Gruntowa pompa ciepła: jaki zysk cieplny gwarantuje wymiennik pionowy?

Wpływ temperatury gruntu

Często przy doborze pomp ciepła zastanawiamy się jaką temperaturę gruntu przyjąć do założenia mocy grzewczej pompy ciepła do wyliczeń wymiennika gruntowego. Większość producentów pomp ciepła zaleca, aby do obliczeń przyjmować temperaturę gruntu na poziomie 0 st. Celsjusza. Ta temperatura będzie miała wpływ na uzyskiwaną moc grzewczą pompy ciepła.

Zmiany mocy grzewczej można prześledzić na poniższym wykresie.Na czerwono zaznaczono moce grzewcze pomp ciepła przy różnych temperaturach glikolu i różnych temperaturach zasilania. 

Źródło: Webinarowa Środa z GLOBENERGIĄ - NIBE

Wykres to charakterystyka wykonana dla jednej z pomp ciepła Nibe o mocy 8 kW. Zgodnie z przebiegiem ciągłej czerwonej linii: jeśli temperatura gruntu wynosi 0 st. Celsjusza, dany model pompy ciepła będzie uzyskiwał w okolicach 6 - 6,5 kW mocy grzewczej. Natomiast jeśli temperatura gruntu wzrośnie do 5 st. Celsjusza to zysk wzrośnie do 8 kW. Tym samym widzimy, że wpływ temperatury dolnego źródła jest znaczący dla mocy grzewczej urządzenia. Oczywiście istotna jest także temperatura zasilania systemu grzewczego.

Układ niskotemperaturowy - przerywana czerwona linia - wskazuje znacznie wyższą moc grzewczą.  

– Zawsze zalecamy by do obliczeń przyjmować 0 st. Celsjusza nawet jeżeli mamy świadomość, że w rzeczywistości ta moc może być wyższa - mówił w trakcie Webinaru Adam Minikowski z Nibe. 

Jaka jest minimalna temperatura czynnika roboczego? 

Temperatura - 8 st. Celsjusza jest bardzo niska i doprowadza już do wychłodzenia gruntu. Dla różnicy temperatury na parowniku równej 3-5 K, grunt może zostać już dosyć poważnie schłodzony. Dlatego ekspert zaleca takie dobranie wymienników gruntowych, by nie schodzić poniżej poziomu - 2 do -3 st. Celsjusza. 

Z drugiej strony warto wiedzieć, że maksymalna temperatura w gruntowych pompach ciepła to około 25-30 st. Celsjusza. Powyżej tej temperatury automatyka systemu zatrzymuje działania pompy ciepła, bo ilość energii dostarczanej do parownika jest za duża. Prowadzi to do intensywnych procesów wrzenia i wzrostu ciśnienia. 

Metoda punktu mocy

Zgodnie z zaleceniami Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła, dla instalacji z pompą ciepłą do 30 kW mocy, można założyć dobór wymiennika gruntowego dla parametrów S0W35. Jest to punkt solanka 0 st. Celsjusza, woda 35 st. Celsjusza.

Następnie należy założyć odpowiedni czas pracy pompy ciepła w sezonie grzewczym. Jest to najczęściej w przedziale 1800 do 2000 godzin w roku. 

– W takim przypadku należy przyjąć wydajność cieplną gruntu na poziomie 40 W z metra odwiertu. To jest tzw. jednostkowa moc chłodnicza. Daną wartość uzysku cieplnego można przeliczyć na średnioroczny uzysk energii cieplnej z metra odwiertu. Na tej podstawie można już wyliczyć dolne źródło - tłumaczy ekspert.

Oczywiście ten uzysk w watach z metra jest liczony dla różnych współczynników przewodności cieplnej gruntu (lambda). Należy wykonać przekrój geologiczny całego profilu odwiertu, uśrednić dla niego współczynnik lambda i wtedy wyliczyć uzysk cieplny.

Co z głębszymi odwiertami?

Dla głębszych odwiertów pod pionowe wymienniki pomp ciepła, praktyka inżynierska zaleca wykonanie pewnych działań. Dla wymienników o zasięgu między 30 a 100 metrów powinno się wykonać symulacje na dostępnych oprogramowaniach lub ewentualnie posłużyć się metodą, na punkt ciepła do 30 kW (opisana powyżej).

– Jeśli instalacja wymaga uzyskiwania wyższej mocy, powyżej 100 kW, zalecane jest wykonanie badań TRT, czyli testu reakcji termicznej gruntu. Pozwoli to sprawdzić dokładnie jaki uzysk energii z gruntu, jak ten grunt będzie się zachowywał w całym sezonie grzewczym i jaki będzie efekt wykorzystania ciepła z gruntu na przestrzeni kilku lat - opowiada Adam Minikowski, ekspert Nibe. 

Dzięki temu nie dojdzie do całkowitego wyeksploatowania, czyli tak naprawdę wymrożenia czy wychłodzenia gruntu, na którym będzie pracowała duża kaskada pomp ciepła np. o mocy 500 kW.

Oczywiście jednostkowa wydajność cieplna gruntu będzie zależała przede wszystkim od typu zalegającego nadkładu geologicznego.

Źródło: Webinarowa Środa z GLOBENERGIĄ - NIBE

Na wydajność cieplną, którą podajemy w watach z metra długości wymiennika, najbardziej wpływa współczynnik przewodzenia gruntu lambda. W zależności od wartości tego współczynnika możemy uzyskać różną ilość mocy z jednego metra.

Przykładowo np. iły i gliny, które charakteryzują się współczynnikiem lambda na poziomie 1,5, mogą generować uzysk powyżej 35-37 W z metra. Jeśli są to zaś jakieś dobrze uwodnione grunty, np. piaski ze sporą ilością wody, to uzyskamy nawet powyżej 40 W z metra odwiertu. Skały mogłyby generować uzysk do 50 W. Oczywiście dokładny wynik wymaga przeanalizowania całkowitego profilu geologicznego.

Przykładowo: jeśli przewiercamy 100 m gruntu i warstwy to kolejno iły, piaski i na końcu skała, to należy przeliczyć i uśrednić wartość współczynnika lambda. To dla niego wyznaczamy średnią, tzw. możliwość uzyskania mocy grzewczej z gruntu.

Dlaczego czas pracy urządzenia jest ważny?

Przy obliczeniach zakłada się pewne czasy pracy pomp ciepła, jest to najczęściej przedział 1800-2000 godzin. Jeśli chcemy dobrać odpowiednio wymiennik gruntowy, to poza tą ilością mocy (W/m), należy też pamiętać o ilości energii, czyli o kilowatogodzinach. Im dłużej pompa ciepła pracuje w sezonie grzewczym, tym więcej energii z gruntu musi nam wyciągnąć.

Źródło: Webinarowa Środa z GLOBENERGIĄ - NIBE

Zgodnie z danymi w tabeli, dla suchych żwirów i piasków, jeśli pompa pracuje do 1800 godzin w roku, to spodziewany uzysk będzie na poziomie 25 watów z metra. Jeśli zaczniemy przekraczać założony czas pracy, to uzysk cieplny zacznie spadać. Jeśli spada, musimy to przewidzieć i przewymiarować dolne źródło. Dlatego wykonanie wspomnianych testów jest istotne. 

Źródło: Webinarowa Środa z GLOBENERGIĄ