Woda, jako dolne źródło dla pomp ciepła to niezwykle korzystne rozwiązanie wpływające na wzrost wydajności i efektywności pracy pompy ciepła. Woda jest bowiem bardzo dobrym nośnikiem ciepła. Nie bez znaczenia są też koszty wykonania tego typu dolnego źródła, często znacznie niższe niż ma to miejsce przy zastosowaniu kolektora gruntowego pionowego czy poziomego. Ponadto zaletą wykorzystania wody, jako dolnego źródła ciepła jest stosunkowo niewielka powierzchnia, jaką ono zajmuje. 

Wody gruntowe

Wysoka efektywność wykorzystania wód gruntowych jako dolnego źródła ciepła spowodowana jest ich wysoką akumulacyjnością cieplną oraz stosunkową stałą temperaturą na poziomie 8-14oC (w okresie zimowym 8-12oC, latem 10-14oC) na głębokości 10-15 m poniżej powierzchni terenu, którą charakteryzują się w ciągu roku. Głębokość 10-15 m, z której czerpane są zwykle wody gruntowe wynika z wysokich kosztów pompowania wód z głębokości > 15 m, co wpływa na opłacalność ekonomiczną inwestycji. Ponadto przy przekroczeniu głębokości 30 m, konieczne jest uzyskanie pozwolenia wodno-prawnego. Należy jednak pamiętać, że temperatura wód gruntowych zależy od głębokości występowania warstwy wodonośnej i bezpośrednio wpływa na możliwość wykorzystania jej jako dolnego źródła ciepła. Do obliczeń przyjmuje się zwykle uśrednioną wartość temperatury na poziomie 10oC. Istotny wpływ ma także skład chemiczny wody powodujący, że jej wykorzystanie nie zawsze jest możliwe (np. z powodu wysokiej mineralizacji).

Jakie warunki muszą być spełnione?

Aby wykorzystać wodę gruntową jako dolne źródło ciepła konieczne jest przestrzeganie wymogów wynikających z prawa geologicznego i górniczego, prawa wodnego (pozwolenie wodno-prawne) oraz przepisów ochrony środowiska.

Z technicznego punktu widzenia, aby rozwiązanie takie miało sens temperatura wody gruntowej w czasie jej eksploatacji powinna wynosić minimum 6oC, nie może być zanieczyszczona, a jej zrzut za pomocą studni chłonnej powinien być efektywny. Warunki te przekładają się na wydajność eksploatacyjną ujęcia wody, która powinna wynosić nie mniej niż 0,21 m3/h na 1 kW mocy chłodniczej pompy ciepła.

Projektowanie instalacji i metodyka obliczeń

Przed rozpoczęciem prac nad wykonaniem dolnego źródła konieczne jest przeprowadzenie odwiertu próbnego. Umożliwia on bowiem zgromadzenie i analizę niezbędnych informacji o budowie hydrogeologicznej (rodzaj warstw gruntu, głębokość występowania zwierciadła wody, miąższość poziomu wodonośnego) oraz składzie chemicznym wody, niezwykle istotnych z punktu widzenia prawidłowego zaprojektowania instalacji oraz jej efektywnego działania w czasie przyszłej eksploatacji. Po uzyskaniu danych z odwiertu próbnego oraz w oparciu o wymagania urzędowe można przystąpić do projektowania studni.

W skład instalacji dolnego źródła opartej na wodzie gruntowej wchodzą studnia eksploatacyjna, którą woda jest wydobywana na powierzchnię terenu oraz studnia chłonna umożliwiające jej powtórne zatłoczenie do warstwy wodonośnej. O ile studnia eksploatacyjna jest zazwyczaj jedna, studni chłonnych może być kilka. Aby zagwarantować prawidłowe działanie instalacji studnia chłonna powinna znajdować się poniżej studni eksploatacyjnej zgodnie z kierunkiem przepływu wody gruntowej w odległości 15-20 m, aby zapobiec powrotowi wody ze studni chłonnej do studni eksploatacyjnej. Odległość pomiędzy studniami zależy od właściwości gruntu oraz poziomu wody gruntowej. Ponadto konieczne jest, aby warstwa zaflirtowania studni była w tej samej warstwie wodonośnej. Woda kierowana studnią chłonną do warstwy wodonośnej powinna mieć niezmieniony skład chemiczny ze względu na wymogi ochrony środowiska.

Dobór pompy głębinowej

Pompa głębinowa jest bardzo istotnym elementem instalacji, a jej doboru należy dokonać z niezwykłą starannością na podstawie wymaganej wydajności pompy ciepła oraz obliczonej wysokości podnoszenia. Wysokość podnoszenia określa się na podstawie różnicy poziomu lustra wody
w studniach pobierczej i chłonnej, strat ciśnienia w i oporów hydraulicznych w parowniku pompy ciepła (lub wymiennika pośredniego – stosowane w celu ochrony wymiennika w pompie ciepła przed agresywnym charakterem wód gruntowych spowodowanego np. wysoką mineralizacją) oraz oporów rurociągów, wmontowanej armatury i głębokości studni.

Problemy eksploatacyjne

Na problemy podczas eksploatacji wód gruntowych ma wpływ ich skład fizyko-chemiczny. Przy przekroczeniu dopuszczalnych wartości związków chemicznych w wodzie może wystąpić narastanie szlamu na ściankach studni, wytrącanie się żelaza (efekt utleniania prowadzący do powstania zawiesiny tlenków żelaza), korozja wymienników ciepła, zanieczyszczenia biologiczne, ograniczenie dopływu świeżej wody, zamulanie (kolmatacja złoża) oraz uszkodzenie obramowania studni (M. Rubik, 2006). Należy ponadto pamiętać, że w wyniku eksploatacji złoża oraz czynników zewnętrznych (np. nawożenie rolnicze) jakość wody może ulegać zmianie, stąd konieczność monitorowania jej stanu.

Podsumowanie

Woda, jako dolne źródło dla pomp ciepła to bardzo korzystne rozwiązanie pod warunkiem, że spełnione zostaną opisane w artykule warunki. Dzięki Wysokiem współczynnikowi przejmowania ciepła ten rodzaj dolnego źródła pozwala na uzyskanie wysokiej efektywności pracy pompy ciepła. Istotne z punktu widzenia inwestora są koszty wykonania tego typu dolnego źródło, często niższe niż ma to miejsce przy zastosowaniu kolektora gruntowego pionowego czy poziomego oraz stosunkowo niewielka powierzchnia, jaką ono zajmuje. Wykonanie studni należy zlecić wyspecjalizowanej firmie wiertniczej. Należy ponadto pamiętać, że eksploatacja pompy ciepła wykorzystującej wodę gruntową jako dolne źródło ciepła wymaga stałego nadzoru, pozwalającego na obserwację zmian dolnego źródła ciepła.

 

Źródła:
1. K. Kempkiewicz, 2008: „Woda jako dolne źródło dla pompy ciepła”, GLOBEnergia 3/2008
2. M. Rubik, 2006: „Pompy ciepła – poradnik”, Warszawa 2006

 

Michał Kaczmarczyk
Redakcja GLOBEnergia
AGH KSE

 

 

Cały artykuł – GLOBEnergia 5/2010

 

woda - dolne źrodło ciepła dla pomp ciepłaart str 1art str 2