Pompy ciepła - najgroźniejsze błędy oraz sposoby ich unikania

Najczęstszym błędem w wykonaniu instalacji opierających się na pompach ciepła jest niewłaściwe zwymiarowanie kolektora gruntowego, a w zasadzie jego niedowymiarowanie. Taka sytuacja powstaje na skutek złej oceny przewodności cieplnej gruntu i użycia do wyliczeń zbyt wysokiego współczynnika przewodzenia gruntu λ (W/(mK)) lub utracenia minimalnych odległości kolejnych pętli kolektora gruntowego. Użycie przesadnie małych wymienników energii cieplnej i wydłużona praca na pełnym obciążeniu mogą skutkować przez odpowiednio krótki okres bardzo niskimi temperaturami źródeł ciepła, nawet do osiągnięcia najniższych granic temperatury użytkowania pompy ciepła i zablokowania jej pracy. Mało tego - nadmierne obciążenie dolnego źródła, sprokurowane jego niedowymiarowaniem, może doprowadzić do długookresowego zmniejszenia się temperatur źródeł ciepła w kolejnych etapach grzewczych, jeżeli nie zapewniono właściwej regeneracji dolnego źródła ciepła.

Właściwe wymiarowanie. W naszym kraju średnia temperatura powietrza przy powierzchni ziemi wynosi ok. 7-9°C. Zbliżony średni parytet temperatury przyjmuje grunt w strefie tzw. pasa neutralnego znajdującego się na głębokości od 10-25 m pod powierzchnią. To wynikowa oddziaływań kilku czynników, m.in. promieniowania słonecznego, wypromieniowania energii z gruntu czy wpływu energii geotermalnej. Z racji relatywnie niewielkiego udziału oddziaływania ciepła, napływającego z wnętrza ziemi (0,04 W/m2 do 0,11 W/m2 w przełażeniu na 1000 W/m2 promieniowania słonecznego), jego udział w bilansie energii przy powierzchni gruntu jest mały.

Ciepło skumulowane w gruncie przesyłane jest do obiegu pompy ciepła bezpośrednio poprzez odparowanie czynnika w rurkach poukładanych bezpośrednio w gruncie lub pośrednio przez wymiennik gruntowy poziomy lub pionowy, co jest rozwiązaniem powszechnie stosowanym. Kolektor gruntowy tworzy się na ogół z rur polietylenowych o średnicy 32-40 mm w różnorakich konfiguracjach, które dają układy poziome (szeregowe, wężownicowe, spiralne) lub pionowe. W sytuacjach gdy grunt jest w niewielkim tylko stopniu wilgotny (grunt suchy, piaszczysty) układy spiralne mogą sprawić znaczące ochłodzenie gruntu i nawet zamarzanie parownika w pompie ciepła, dlatego też stanowczo bezpieczniejsze jest zastosowanie układów płaskich bądź kolektorów pionowych. Kolektory poziome na kształt pętli rur o takiej samej długości układa się w odległości minimum 0,5-1,0 m jeden od drugiego, na głębokości 30-40 cm poniżej poziomu przemarzania gruntu, co odpowiada 1,2-2,0 m w zależności od rejonu. Kolektor gruntowy pionowy wykonuje się w postaci odwiertów o zasięgu 150 m, gdzie  instaluje się rury zgięte na kształt litery U, odgrywające rolę przewodu zasilającego i powrotu, w odległości nie mniejszej niż 6 m. Odpowiednie przewody kolektora ziemnego łączy się najczęściej przy pomocy rozdzielacza w studzience zbiorczej lub rzadziej w budynku (dla małej ilości obwodów).

Długość kolektora gruntowego jesteśmy w stanie zdefiniować za pomocą wzorów matematycznych lub korzystając z programów komputerowych do wymiarowania dolnych źródeł oraz doboru pomp ciepła, stworzonych przez producentów tych urządzeń. Wszystkie metody wymiarowania kolektora gruntowego poziomego i pionowego mają oparcie przy jednakowych założeniach. Generalnie zakłada się, że z jednego metra kwadratowego gruntu dla kolektora poziomego jesteśmy w stanie otrzymać moc 10-40 W, natomiast z jednego metra głębokości sondy można otrzymać moc 30-70 W. Wyniki z podanego zakresu przyjmuje się w zależności od stopnia wilgotności i spójności gruntu (im bardziej wilgotny i spójny grunt, tym większy współczynnik przewodzenia energii cieplnej). Podczas tworzenia projektów i ofert wstępnych, nieuzasadnionym dokładnym rozpoznaniem geologicznym, dla wymiennika pionowego wskazane jest przyjmowanie szacunkowej wartości mocy chłodniczej 40 W/mb, a dla wymiennika poziomego 20 W/m2 (dla parametrów dolnego źródła B0/W35 i czasu pracy sprężarki do 2000 h). Podczas określania pożądanej mocy chłodniczej, uzyskiwanej z pionowego lub gruntowego wymiennika ciepła, stosownym jest wykonanie rozpoznania geologicznego z map geologicznych i obliczenie przeciętnej wartości współczynnika przewodzenia ciepła będącej średnio ważoną wartością dla różnych warstw ziemi, w której zamierza się zamontowanie kolektora pionowego. Uwzględniając ten parametr możemy obliczyć odpowiednią wartość mocy chłodniczej badanego gruntu.

Oszacowaną czynną długość kolektora ziemnego pionowego dzielimy na kilka części dokonując odwiertów do maksymalnej, korzystnej ekonomicznie długości ok. 80-100 mb (głębsze odwierty mają zwykle o wiele wyższą cenę w stosunku do tych do 100 mb). Jeśli natomiast z jakichś przyczyn nie ma możliwości wiercenia do 100 mb (np. ograniczenia sprzętowe lub geologiczne) i zachodzi potrzeba wykonania większej ilości krótkich odwiertów lub, ze względu na duże zapotrzebowanie na moc grzewczą, stosowne jest doliczenie do głębokości wszystkich odwiertów ok 8-10 mb, ponieważ czynna długość kolektora gruntowego jest długością wyliczoną dla standardowych warunków temperaturowych, panujących w gruncie poniżej 10 m w głąb ziemi. Poza tym kolektory pionowe z reguły będą przechodzić poprzez kilka rodzajów warstw materiałów. Na skutek tego w praktyce najczęściej używa się doświadczalnych metod określenia potencjału cieplnego odwiertów. Należy mieć na względzie, aby teoretyczne wyliczenia i umowne parametry konfrontować w oparciu o dane dotyczące podłoża geologicznego, uzyskane do geologów-wiertników i pierwsze odwierty/wykopy, mogące posłużyć jako kontrolne. Dla systemów o większej mocy cieplnej korzystne jest dokonanie pomiaru przewodności cieplnej gruntu aby precyzyjnie określić potrzebną długość kolektora gruntowego (cena takiego badania wynosi około 5000 zł).

Właściwe zwymiarowanie pozwala na stosowanie programów symulacyjnych do doboru wymienników ciepła, które z kolei wskazują pewne wartości współczynników przewodzenia ciepła, niemniej przy przekroczeniu czasu pracy 2000 h/rok zachodzi potrzeba proporcjonalnie powiększać wielkość wymiennika dolnego źródła. Należy również pamiętać, że kolektory pionowe posiadają program który wylicza czynną głębokość odwiertów i do poszczególnego odwiertu należy dodać 8-10 mb ze względu na zmienną temperaturę wierzchniej warstwy gruntu.

Dobranie mocy grzewczej. Drugim błędem, mającym niemniej poważne w skutkach konsekwencje, jest zły dobór mocy grzewczej pompy ciepła do rzeczywistego zapotrzebowania na ciepło budynku. Tym sposobem przy zbyt małej mocy pompy ciepła, wobec zapotrzebowania na ciepło, może spodziewać się wyższych rachunków za energię elektryczną z przyczyny nazbyt częstego załączania się grzałki elektrycznej wbudowanej w pompę, która zamiast roli szczytowego źródła grzewczego i przegrzewu wody przeciw Legionella, przybiera rolę nadrzędnego źródła ciepła w domu. Natomiast zbyt duża moc grzewcza pompy ciepła powoduje obniżenie jej żywotności, dlatego że urządzenie w takich sytuacjach uruchamia się w krótkich odstępach czasu. Obydwa przypadki narażają na uszkodzenie pompę ciepła i wyższe koszty eksploatacji w odniesieniu do prawidłowo dopasowanej mocy urządzenia. Dobierając moc pomp ciepła bardzo istotne jest właściwe wyliczenie faktycznego zapotrzebowania na ogrzewanie domu i produkcję ciepłej wody użytkowej, z uwzględnieniem osobistych preferencji mieszkańców, stanu budynku, zmian wykonawczych w stosunku do określeń projektowych, izolacyjności itp. Przy pompach ciepła typu solanka/woda pominięcie błędu możliwe jest dzięki doborowi mocy urządzenia na poziomie 90-100% zapotrzebowania na energię cieplną budynku. Biorąc pod uwagę duży wpływ pogody na wydajność pomp ciepła typu powietrze/woda i surowy klimat panujący w Polsce oraz moc grzewczą tych urządzeń, podawaną zazwyczaj dla temp. +7/35oC, optymalnie jest nieco przewymiarować pompę ciepła w odniesieniu do potrzeb ciepła w budynku. Wymienione zależności obrazują kalkulacje, które zostały przygotowane przy pomocy programu do doboru pomp ciepła Nibe VP DIM. Wyliczenia sporządzono dla tych samych wskaźników obliczeniowych, dobranych dla budynku położonego w III strefie klimatycznej, o powierzchni użytkowej 200 m2, gdzie zapotrzebowanie na ciepło to 50 W/m2 (10 kW), z instalacją grzewczą o parametrach 35/25oC, lecz dla pompy ciepła gruntowej i powietrznej o odmiennych mocach grzewczych. Każdy przypadek omawianej instalacji zakłada, że jest zainstalowana zanurzeniowa grzałka elektryczna o mocy 9 kW (3 x 3 kW).

Obserwując otrzymane wyniki (tabela 2), widzimy, że roczne koszty ogrzewania są najniższe dla pompy ciepła dobranej na pokrycie 91% zapotrzebowania na moc cieplną w budynku i w tym przypadku urządzenie przynosi największe oszczędności energii. Istotnym czynnikiem, na który trzeba również zwrócić uwagę, jest czas pracy pompy ciepła. Szacując pesymistycznie żywotność sprężarki na 60 000 h pracy, przyjęta pompa ciepła 6 kW wytrzyma 15 lat, podczas gdy 10 kW będzie pracowała ponad 22 lata.

Biorąc pod uwagę te wszystkie aspekty, jak również podwyżki ceny energii elektrycznej, można zasugerować inwestorowi/projektantowi wybór pompy ciepła 10 kW, która daje wysokie oszczędności energii, przy średnio niewielkim zużyciu energii z dodatkowego źródła ciepła (w omawianej instalacji jest to grzałka elektryczna) i koszcie wykonania kolektora gruntowego.

Pomimo iż rozważania te sporządzane są na podstawie kalkulacji systemy komputerowego, rzeczywiste warunki nie będą aż tak bardzo odbiegały od badanej sytuacji. Biorąc pod uwagę taki  przykład, wniosek jest banalny: nie wolno dobierać pompy ciepła na zapotrzebowanie 100%, a już na pewno nie przewymiarowywać mocy urządzenia, bo niepotrzebnie zwiększymy koszty inwestycji.

Przyglądając się otrzymanym wynikom (tabela 3), widać, że roczne koszty ogrzewania są najmniejsze dla pompy ciepła o mocy 16 kW (przy A7/W35) i w tym przypadku urządzenie daje największe oszczędności. Również czas pracy tak dobranej pompy ciepła jest najkorzystniejszy w tej sytuacji.

Źródło:

dr inż. Małgorzata Smuczyńska

www.ennergo.pl

www.instalator.pl

Kontakt

TanieRemontowanie.pl

info@tanieremontowanie.pl

O nas

Serwis TanieRemontowanie.pl to katalog wszelkiego typu firm, które działają w branży Remontowo-Budowlanej. Przy pomocy naszej wyszukiwarki w szybki i łatwy sposób znajdziesz firmę ze swojego regionu lub miasta, która w profesjonalny sposób pomoże Ci w remoncie mieszkania, czy też budowie wymarzonego domu. Zapraszamy również do skorzystania z systemu Giełdy Zleceń, dzięki któremu jednym kliknięciem prześlesz wiadomość do wielu firm z twojego regionu jednocześnie. Najlepsze firmy budowlane i remontowe w kraju. Zapraszamy !

projekt i realizacja: www.amill.pl tworzenie stron www