Rodzaje dolnych źródeł ciepła w pomach ciepła – podpowiadam które wybrać

Tematykę odnawialnych źródeł energii (OZE) rozpocząłem wpisem obrazującym to jak działa pompa ciepła? – wyjaśnienie w 3 krokach. Zachęcam do lektury, na pewno pomoże lepiej zrozumieć zasadę działania pompy ciepła.



Dziś jako kontynuację, zamierzam opisać rodzaje dolnych źródeł ciepła w pompach ciepła – podpowiadam które wybrać. Są nimi woda, powietrze, grunt i to właśnie w tych miejscach pompa czerpie energię cieplną.

Instalacja z pompą ciepła złożona jest z następujących elementów:

  1. Dolnego źródła ciepła
  2. Pompy ciepła, która stanowi także „węzeł cieplny” łączący dolne i górne źródło.
  3. Górnego źródła ciepła

schemat pracy instalacji z pompą ciepła blog

Rys. 1. Schemat obrazujący instalację z pompą ciepła

Jak działa pompa ciepła?

W pompie ciepła zachodzi proces, który polega na pobieraniu ciepła ze źródła o temperaturze niższej i przekazywaniu go do źródła o temperaturze wyższej.  

Źródłem o temperaturze niższej są właśnie tzw. dolne źródła ciepła, z których pompa pozyskuje energię cieplną – (darmowa energia zawarta w wodzie powierzchniowej lub podziemnej, powietrzu zewnętrznym czy też gruncie) – więcej w dalszej części.

Źródłem o temperaturze wyższej są tzw. górne źródła ciepła – tam, gdzie ciepło jest dostarczane do budynku – (instalacja centralnego ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej)

Rodzaje dolnych źródeł ciepła:

  • Powietrze (zewnętrzne lub wentylacyjne)
  • Kolektor gruntowy pionowy (odwierty)
  • Kolektor gruntowy poziomy
  • Woda powierzchniowa (pobór ciepła poprzez wymiennik lub bezpośredni pobór ciepła przy głębokości większej niż 2m)
  • Woda ze studni (studnie tzw. czerpalne i chłonne)

W dużej mierze to właśnie rodzaj dolnego źródła ciepła świadczy o wartości całego systemu grzewczego.

Jeżeli tylko dolne źródło ciepła jest wystarczająco wydajne, to pompa ciepła będzie działać efektywnie, przekazując odpowiednią ilość energii cieplnej do budynku. Jeżeli już w trakcie projektowania źródło ciepła zostanie źle wybrane lub wykonane, nawet najlepsze urządzenie nie ogrzeje pomieszczeń w zadowalający sposób.

Sprawność pompy ciepła, współczynnik wydajności COP

COP – czyli (Coefficient Of Performance) – współczynnik wydajności pompy ciepła. Przedstawiany jest jako stosunek mocy „chłodniczej” urządzenia do mocy pobieranej przez urządzenie. Dla przykładu COP = 3 oznacza, że z 1 kWh energii elektrycznej zużytej do napędu pompy ciepła otrzymujemy 3 kWh ciepła.

Wydajność pompy ciepła zależna jest od różnicy temperatur między dolnym źródłem ciepła, a górnym źródłem ciepła.

Jeżeli ta różnica jest duża, tzn. jeżeli temperatura dolnego źródła jest niska (np. mroźne powietrze zewnętrzne, -20oC), a górnego źródła jest wysoka (np. grzejniki starszego typu zasilane wysoką temperaturą, 70oC), wówczas sprawność pompy ciepła jest niewielka. Urządzenie ma większą pracę do wykonania związaną z przepompowaniem ciepła.

W przypadku małej różnicy temperatur, tzn. jeżeli temperatura dolnego źródła jest dość wysoka (np. ciepło pobierane z gruntu, temperatura glikolu w wymienniku = 2oC), a górnego źródła jest niska (np. ogrzewanie podłogowe, 30oC), wówczas sprawność pompy ciepła jest duża. Urządzenie ma mniejszą pracę do wykonania związaną z przepompowaniem ciepła.

Dla lepszego zobrazowania posłużę się przykładem, wg wzoru:

wzór COP pompy ciepła

Gdzie:

Ts i Tp – temperatura parownika i skraplacza, czyli temperatura źródła ciepła i odbiornika ciepła (wyrażone w kelwinach)

ɳc – założona sprawność sprężarki w pompie ciepła = 50%

Podstawiając odpowiednie dane można spostrzec, że efektywność pompy wzrasta w momencie, gdy różnica między dolnym, a górnym źródłem maleje.

Zmiana COP przy różnych temperaturach dolnego i górnego źródła:

Przykład 1

  • Dolne źródło ciepła: 20oC = 288K
  • Górne źródło ciepła: 50oC = 323K
  • COP = 5,4

Przykład 2

  • Dolne źródło ciepła: 10oC = 288K
  • Górne źródło ciepła: 50oC = 323K
  • COP = 4,0

Przykład 3

  • Dolne źródło ciepła: -10oC = 288K
  • Górne źródło ciepła: 50oC = 323K
  • COP = 2,7

Wyliczenia są szacunkowe – nie uwzględniają wielu strat występujących w trakcie pracy urządzenia, pozwalają jednak zobrazować jak zmienia się wydajność pompy ciepła w zależności od różnicy temperatur między dolnym, a górnym źródłem ciepła.

Jakie dolne źródło wybrać dla pompy ciepła?

  • Woda gruntowa – ma wysoką temperaturę, ok. 10oC niezależnie od pory roku i głębokości. Jest to bardzo dobre rozwiązanie pod względem sprawności pompy ciepła. Koszty inwestycyjne są jednak dość duże. Konieczne jest także sprawdzenie jakości wody, aby ustrzec się zanieczyszczenia lub korozji wymiennika ciepła.

dolne źródło pompy ciepła dwie studnie schemat

Rys. 2. Schemat wykorzystania wód gruntowych jako dolnego źródła

Sprawność systemu – COP 5 ÷ 6

  • Kolektor gruntowy – aby spełnił swoje zadanie, dla średniego domku jednorodzinnego musi mieć długość nawet kilkuset metrów. Zakopuje się go w ziemi i wypełnia glikolem (płynem niezamarzającym), który osiąga temperaturę ok. 0o
    • Wyróżniamy kolektory gruntowe poziome (spiralne lub płaskie). Głębokość zakopania to ok. 1,5 m. Kolektor płaski zajmuje znaczną powierzchnię, przyjmuje się, że od 1,5 do 5 razy większą niż powierzchnia domu.

dolne źródło pompy ciepła kolektor poziomy schemat

Rys. 2. Schemat wykorzystania kolektora gruntowego poziomego płaskiego jako dolnego źródła

  • Kolektory gruntowe pionowe. Są to odwierty sięgające w sumie nawet 200 m. Mogą to być np. 4 odwierty po 50 m każdy. Do odwiertów wkłada się zgięte rury w kształcie litery „U”. Koszty inwestycyjne w tym przypadku są dość wysokie. Nie ma jednak konieczności zagospodarowania dużej powierzchni działki jak w przypadku kolektora poziomego.

Zaletą kolektorów gruntowych jest to, że wymiennik jest zamknięty (nie ma bezpośredniego kontaktu z dolnym źródłem ciepła – gruntem), czyli jest odporny na zanieczyszczenia.

dolne źródło pompy ciepła kolektory pionowe schemat

Rys. 2. Schemat wykorzystania kolektora gruntowego pionowego jako dolnego źródła

  Sprawność systemu – COP 4 ÷ 5

Powietrze zewnętrzne – najtańsze rozwiązanie, ponieważ nie wymaga kosztów budowy instalacji dolnego źródła ciepła. Powietrze dostępne jest od razu za ścianą zewnętrzną naszego budynku. Rozwiązanie to ma jednak zasadniczą wadę – sezonowe zmiany temperatury powietrza. W momencie, kiedy ciepła w budynku potrzeba nam najwięcej (okres zimowy) to temperatura powietrza jest najniższa. Sprawność spada w wraz z obniżającą się temperaturą powietrza.

dolne źródło ciepła powietrze zewnętrzne schemat

Rys. 2. Schemat wykorzystania powietrza zewnętrznego jako dolnego źródła

Sprawność systemu – COP 2 ÷ 3

Podsumowując

Wybór dolnego źródła ciepła nie jest łatwą sprawą. Nie ma jednego złotego środka, czyli rozwiązania taniego i maksymalnie wydajnego.

  • Najtańsze rozwiązanie, czyli pobieranie ciepła z powietrza wiąże się ze spadkiem sprawności pompy ciepła zimą czego powodem są niskie temperatury zewnętrzne w tym okresie.
  • Najniższe koszty eksploatacji osiągamy przy zastosowaniu systemu woda-woda, czyli przy zastosowaniu niskotemperaturowego ogrzewania podłogowego jako górnego źródła i wody gruntowej jako dolnego źródła.
  • Rozwiązaniem bezpiecznym (wymiennik zamknięty, nie mający bezpośredniej styczności z dolnym źródłem – gruntem) i zarazem nie wymagającym dużej powierzchni jest kolektor gruntowy pionowy.  W tym przypadku niezbędne są głębokie i kosztowne odwierty w celu umieszczenia sond pionowych.

Dla użytkowników pomp ciepła najważniejszą zaletą są niskie koszty eksploatacji. Bez wątpienia będziemy w stanie oszczędnie ogrzewać nasz dom takim urządzeniem, jeżeli tylko wybierzemy odpowiednie dolne źródło ciepła i zostanie ono właściwie wykonane.

Życzę miłego dnia 🙂

Może Ci się również spodoba

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Przeczytaj poprzedni wpis:
Co musisz wiedzieć o wentylacji, jak działa wentylacja grawitacyjna

Zawsze, wkładając w coś daną ilość energii musimy liczyć się z pewnymi jej stratami. Tak dzieje się też z ogrzewaniem...

Zamknij