. W zasadzie rury powinny być układane ok. 30 cm poniżej warstwy przemarzania gruntu, jednak na tej głębokości występują jeszcze dość duże wahania temperatury gruntu. Uzyskiwane temperatury zasilania zimą wahają się w granicach 3-6 °C, a przyrost temperatury nośnika ciepła ok. 3-4 K. W tym przypadku ze względów ekonomicznych temperatura zasilania układu nie powinna przekraczać 55°C. Odbiór ciepła już z 1m jest w okresie letnim w pełni zrekompensowany i nie powoduje zakłócenia wegetacji roślin powyżej wymiennika.  .

  Wymienniki spiralne stanowią zwinięte w kształt spirali rury polietylenowe, umieszczone na podobnej głębokości co kolektory wężownicowe, w wykopach o szerokości 0,8÷1 m i długości do 18 m, oddalonych od siebie o ok.5 m (w osi). Całkowita długość rur kolektora znajdującego się w wykopie 15 m wynosi ok. 125 m. Ocenia się, że zastosowanie wymiennika spiralnego redukuje o 1/3 długość wykopu w porównaniu do wymiennika wężownicowego o tej samej wydajności.

  Ciepło odpadowe ze ścieków

W budownictwie mieszkaniowym istnieje teoretyczna możliwość odzyskania części ciepła odprowadzanego z mieszkania w postaci zużytego powietrza wentylacyjnego i ścieków. Jednak wykorzystanie tego ciepła wymaga zmodyfikowania rozwiązań instalacji wentylacyjnych i wod.-kan. stosowanych w Polsce. W kraju, w budynkach jedno- i wielorodzinnych stosowana jest prawie wyłącznie grawitacyjna wentylacja wywiewna. Niewielkie i zmienne ciśnienie czynne w tego rodzaju wentylacji uniemożliwia w praktyce zastosowanie jakichkolwiek urządzeń do odzyskiwania ciepła z powietrza odpływającego

z pomieszczeń. Aby uzyskać możliwość odzyskiwania ciepła z powietrza wentylacyjnego, a równocześnie poprawić warunki mikroklimatu w pomieszczeniach, należałoby wprowadzić co najmniej mechaniczną wentylację wywiewną. Zasoby ciepła zawartego w powietrzu wentylacyjnym usuwanego z budynków wynoszą ok. 48 MJ·m^-3·rok^-1. Natomiast zasoby ciepła usuwanego z pomieszczeń w postaci ścieków, przy zużyciu c.w.u. ok. 80 dm³·M^-1·d^-1 wynoszą ok. 89 MJ·m^-3·rok^-1, przy czym wykorzystanie tych zasobów wymagałoby zmiany rozwiązań instalacji kanalizacyjnej, tj. oddzielenia pionów kanalizacji fekalnej od kanalizacji odprowadzające ścieki higieniczno – bytowe (wanna, umywalka, zlewozmywak itp.).