Regeneracja dolnego źródła ciepła

Temperatury robocze dolnych gruntowych źródeł ciepła – w praktyce

Korzystne warunki dla regeneracji dolnego gruntowego źródła ciepła

Właściwy dobór i warunki eksploatacji dolnego gruntowego źródła ciepła

Wydanie 1/2015

31.12.2015

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

2

Ciepło gruntu – podstawa funkcjonowania

pompy ciepła typu solanka/woda

Pompa ciepła typu solanka/woda wykorzystuje ciepło zawarte w gruncie, odbierając je

przez dolne źródło ciepła, którym może być poziomy kolektor gruntowy lub sondy pionowe.

W zależności od doboru i warunków eksploatacji, czas pracy gruntowej pompy ciepła wynosi

zazwyczaj od 1400 do 1800 godzin rocznie. Maksymalnie zakłada się czas pracy do 2400

godzin na rok. Temperatura gruntu obniża się systematycznie w czasie trwania okresu

grzewczego, a spadek temperatury będzie tym większy im dłuższy będzie czas pracy

pompy ciepła. Wysokie znaczenie odgrywa przy tym rodzaj gruntu i jego wilgotność,

wpływające na przewodność i pojemność cieplną.

Kolektor poziomy Sonda pionowa

3

Grunt – magazyn ciepła o ograniczonym

potencjale energetycznym

Grunt stanowi magazyn ciepła, ale nie jest to potencjał

nieograniczony. Podczas pracy pompy ciepła temperatura

gruntu obniża się zależnie od jego właściwości oraz czasu

trwania poboru ciepła. Obniżona temperatura gruntu nie

powraca w krótkim czasie do swojego pierwotnego poziomu.

Tak zwana regeneracja cieplna gruntu wymaga zapewnienia

sprzyjających warunków i odpowiednio długiego czasu

wyłączenia lub ograniczenia pracy dolnego źródła ciepła

po zakończeniu sezonu ogrzewania budynku.

Bardzo rzadko stosowanym ze względów technicznych

i ekonomicznych rozwiązaniem, jest dostarczanie ciepła do

dolnego źródła ciepła w celu jego magazynowania na potrzeby

sezonu grzewczego. Idealnie przebiegający proces regeneracji

cieplnej powinien zapewnić taką samą temperaturę dolnego

źródła u progu sezonu grzewczego, jak rok wcześniej. Pewnym

rodzajem dostarczania ciepła do dolnego źródła ciepła jest

chłodzenie pasywne budynku, gdzie ciepło z budynku jest

oddawane przez solankę do gruntu.

4

Skąd dolne źródło ciepła czerpie ciepło?

Lato Zima

Str

efa

se

zo

no

wa

S

tre

fa

neutr

aln

a

Gra

die

nt

tem

pera

tury

Źródło: Leitfaden Erdwärme. BWP 2011

~1000 W/m2

~0,040,12 W/m2

W gruncie można wyróżnić 3 strefy pod

względem zmienności temperatury: do

głębokości około 1525 metrów w strefie

sezonowej następuje silna zmienność

temperatury zależnie od pory roku, niżej

w strefie neutralnej temperatura jest stabilna

i niezależna od pory roku, a od około 80100

metrów, temperatura wzrasta o około

3 stopnie na każde 100 metrów głębokości.

Ciepło gromadzone w gruncie do ok. 100

metrów głębokości, niemal w całości jest

wynikiem oddziaływania promieniowania

słonecznego i przenikania wody. Niewielka

ilość ciepła oddawana z głębi Ziemi jest

zauważalna dopiero na większej głębokości

- poniżej 100 metrów.

5

Zmienność temperatury gruntu w zależności

od pory roku i głębokości

0oC 5oC 10oC 15oC 20oC

0

5

10

15

100

150

Głę

bo

ko

ść

gru

ntu

(m

)

Temperatura gruntu do głębokości

rzędu 20 metrów (± 5 m) zmienia się

w zależności od pory roku. Na niższej

głębokości pozostaje niezależna od

warunków zewnętrznych.

Jak intepretować wykres? Przykładowo

w lutym na głębokości 1 m, temperatura

wynosi ok. 45 oC (punkt ), a na 5 m

głębokości już ok. 1011 oC ( ).

Dla sierpnia temperatura na głębokości

1 m wynosi ok. 15 oC ( ), itd.

Sondy pionowe pracują w strefie

bardziej stabilnej temperatury niż kolektor

poziomy sytuowany płytko w gruncie.

Od ok. 100 metrów w dół, temperatura

gruntu wzrasta o ok. 23 stopnie na

każde 100 metrów głębokości.

1

2

3

1

2

3

6

Regeneracja cieplna dolnego źródła może być niepełna, w sytuacji chłodnej zimy, czy też

wydłużonego czasu trwania sezonu grzewczego. W przykładzie nr 1 temperatura z sond

u progu sezonu grzewczego (IX.90) była niższa niż rok

wcześniej na początku sezonu w X.89. Widoczny spadek

temperatury sond w X.90 wskazuje na rozpoczęcie nowego

sezonu grzewczego i wzrost obciążenia cieplnego gruntu.

0 5 10 15 20 25

18

16

14

12

10

8

6

4

2

Średnia temperatura miesięczna powietrza (oC)

Te

mp

era

tura

w s

on

dzie

(oC

)

1989/90

Przebieg zmian temperatury w sondzie

pionowej – przykład 1

Podstawowe dane budynku:

Rok budowy: 1985

Lokalizacja: Baden (CH)

Powierzchnia: 150 m2

Wskaźnik: 100 kWh/m2rok

Ogrzewanie podłogowe

Sezon grzewczy: ~ 200 dni/rok

Pompa ciepła: 11 kW

Moc chłodnicza: 7 kW

Czas pracy: 12701660 h/rok

Sondy pionowe: 2 60 m

Rozstaw sond: 10 m

Pełne

dane

>>>

7

Przebieg zmian temperatury w sondzie

pionowej – przykład 2

-5 0 5 10 15 20

14

12

10

8

6

4

2

0

-2

Średnia temperatura miesięczna powietrza (oC)

Te

mp

era

tura

w s

on

dzie

(oC

)

1986/87

Temperatura zasilania z sond pionowych obniża się wraz z rosnącym obciążeniem

cieplnym gruntu w trakcie trwania sezonu grzewczego (początek w X.86). Od lutego (II.87),

gdy średnia temperatura zewnętrzna wzrasta, a obciążenie cieplne gruntu zmniejsza się,

temperatura z sond podwyższa się stale aż do końca sezonu grzewczego (IV.87). Następnie

do września (IX.87) pompa ciepła pozostaje wyłączona (nie pracuje na wodę użytkową)

i trwa dalsza regeneracja cieplna dolnego źródła.

Temperatura z sond

u progu sezonu grzewczego

w IX.87 jest niemal

identyczna jak rok wcześniej

w X.86 – nastąpiła więc

pełna regeneracja cieplna

dolnego źródła ciepła.

UWAGA: pomiar temperatury zasilania

z sond pionowych realizowany po 1 h

pracy pompy obiegu solanki.

8

Temperatura gruntu w obrębie sond pionowych obniża się w kolejnych latach użytkowania

pompy ciepła. Sezon grzewczy trwa w Polsce nawet do 8 miesięcy w ciągu roku, a do tego

dochodzi często całoroczna praca pompy ciepła na potrzeby wody użytkowej. Regeneracja

cieplna dolnego źródła ciepła po sezonie grzewczym zwykle nie jest w stanie przywrócić

temperatury gruntu do identycznego poziomu jak na początku sezonu grzewczego.

Trwałe obniżenie temperatury gruntu przy

wieloletniej eksploatacji pompy ciepła

0 10 20 30 40 50 60

0,5

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

-2,0 Czas (lata)

Zm

ian

a te

mp

era

tury

(K

)

Okres eksploatacji 30 lat Wyłączenie z eksploatacji Zmiana temperatury gruntu

w okresie 30 lat pracy dolnego

źródła pracy i po zakończeniu

jego eksploatacji. Trwały spadek

temperatury jest szacowany na

około 1,52,0 stopnia w ciągu

2030 lat.

Wartości dla sondy pionowej

o długości 100 m, na głębokości

50 m, w odległości 1 m od sondy.

9

Trwałe obniżenie temperatury dolnego źródła ciepła w kolejnych latach eksploatacji pompy

ciepła może spowodować, że temperatura zasilania solanki (na wyjściu z sond pionowych)

może być okresowo niższa niż 0 oC. Jest to istotne z punktu widzenia doboru pompy ciepła,

dla której przyjmuje się standardowo punkt

pracy np. B0/W35 lub B0/W45 (B – brine,

solanka. W – water, woda grzewcza).

Optymalny dobór sond pionowych

- poglądowa idea prawidłowego doboru

Lata eksploatacji sond gruntowych

Te

mp

era

tura

so

nd

y [

oC

]

Źródło: Leitfaden Erdwärme, Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V., 2011

Długość i ilość sond pionowych powinna

być dobrana optymalnie z uwzględnieniem

także kosztów inwestycji. Trwałość sond

określa się zwykle szacunkowo na 50 lat

i przy idealnym doborze, temperatura 0 oC

mogła by trwale występować dopiero po

takim okresie eksploatacji. Jest to ogólne

przybliżenie problematyki, gdyż rzeczywiste

zmiany temperatur zależą od szeregu

czynników związanych z warunkami

eksploatacji dolnego źródła ciepła.

10

Pompa ciepła o mocy grzewczej 10,9 kW w „nominalnym” punkcie pracy B0/W35 (solanka

na wejściu do pompy ciepła 0 oC / woda na zasilaniu instalacji grzewczej 35 oC), uzyskuje

efektywność COP = 4,9. Przy obniżeniu temperatury solanki do -2 oC, moc grzewcza pompy

ciepła obniży się do 9,9 kW. O niższym poborze ciepła z dolnego źródła ciepła świadczy

niższa moc chłodnicza pompy ciepła. Pobór mocy elektrycznej w punkcie B-2/W35 będzie

niemal taki sam jak w punkcie B0/W35. Efektywność pracy pompy ciepła w punkcie

B-2/W35 obniży się z 4,9 do 4,5 (spadek o ok. 8%). Czas pracy pompy ciepła może ulec

wydłużeniu (potrzeby budynku), co dodatkowo przy niższej efektywności podniesie koszty

eksploatacyjne.

Wpływ temperatury zasilania solanki

na parametry pracy pompy ciepła

-5 -2 0 5 10

0

kW

5

15

10,9 kW (B0/W35)

9,9 kW (B-2/W35)

Temperatura solanki (zasilanie), oC

11

Czynniki sprzyjające prawidłowej regeneracji

cieplnej dolnego źródła ciepła

Pełna regeneracja cieplna dolnego źródła ciepła będzie następować przy starannym

prawidłowym doborze całości systemu – ogrzewania budynku, właściwej mocy grzewczej

pompy ciepła oraz odpowiedniej do potrzeb wielkości dolnego źródła ciepła.

Proces regeneracji cieplnej dolnego źródła ciepła będzie także korzystniejszy, gdy

zastosowane zostanie:

Chłodzenie pasywne

Podgrzewanie wody użytkowej

przez instalację solarną

Oddawanie ciepła odebranego z budynku do

dolnego źródła ciepła, przyspiesza wzrost jego

temperatury poza sezonem grzewczym,

a efektywność COP pompy ciepła może wzrosnąć

o około 23% w skali całego roku.

Podgrzewanie wody użytkowej po sezonie

grzewczym przez inne źródło ciepła (np. instalację

solarną), skraca czas pracy pompy ciepła,

odciążając dolne źródło ciepła i zapewniając

szybszy wzrost jego temperatury.

Chłodzenie

Ogrzewanie

Energia odnawialna

Kotły gazowe

Kotły olejowe

Pompy ciepła

Kolektory słoneczne

Systemy wentylacji

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl