System dwóch studni

W pompach ciepła typu woda/woda, dolnym źródłem ciepła jest woda gruntowa pobierana ze studni. Woda taka ma stabilną temperaturę w ciągu całego roku, która waha się pomiędzy 7-12 °C. Pobór ciepła odbywa się za pomocą pompy, która przepompowuje wodę z jednej studni (tzw. roboczej) do wymiennika ciepła, a następnie, po odebraniu ciepła, „zrzuca” ją do drugiej studni, tzw. chłonnej lub zrzutowej. Obie studnie muszą być w tym wypadku oddalone od siebie o minimum 15m, aby nie dopuścić do wpływu ochłodzonej wody zrzutowej, na temperaturę wody w studni roboczej.

Zalety rozwiązania:

  • stabilne źródło ciepła przez cały rok
  • stosunkowo niski koszt inwestycyjny
  • duża wydajność i pojemność cieplna wody

Wady:

  • konieczne warunki gruntowo-wodne na działce (płytkie położenie warstwy wodonośnej)
  • wymagania odnośnie pozwolenia wodno-prawnego w przypadku studni o większej głębokości niż 30m i poborze wody większym niż 5m3/dobę,
  • problematyczne działanie przy dużym zasoleniu wody (szczególnie sole żelaza i manganu)

Rys. Schemat systemu dwóch studni.

Spróbujmy sie przyjrzeć bliżej wadom. Pozwolenie wodno-prawne wymagane jest dopiero przy głębokościach większych od 30m. Czy taka głębokość ma sens w przypadku pomp ciepła? Niekoniecznie. Im większa głębokość zalegania wód gruntowych, tym wyższe koszty pompowania wody. Ekonomiczne korzystanie z tego źródła ciepła ma sens do głębokości około 25m. Przy większych  opłacalność całej inwestycji drastycznie spada. Pamiętajmy też, że im głębsze ujęcie tym większe z reguły zasolenie wody. Wzrasta szczególnie zawartość związków żelaza, które w wyniku obniżenia ciśnienia w studni zrzutowej wytracają sie z wody, powodując w dłuższym okresie czasu jej kolmatację. Z powodu żelaza większość firm oferujących to rozwiązanie wymaga w schemacie pośredniego wymiennika ciepła, aby woda z ujęcia nie przepływała bezpośrednio przez wymiennik pompy ciepła. Mamy w tym wypadku dwa osobne obiegi:

  • obieg dolnego źródła pomiędzy studnią a wymiennikiem pośrednim w którym krazy woda głębinowa
  • obieg pompy ciepła, pomiędzy wymiennikiem pośrednim, a parowaczem PC, w którym krąży na ogół roztwór glikolu.

Rys. Schemat pracy pompy ciepła z obiegiem pośrednim. (Vissmann)

Przy takim rozwiązaniu spada trochę współczynnik COP pompy, ale parowacz jest chroniony przed zarastaniem osadami.

Drugim czynnikiem wymagającym pozwolenia wodno-prawnego, jest wysokie dobowe zużycie wody, powyżej 5m3/dobę. Czy nasza pompa ciepła może przekraczać tę wartość? Jak to wyliczyć? Pytanie nie jest proste, ale spróbujmy przeprowadzić przynajmniej przybliżone wyliczenia. Według firmy Vissmann, dla prawidłowego działania w systemie woda/woda, przepływ minimalny przez pompę ciepła powinien wynosić 205 litrów wody na każdy 1kW mocy chłodniczej.

Przyjmijmy do wyliczeń pompę o mocy cieplnej 10kW i COP na poziomie 4. Dla takich parametrów moc chłodnicza wyniesie 7,5kW, czyli w przeliczeniu na wodę 7,5×205 = 1537,5 litra. Jest to zapotrzebowanie na jedną godzinę pracy. A jak długo pracuje dziennie pompa? Średnia ilość godzin pracy sprężarek w pompach ciepła waha się od 1400-1800 h/rok. W skrajnych przypadkach nie przekracza 2400h/rok. Przyjmijmy zatem wartość 1800h. Dzieląc ją przez 365 dni otrzymamy średnią ilość godzin pracy sprężarki na dobę.

1800:365 = 4,93 h. Zaokrąglimy to do 5 godzin. Jak widać, dla tej konkretnej pompy ciepła dobowe zużycie wody znacznie przekroczy 5m3 i wyniesie ponad 7,6 m3. 

Pozwolenie wodno-prawne raczej nas nie ominie. 

Na jaką różnicę temperatur powinien pracować wymiennik ciepła?

Woda gruntowa w ciągu całego roku ma stosunkowo niewielką, choć stałą temperaturę. W zimie przy płytkich ujęciach temperatura ta może spaść do 7°C, a nawet mniej. Przy projektowaniu pomp typu woda/woda należy więc zakładać maksymalne schłodzenie wody na wymienniku parowacza rzędu 3-4°C, większe wartości grożą już zamarzaniem wody w studni zrzutowej.

Rys. Zalecane parametry wody po stronie dolnego źródła. Stopień schłodzenia 4°C.

Czy koniecznie dwie studnie?

Zamiast dwóch studni (czerpalnej i zrzutowej) możemy też zastosować jedną z której woda jest pobierana i po oddaniu ciepła z powrotem odprowadzana osobnym przewodem. Możemy też zużytą wodę odprowadzać bezpośrednio do ścieków (rys.).

 Każde z powyższych rozwiązań ma swoje zalety i wady. Stosowanie jednej studni jest relatywnie tanie, ale może powodować jej szybkie wychłodzenie i przez to spadek sprawności pompy ciepła. Zrzut wody do kanału ściekowego ogranicza zasoby wody w warstwie wodonośnej i studnia po kilku latach eksploatacji może wyschnąć, a na pewno zmniejszy się jej wydajność. Zwracam też uwagę, że chociaż wody takie są „umownie czyste”, to zakład wodociągowy może żądać opłat za ich odprowadzanie do kanalizacji, z uwagi na bardzo duże ich ilości i zasolenie.