WODA GŁĘBINOWA – STUDNIA CZERPALNA (WODNA) I ZRZUTOWA
System ten wykorzystuje w zależności od zapotrzebowania na ciepło dwie lub więcej studni głębinowych – jedną studnię czerpalną, z której za pomocą pompy głębinowej pobierana jest woda o temperaturze 8-10OC oraz studnię zrzutową, do której odprowadzana jest schłodzona przez pompę ciepła do ok. 40OC woda i tam magazynowana. Odstępy pomiędzy studniami muszą wynosić kilkanaście metrów, by wody nie mieszały się. Największą zaletą tego systemu jest bardzo wysoki współczynnik sprawności COP dochodzący do 5. Niewątpliwą korzyścią jest również możliwość wykorzystania studni czerpalnej jako studni głębinowej do zaopatrywania w wodę domu, podlewania ogródka itp. Ten rodzaj wymiennika ciepła jest wydajny nawet przy ujemnych temperaturach powietrza w zimie, ponieważ dolne źródło wody zawsze będzie dodatnie. Pompy ciepła na wodę gruntową można instalować na bardzo małych działkach, bez konieczności znacznego zagospodarowania terenu. W tym celu wykonuje się odwiert do poziomu wód gruntowych, skąd czerpie się wodę do wymiennika ciepła. Woda opuszczająca wymiennik jest zrzucana z powrotem do gleby drugą studnią. Woda jest bardzo efektywnym źródłem ciepła dla pompy ciepła; pobierana ze studni charakteryzuje się stosunkowo wysoką temperaturą zazwyczaj utrzymującą się w granicach od 7 st.C do 12 st.C. Dzięki temu, że woda posiada wysoką temperaturę pompa ciepła uzyskuje większą moc, a co za tym idzie zwiększa się współczynnik COP oraz zmniejszają się koszty pracy pompy ciepła. Woda gruntowa nie może się znajdować poniżej 20 m pod powierzchnią ziemi i nie może być stojąca. Złoże wody gruntowej także nie może pochodzić z poziomu 1-1,5 m.
Z tym rodzajem dolnego źródła ciepła mogą współpracować wyłącznie pompy ciepła woda-woda.
Głębokość studni w praktyce nie przekracza 15 m. Spowodowane jest to zbyt wysokim kosztem podnoszenia wody z głębokości większej niż 15 m. Przeprowadzenie badań wydajności studni poboru oraz jakości wody gruntowej konieczne jest, gdy głębokość studni przekracza 30 m; na takie studnie według ustawy „Prawo wodne” wymagane jest pozwolenie wodnoprawne. Trzeba także brać pod uwagę dodatkowe koszty i problemy wynikające z zanieczyszczenia wody – konieczność jej filtrowania i wymiany korodujących elementów instalacji. Znaczna ilość energii jest potrzebna do przepompowywania wody, co także należy uwzględnić przy ocenie efektywności systemu. Ze względu na te czynniki oraz normę PN-EN 14511 stawiającą wysoką poprzeczkę co do minimalnej wartości współczynnika COP wynoszącą 5,10 dla tego rodzaju urządzeń producenci coraz częściej odchodzą od produkcji urządzeń tego typu.
WODY POWIERZCHNIOWE – WYKORZYSTANIE NATURALNYCH ZBIORNIKÓW WODNYCH I RZEK
Wody powierzchniowe: rzeki, jeziora, stawy, morza również mogą być źródłem ciepła niskotemperaturowego w instalacjach pomp. Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne przy wykorzystaniu tego rodzaju dolnego źródła są wyraźnie niższe w stosunku do wód gruntowych. Kolektor poziomy, wypełniony wodnym roztworem substancji niezamarzającej, rozkłada się wtedy na dnie zbiornika wodnego. Nawet w sytuacji, gdy zbiornik wodny zimą zamarza, nie jest to przeszkodą w pozyskiwaniu z niego energii cieplnej. 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 wymiennika przy temperaturach bliskich 0ºC. 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.
GLIKOLOWE (GRUNTOWE)
Kolektor gruntowy poziomy
Kolektor gruntowy poziomy jest najprostszą formą pozyskiwania ciepła z gruntu. Rozwiązanie to nie wymaga specjalistycznego sprzętu, ani stosownych pozwoleń. Jest on stosunkowo prosty w wykonaniu, wymaga jednak dość dużej powierzchni terenu pod jego budowę. Kolektor gruntowy poziomy wykonywany jest z rur polietylenowych, wypełnionych wodnym roztworem glikolu. Rury ułożone są 1,2 – 2m poniżej poziomu terenu w rozstawie 1m. Roztwór glikolu, którego przepływ wymuszany jest pompą obiegową dolnego źródła ciepła, ogrzewa się od gruntu i transportuje pobrane ciepło do pompy ciepła. W parowniku pompy ciepła następuje odebranie ciepła z roztworu glikolu (jego ochłodzenie). Teren przeznaczony pod budowę kolektora poziomego musi być wolny od zabudowy trwałej, drzew i większych krzewów. Kolektora nie wolno lokalizować pod budynkiem lub w jego pobliżu (nie bliżej niż 2 – 4m). Najbardziej pożądany jest grunt o charakterze wilgotnym, a najmniej korzystny jest piasek. Teren przeznaczony pod budowę kolektora nie może mieć zbyt dużego spadku, ponieważ może to uniemożliwić jego wykonanie. Po wykonaniu kolektora poziomego budowlę należy nanieść na mapę. Szacunkowo można przyjmować, że na 1kW wydajności ziębniczej pompy ciepła powinno przypadać 50-60 m kolektora poziomego. Z kolektorem gruntowym poziomym mogą współpracować wyłącznie pompy ciepła solanka-woda.
Ponieważ temperatura powietrza zewnętrznego zmienia się w ciągu roku, zmianie ulega także temperatura gruntu. Dlatego bliżej okresu wiosennego kolektor poziomy traci na wydajności przez duże wyziębienie podłoża.
Wykonanie kolektora gruntowego poziomego to relatywnie niski koszt inwestycyjny, jednak na głębokości 1,2-2 m, na której się go układa, występują dość duże wahania temperatury gruntu i jeżeli pętle kolektora będą zbyt blisko siebie ułożone, a ich długość źle zwymiarowana w stosunku do właściwości fizycznych gruntu, może nastąpić jego nadmierne wychłodzenie a nawet zamrożenie.
Odwiert pionowy
Znacznie lepszym rozwiązaniem w przypadku ograniczonej ilości miejsca jest kolektor pionowy. Do odwiertów głębokości 30 – 150 m 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, jest niezależny pogodowo – glikol ma stabilną temperaturę w ciągu całego roku (3 – 7°C), a także w minimalnym stopniu dewastuje teren. Wadą jest przede wszystkim wysoka cena wykonania instalacji, a także wymóg uzyskania stosownych pozwoleń na wykonanie odwiertów. 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.
Najnowsze badania nad tempem regeneracji gruntu wykazują, iż ma on bardzo dużą rezystancję termiczną (opór cieplny). Tempo regeneracji głęboko położonych warstw ziemi jest znacznie wolniejsze. W warstwach płytszych (do 30m) sezonowa regeneracja gruntu jest znacznie lepsza ze względu na promieniowanie słoneczne oraz opady atmosferyczne – podłoże zakumuluje znowu ciepło na następny sezon grzewczy. Na dużych głębokościach problemem staje się też ciśnienie glikolu wewnątrz sondy, które wzrasta o 0,1 bara na każdy metr głębokości sondy, tzn. że w 200-metrowym odwiercie na dole występuje 20 barów ciśnienia statycznego. Stawia to duże wymagania co do materiałów stosowanych do produkcji sond.
REHAU Sonda spiralna Helix PE-Xa
Sonda RAUGEO Helix PE-Xa to dolne źródło firmy REHAU, które wykorzystuje stałe temperatury panujące w głębi ziemi do skutecznego pozyskiwania energii. Sonda spiralna teleskopowa stosowana jest w instalacjach służących do transportu wody lub solanki jako nośnika ciepła w celu wykorzystania ciepła geotermalnego do chłodzenia, ogrzewania lub magazynowania ciepła. Stanowi optymalny wybór wszędzie tam, gdzie do dyspozycji jest działka o małej powierzchni niewystarczająca do montażu kolektora poziomego oraz gdzie wykluczone są odwierty pod sondy pionowe. Jest to zatem rozwiązanie pośrednie pomiędzy kolektorem poziomym, a odwiertem pionowym. Szczególną zaletą sondy RAUGEO Helix PE-Xa jest budowa teleskopowa, dzięki której można wydłużać sondę z 1,1 m do 3,0 m. Ponadto budowa taka umożliwia redukcję kosztów magazynowania i transportu. Specjalna taśma zapewnia określone, stałe odstępy między przewodami, a także odpowiednią średnicę sondy i tym samym zapewnia bardziej równomierny przepływ ciepła. W zależności od warunków podłoża i wody gruntowej możliwy jest odbiór ciepła z wydajnością nawet do 700 W na każdą sondę Helix. Ponieważ zasilanie i powrót stanowią jeden przewód rurowy, przy głowicy sondy nie ma połączeń narażonych na uszkodzenia. Do wiercenia otworów w zupełności wystarczają standardowe maszyny budowlane, do których montowany jest świder.
Odwiert ukośny
W 2009 roku na polskim rynku pojawiła się nowa, najbardziej zaawansowana na świecie technologia pozyskiwania ciepła z gruntu ziemi. Jest nią technologia GRD (Geothermal Radial Drilling) polegająca na tym, że sondy ziemne układane są promieniowo, skośnie w różnych kierunkach i pod różnym kątem. Ilość oraz długość odwiertów zależy od warunków architektonicznych i glebowych. Cała instalacja sond wykonywana jest przez jedną maszynę wiercącą GeoDRILL, która w gruncie instaluje sondy radialnie pod kątem 35 – 65° w warstwach regeneratywnych na głębokości od 10 do 30 metrów. System wiertniczy, składający się z jednostki transportującej ze stacją hydrauliczną i wiertnicy samojezdnej z pierścieniem (wieńcem), może być obsługiwany jedynie przez dwie osoby. Nowa technologia posiada wiele zalet:
• odwierty wykonywane są z jednej studni, dzięki czemu nie następuje duża ingerencja w środowisko naturalne (minimalna dewastacja terenu działki);
• jedna zwarta maszyna o małych gabarytach, która potrzebuje do pracy niewielkiej powierzchni; dzięki swojemu rozmiarowi bez problemu może dotrzeć do gęsto zabudowanych terenów i nie pozostawia po sobie widocznych śladów w podłożu;
• możliwe są odwierty w pomieszczeniach, np. w garażu, piwnicy (min. 2,7m wysokości)
• idealny system przy modernizacji systemu grzewczego;
• najbardziej energetyczne warstwy gleby zostają maksymalnie wykorzystane;
• istnieje możliwość wykorzystania tej technologii w każdych warunkach glebowych (skała, piaski…);
• sondy ziemne instalowane są szybko i ekonomicznie, dzięki czemu koszty wykonania instalacji zostają obniżone;
• trójwymiarowe wykrywanie poziomu wody podziemnej umożliwia maksymalne wydobycie ciepła z gruntu, dzięki czemu zostaje zoptymalizowana ilość i długość odwiertów.
Unikalne w odwiertach ukośnych jest stosowanie sond współśrodkowych (koaksjalnych), dzięki czemu zimny glikol z pompy nie ma kontaktu z gruntem, a zatem nie dochodzi do wymrażania okolic studzienki. Wiercenie odbywa się za pomocą dwóch żerdzi, zaś otwór po wierceniu wypełnia się certyfikowanym termocementem. Ciecz nośnika ciepła musi spełniać wymagania normy VDI 4640. W przeliczeniu na waty otrzymanej mocy jest to najbardziej ekonomiczna metoda wykonania dolnego źródła ciepła.
POWIETRZE ATMOSFERYCZNE
Najtańsze, bo niewymagające żadnych prac inwestycyjnych, a zarazem najmniej inwazyjne dla otoczenia jest wykorzystanie powietrza jako dolnego źródła. Jest ono po prostu zasysane z zewnątrz lub wewnątrz budynku i po pobraniu z niego ciepła w parowniku, schłodzone jest odprowadzane kanałem wyrzutowym. 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 dolnego źródła ciepła do ogrzewania domu jest mało efektywne. Największym mankamentem tego rozwiązania są sezonowe i pogodowe zmiany temperatury powietrza (wysoka zależność pogodowa) oraz jego mała koherentność, przy czym najgorsze warunki są w zimie, kiedy pompa ciepła jest mocno eksploatowana, a jej sprawność spada w miarę obniżania się temperatury powietrza (dla temp. poniżej -10°C współczynnik COP wynosi zaledwie 2 – 3). Powietrze atmosferyczne charakteryzuje się dużą zmiennością temperatur zarówno w okresie dobowym, jak i w całym okresie grzewczym. W zakresie temperatur ujemnych występują poważne problemy z oszranianiem urządzeń. 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).
Ponieważ przez wymiennik ciepła powietrze/woda przepływa stosunkowo duży strumień powietrza, należy przy rozmieszczaniu otworów wlotowych i wylotowych powietrza w budynku, a także przy ustawieniu pompy ciepła na zewnątrz brać pod uwagę powstające szumy.
CIEPŁO ODPADOWE
Jako dolne źródło ciepła możliwe jest także wykorzystanie wszelkiej energii z procesów technologicznych, czyli ciepła odpadowego.
Źródłem ciepła odpadowego możliwego do odzyskania są:
· podgrzane, wilgotne powietrze opuszczające suszarnie,
· schładzane produkty rolnicze (mleko, mięso, owoce, warzywa),
· powietrze wentylacyjne odprowadzane z obiektów, w których musi być zapewniona odpowiednia wilgotność (budynki inwentarskie, ogrodnicze obiekty pod osłonami),
· odchody zwierzęce w postaci stałej (obornik) oraz ciekłe (np. ze zbiornika na gnojowicę),
· piekarnie, kuchnie,
· ścieki z pensjonatów, domków letniskowych.
Odzyskane ciepło za pomocą pompy ciepła możemy wykorzystać do następujących celów:
· podgrzewanie wody technologicznej (woda do nawodnienia, woda wykorzystywana w procesach produkcyjnych),
· podgrzewanie i osuszanie powietrza w suszarniach,
· ogrzewanie powietrza wentylacyjnego doprowadzanego z zewnątrz do pomieszczeń produkcyjnych,
· bezpośrednie ogrzewanie obiektów produkcyjnych (np. szklarnie, tunele foliowe),
· procesy w przemyśle rolno – spożywczym.
Temperatura i potencjał ciepła odpadowego charakteryzują się wartością wynikającą z przebiegu procesu technologicznego i na ogół nie zależą one od pory roku. Temperatura tych źródeł jest stosunkowo wysoka i wynosi od 20 do nawet 80°C. Na uwagę zasługują szczególnie zakłady przemysłu spożywczego, takie jak: mięsne, mleczarskie, przetwórstwa owocowo-warzywnego, piwowarskie. Odpadowa energia cieplna występuje również w wielu procesach technologicznych w produkcji rolniczej, np. chłodzenie mleka.
W budownictwie mieszkalnym istnieje teoretyczna możliwość wykorzystania ciepła zużytego powietrza wentylacyjnego, którego temperatura waha się w granicach 20 – 25 °C. Wiąże się to jednak z koniecznością posiadania przez obiekt odpowiedniej instalacji, a w przypadku jej braku z kosztowną modyfikacją istniejącego systemu. W Polsce większość budynków posiada wentylację grawitacyjną wywiewną, w której ciśnienie czynne strumienia powietrza jest zbyt niskie, aby mogło być wykorzystane w urządzeniach odzyskujących energię. Odpowiednia do tego typu systemów jest wentylacja mechaniczna wywiewna, która jest coraz częściej stosowanym rozwiązaniem w budownictwie.
W przypadku rozważania ścieków bytowych, podobnie jak w przypadku systemów odzyskujących ciepło z powietrza wentylacyjnego, ich wykorzystanie wymaga odpowiedniej instalacji wodno-kanalizacyjnej, w której oddzielone byłyby piony kanalizacyjne odprowadzające poszczególne rodzaje ścieków.
Ścieki technologiczne, a więc najczęściej zużyta woda, wykorzystywana w rozmaitych procesach przemysłowych cechują się temperaturami z przedziału około 25 – 60 °C. Są one efektem ubocznym tych procesów, a więc ich wykorzystanie zazwyczaj nie wymaga większych inwestycji w dolne źródło energii (wyłączając oczywiście przypadki, gdy taki potencjalny nośnik ciepła wymaga oczyszczania). Występowanie takiego ciepła odpadowego związane jest prawie zawsze z istnieniem zakładu przemysłowego, a więc także z zapotrzebowaniem na energię. Źródła ciepła odpadowego są więc atrakcyjne dla pomp ciepła o dużej mocy, zarówno sprężarkowych jak i sorpcyjnych, a ich wykorzystanie może przynieść niewiarygodnie duże oszczędności w zużyciu energii.