Pompy ciepła dzielone są na podstawie dwóch głównych kryteriów: sposobu podnoszenia ciśnienia i temperatury czynnika roboczego oraz rodzaju dolnego źródła ciepła.
Ze względu na pierwsze kryterium wyróżnia się:
– sprężarkowe pompy ciepła,
– sorpcyjne pompy ciepła (z podziałem na pompy ciepła absorpcyjne i adsorpcyjne),
– pompy ciepła Vuilleumiera.
Z uwagi na sposób pozyskania ciepła z dolnego źródła na pompy:
– powietrze/woda (typu P/W)
– woda/woda (typu W/W)
– solanka/woda (typu S/W)
– bezpośrednie parowanie/woda (BP/W)
W zależności od źródła ciepła dolnego pompy mogą pracować w układach monowalentnych, jako jedyne źródło ciepła w budynku lub biwalentnych wspomaganych dodatkowych źródłem (np. kocioł gazowy). Praca monowalentna jest możliwa dla pomp wykorzystujących ciepło gruntu lub wody (gruntowej, powierzchniowej, technologicznej). Pompy typu powietrze/woda mogą pracować tylko w układach biwalentnych. Pompy można tez dzielić z uwagi na zasilanie na jednofazowe i trójfazowe.
Praca monowalentna
W przypadku eksploatacji jednosystemowej pompa ciepła jako jedyne urządzenie wytwarzające ciepło pokrywa całość zapotrzebowania budynku wg EN 12831. Warunkiem takiej eksploatacji jest zaprojektowanie systemu dystrybucji ciepła w sposób dostosowany do temperatury na zasilaniu niższej niż maksymalna temperatura na zasilaniu pompy ciepła.
Praca biwalentna-równoległa
W zależności od temperatury zewnętrznej i obciążenia grzewczego regulator pompy ciepła włącza dodatkowo drugą wytwornicę ciepła. Przy typowych konfiguracjach instalacji moc grzewcza pompy ciepła jest przewidziana do pokrycia ok. 50 do 70% maks. Wymaganego obciążenia grzewczego budynku zgodnie z normą EN 12831. Udział pompy ciepła w rocznej eksploatacji grzewczej wynosi ok. 85 do 92%.
Praca biwalentna-alternatywna
Do określonej temperatury zewnętrznej pompa ciepła całkowicie przejmuje na siebie ogrzewanie budynku (temperatura punktu biwalentnego). Poniżej temperatury punktu biwalentnego pompa ciepła wyłącza się i funkcję ogrzewania budynku przejmuje wyłącznie dodatkowa wytwornica ciepła (kocioł olejowo-gazowy). Przełączaniem między pompą ciepła i dodatkową wytwornicą ciepła steruje regulator pompy ciepła. Praca dwusystemowa-alternatywna nadaje się w szczególności do budynków z konwencjonalnym systemem rozdziału i oddawania ciepła (kaloryfery).
Pompy ciepła woda/woda
Wodne pompy ciepła odbierają energię z wód głębinowych. W układzie dwóch lub więcej studni krąży woda. Zasysana jest w studni poboru za pomocą pompy głębinowej, następnie doprowadzana jest do pompy ciepła, a stamtąd odprowadzana przez studnię zrzutową do wód gruntowych. Studnia poboru jest przeważnie jedna, ale studni zrzutowych może być kilka. Głębokość studni w typowych warunkach geologicznych wynosi 6-30 m, a w praktyce nie przekracza 15 m. Spowodowane jest to zbyt wysokim kosztem podnoszenia wody z głębokości większej niż 15 m.
Należy pamiętać o tym, że na wykonanie studni głębszej niż 30 m potrzebne jest zezwolenie wodno-prawne. Aby nie dopuścić do zmieszania się wody chłodnej z wodą czerpalną, odległość między studnią poboru i studnią zrzutową powinna wynosić minimum 15 m. System woda-woda jest najtańszym rozwiązaniem, jednak nie zawsze warunki geologiczne są korzystne dla tego systemu.
Rys. Wymiennik ciepła woda/woda
Zalety:
– niskie koszty dolnego źródła przy istniejących zasobach wodnych,
– niska zależność pogodowa, stabilna temperatura źródła przez cały rok,
– mała dewastacja terenu,
– wyższy niż w układzie z gruntową pompą ciepła współczynnik efektywności. Jego wartość przekracza 4, gdyż temperatura wody głębinowej jest zawsze wyższa niż gruntu na głębokości 1 m i nie spada poniżej 5-8°C.
Wady:
– wysokie wymagania co do jakości wody (żelazo, mangan, twardość wody),
– wysokie koszty wykonania studni,
– ograniczony czas eksploatacji studni czerpalnej i zrzutowej (15-20 lat),
– dodatkowy element wrażliwy na awarie – pompa głębinowa,
– konieczne jest przeprowadzenie badań wydajności studni poboru oraz jakości wody gruntowej, gdy głębokość studni przekracza ustalone wartości – 30 m, trzeba też uzyskać pozwolenie wodno-prawne,
– jeśli woda głębinowa jest agresywna chemicznie (co ustalane jest na podstawie analizy chemicznej), może być potrzebny odpowiedni układ filtrów, a to zdecydowanie podnosi koszty inwestycji.
Pompy ciepła solanka /woda (S/W)
Pompa ciepła typu S/W współpracuje z kolektorem gruntowym, przez który przepływa czynnik roboczy w postaci solanki, odbierający ciepło z dolnego źródła. Solanka to wodny roztwór niezamarzającego płynu o nazwie glikol. Obieg solanki jest zamknięty. Zastosowanie niezamarzającego płynu jest bardzo istotne, ponieważ solanka ochłodzona w parowniku, zanim ponownie odbierze ciepło z gruntu, może osiągać temperaturę niższą od 0°C.
W pompach ciepła typu S/W stosowane są trzy różne wersje wymiennika gruntowego:
– kolektor gruntowy płaski,
– kolektor gruntowy spiralny,
– kolektor gruntowy pionowy (sondy głębinowe).
Kolektor płaski wykonuje się z rur polietylenowych o średnicy jednego cala, układanych w wykopie o głębokości 1,5-2 m, czyli około 30 cm poniżej strefy przemarzania. Jest to zwykle kilka odcinków rur o długości ok. 100 m. Przy odstępach między rurami rzędu 0,5-0,8 m z jednego m2 gruntu z kolektorem otrzymuje się moc od 10 do 40 W, w zależności od rodzaju gleby (gliniasty i wilgotny grunt oddaje więcej ciepła niż piaszczysty,suchy). Jeżeli przyszły użytkownik dysponuje stawem lub jeziorem, można wykorzystać je jako źródło ciepła. Wężownicę z rur polietylenowych w prosty sposób można umieścić na dnie stawu lub jeziora. W większości wypadków wystarczają stawy o powierzchni 1.000-2.000 m2 i minimalnej głębokości 1,5-2,5m.
Kolektor spiralny działa na podobnej zasadzie jak kolektor płaski. Sekcje kolektora mają postać spiralnych zwojów ułożonych w rowach o długości 15-20 m i szerokości minimum 80 cm. Kolektory spiralne stanowią alternatywę do kolektorów płaskich. Wykopanie szerokich rowów o długości kilkunastu metrów jest mniej kłopotliwe niż zdjęcie dwumetrowej warstwy gruntu z dużej powierzchni działki. Odległość pomiędzy sekcjami nie powinna być mniejsza niż 3 m. Długość przewodów dla kolektorów płaskich spiralnych trzeba zwiększyć o 30%, gdyż charakteryzują się mniejszym odbiorem jednostkowym z m2 gruntu.
Zalety kolektorów poziomych:
– relatywnie niski koszt inwestycyjny,
– prostota wykonania – brak konieczności stosowania specjalistycznego sprzętu.
Wady kolektora poziomego:
– duży obszar zajmowanego terenu – w przypadku kolektora płaskiego,
– skrócony czas wegetacji roślin na terenie nad kolektorem,
– duże opory hydrauliczne, większe koszty pompowania glikolu.
– nad kolektorem nie wolno sadzić drzew
– nie należy przykrywać powierzchni ziemi nad kolektorem (kostką brukową, asfaltem)
Sondy głębinowe stosowane są wtedy, gdy nie ma warunków do wykonania kolektora płaskiego lub spiralnego. Sekcje kolektora mają kształt wydłużonej litery „U” i są umieszczone w kilku odwiertach o głębokości od 30 do 150 m. Odległość pomiędzy odwiertami nie powinna być mniejsza niż
– 5 m dla sond o głębokości do 50m
– 6m dla sond >50m.
Wykonanie odwiertów jest dość kosztowne i wymaga uzyskania stosownych zezwoleń, ale korzyści są wymierne, ponieważ temperatura gruntu na dużych głębokościach jest wysoka (ok. 15°C na głębokości 100 m) i nie podlega wahaniom w ciągu roku. Wydajność cieplna z 1 m sondy głębinowej zależy od struktury podłoża, w którym wykonany jest odwiert. Dla najbardziej typowych struktur podłoża wydajność cieplna odniesiona do 1 m sondy wynosi od 30 do 100 W.
– Żwir, suchy piasek : < 20 W/mb
– Żwir, piasek wodonośne : 55-65 W/mb
– Glina, ił – wilgotne : 30-40 W/mb
– Wapień (masywny) : 45-60 W/mb
– Piaskowiec 55-65 W/mb
– Kwaśne skały magmowe (granit) : 55-70 W/mb
– Zasadowe skały magmowe (bazalt) : 35-55 W/mb
– Gnejs :
Wszelkie prace związane z wykonaniem kolektorów gruntowych płaskich i spiralnych oraz sond głębinowych powinny być poprzedzone szczegółową analizą gruntu, a następnie powierzone wykwalifikowanej firmie wykonawczej.
Zalety kolektora pionowego:
– brak zależności pogodowej,
– wysoka efektywność,
– mała dewastacja terenu,
– niskie opory hydrauliczne, niskie koszty pompowania glikolu.
Wady kolektora pionowego:
– potrzeba stosowania specjalistycznego sprzętu,
– potrzeba zezwoleń wodno–prawnych dla kolektorów powyżej 30 m głębokości.
Rys. Budowa sond gruntowych
Pompy ciepła bezpośrednie parowanie/woda (BP/W)
Kolektor gruntowy wykonany jest w tym przypadku z miedzi i pokryty z zewnątrz warstwą polietylenu wysokiej gęstości. Wewnątrz znajduje się czynnik termodynamiczny, który po zetknięciu z gruntem poprzez ścianki paruje. Metoda ta eliminuje konieczność zastosowania parownika. Dzięki temu liczba wymian ciepła zostaje zmniejszona o jedną. Ma to ogromny wpływ na podniesienie sprawności pompy ciepła, a co za tym idzie, obniżenie kosztów eksploatacji. Nitki kolektora rozkładane są tak jak w przypadku kolektora gruntowego poziomego, poniżej strefy przemarzania gruntu.
Źródło:
– instsani.pl
– geothermalinnovation.org (grafika)