Google

Dolne źródła ciepła dla pomp ciepła

Dolne źródło ciepła to ośrodek lub materia, która ma za zadanie dostarczyć do urządzenia „wejściową” energię niskotemperaturową. Jego rodzaj decyduje o wyborze odpowiedniej pompy ciepła. Dostępne źródła ciepła można sklasyfikować na naturalne (odnawialne) oraz sztuczne.
 

Image

Klasyfikacja możliwych dolnych źródeł energii dla pomp ciepła.

 

Źródło ciepła powinno charakteryzować się następującymi cechami:

  • jak najwyższa temperatura i jej stabilność w czasie;
  • łatwa dostępność;
  • duża pojemność cieplna;
  • brak zanieczyszczeń powodujących korozję materiałów instalacyjnych;
  • niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Źródła ciepła naturalne charakteryzują się dużą zmiennością temperatury, zależną przede wszystkim od pory roku. Ich „wydajność” często może także nie zaspokajać szczytowego zapotrzebowania. Niemniej jednak są dostępne praktycznie w każdym miejscu.

Sztuczne źródła ciepła, najczęściej pochodzenia przemysłowego mogą być bardzo różnorodne. Temperatury ścieków, spalin czy wód przemysłowych zależą od procesów, podczas których powstają. Ich ewentualne wykorzystanie wiąże się jedynie z miejscem ich obecności.

 

Naturalne źródła ciepła

Grunt

W gruncie zgromadzone są spore pokłady energii. Do głębokości około 10 – 12 metrów jest to energia pochodząca głównie od promieniowanie słonecznego oraz wymiany ciepła z atmosferą, natomiast od 20 metrów w głąb w gruncie kumuluje się ciepło pochodzące także z wnętrza Ziemi. Stała temperatura, nie podlegająca wahaniom rocznym występuje na głębokości około 10 metrów, jednak ze względów ekonomicznych ciepło najczęściej pozyskuje się z płytszych partii. Wadą pozyskiwania ciepła z gruntu jest mało intensywny pobór energii, przez co nadaje się on do wykorzystania przez pompy o niewielkiej mocy.

Do odbioru energii wykorzystuje się gruntowe wymienniki ciepła, nazywane także kolektorami. Są to odpowiednio ułożone rury w kształcie wężownic lub uzwojeń spiralnych, w środku których przepływa nośnik ciepła. Ze względu na sposób ułożenia wymienników ciepła wyróżniamy dwa systemy: poziomy i pionowy. W przypadku poziomych kolektorów wykonuje się podłużne wykopy na głębokość około 1,2–2 metry. Wymienniki wykonane są najczęściej z tworzyw sztucznych takich jak polietylen czy polibutylen i mają średnicę 20–40 mm. Układa się je w rzędach w odległości 0,5–2 m, w zależności od rodzaju wymienników.


 Image

Pompa ciepła z poziomym gruntowym wymiennikiem ciepła.

 

Wymienniki pionowe umieszcza się w otworach wywierconych na głębokość 20 do 100 metrów, przy czym w jednym otworze może być umieszczony pakiet rur. Pomiędzy odwiertami powinien być zachowany ostęp minimum 5 metrów.

Image
 
Pompa ciepła z pionowym gruntowym wymiennikiem ciepła.

 

Zaletą pionowych wymienników ciepła w porównaniu do poziomych jest dużo mniejsza wymagana powierzchnia, jednak koszty wiercenia głębszych otworów są dużo wyższe. W obydwu przypadkach zastosowanie wymienników wyklucza twardą zabudowę na zagospodarowanym terenie.

Istotnym elementem w kwestii gruntowych wymienników ciepła jest zastosowany nośnik energii, który odbiera ciepło od gruntu a następnie oddaje w parowaczu czynnikowi roboczemu. Obecnie do tego celu używa się najczęściej roztworów glikoli, których wymaganą cechą jest niska temperatura krzepnięcia. W przypadku, gdy nie ma niebezpieczeństwa zamarznięcia jako nośnik można stosować wodę. Czynnik wprawiany jest w ruch za pomocą pompy obiegowej.

Woda

Woda z technicznego punktu widzenia ma bardzo dobre właściwości fizyczne, przede wszystkim wysoką właściwą pojemność cieplną. Jako źródła ciepła w pompach mogą być wykorzystywane zarówno wody powierzchniowe jak i podziemne.

Z wód powierzchniowych (mogą być to rzeki, stawy) wodę przetłaczana jest pompą bezpośrednio do parowacza. Zaletą tego rozwiązania jest niski koszt, jednak wody powierzchniowe cechują duże roczne wahania temperatury.

Image
 
Pompa ciepła z dolnym źródłem ciepła w postaci przydomowego stawu.

 

W przypadku wód podziemnych, najpowszechniej wykorzystuje się wody gruntowe. W celu ich zagospodarowania wierci się zazwyczaj dwa otwory w odległości od siebie nie mniejszej niż 20 metrów. Ze studni czerpalnej pobierana jest woda, która po oddaniu ciepła w parowaczu, wtłaczana jest z powrotem do gruntu studnią chłonną. Woda w obiegu tym schładzana jest o około 4-5 °C. Zaletą tego rozwiązania jest stabilność temperatury źródła, wady to dość wysokie koszty inwestycyjne i możliwość pojawienia się zanieczyszczeń oraz wystąpienia korozji.

Image
 
Pompa ciepła z dolnym źródłem ciepła w postaci wody gruntowej.

 

Odrębnym przypadkiem wód podziemnych są wody geotermalne. Z definicji są to wody o temperaturze przekraczającej 20°C. Temperatura ta jest stała i niezależna od pory roku. Ponieważ wody te najczęściej pochodzą ze sporych głębokości, charakteryzują się wysoką mineralizacją, co ze względów ekologicznych wymusza ich ponowne zatłaczanie do górotworu, a więc wiąże się z dużymi nakładami finansowymi. Gdy temperatura nośnika geotermalnego nie jest wystarczająca do wytworzenia wody grzewczej o należytych parametrach, wtedy wprowadza się do systemu urządzenia wspomagające jak np. pompa ciepła czy kocioł szczytowy. Tego typu instalacje funkcjonujące w Polsce omówione zostaną szerzej w kolejnym rozdziale pracy.

Powietrze atmosferyczne

Powietrze jest najłatwiej dostępnym źródłem energii, jednak z punktu widzenia właściwości termodynamicznych ma wiele wad. Przede wszystkim są to niskie współczynniki przejmowania ciepła, co wymaga stosowania wymienników o sporej powierzchni. Duże wahania temperatury powietrza zarówno dobowe jak i roczne są sporą przeszkodą w uzyskaniu oczekiwanej efektywności pomp ciepła pracujących z powietrzem jako dolnym źródłem. Urządzenia takie najbardziej mogą się sprawdzić w odpowiednich warunkach klimatycznych. W warunkach typowych dla naszej strefy klimatycznej, gdy temperatura często spada poniżej zera, na powierzchni parowacza może pojawić się oszronienie, które stanowi dodatkowy opór cieplny, a w skrajnych wypadkach uniemożliwia przepływ powietrza. W celu zapobiegania występowania tego zjawiska stosuje się systemy z funkcją okresowego odszraniania parowacza, sterowaną automatycznie, co jednak przyczynia się do wzrostu nakładu energii wymaganej do pracy urządzenia. Kolejną wadą pomp ciepła typu powietrze-powietrze lub powietrze-woda jest duża głośność wentylatorów.


Promieniowanie słoneczne

Energia Słońca może być wykorzystywana w układzie pompy ciepła połączonej z kolektorem słonecznym. Sposób odbioru ciepła przez absorber niczym nie różni się od rozwiązania stosowanego w klasycznym kolektorze słonecznym. Padające promienie słoneczne pochłanianie są przez zbudowany ze specjalnych materiałów absorber i dostarczają energię cieplną, nośnikowi, którym może być albo woda (lub inny czynnik roboczy), albo powietrze. Kolektor może pracować z pompą w układzie pośrednim, w którym ogrzane medium po dotarciu do parowacza, oddaje swoją energię czynnikowi roboczemu pompy ciepła (dwa obiegi nośników energii). Układ bezpośredni to taki, w którym ten sam czynnik odbiera energię od promieniowania słonecznego i następnie krąży w obiegu termodynamicznym pompy. Systemy takie charakteryzują się wysoką temperaturą dolnego źródła, jednak silnie zależną od warunków atmosferycznych, oraz wysokimi kosztami inwestycji.

 

Sztuczne źródła ciepła


Spaliny i gazy

W budownictwie mieszkalnym istnieje teoretyczna możliwość wykorzystania ciepła zużytego powietrza wentylacyjnego, którego temperatura waha się w granicach 20–25 °C. Wiąże się to jednak z koniecznością posiadanie przez obiekt odpowiedniej instalacji, a w przypadku jej braku z kosztowną modyfikacją istniejącego systemu. W Polsce większość budynków posiada wentylację grawitacyjną wywiewną, w której ciśnienie czynne strumienia powietrza jest zbyt niskie, aby mogło być wykorzystane w urządzeniach odzyskujących energię. Odpowiednia do tego typu systemów jest wentylacja mechaniczna wywiewna, która jak na razie jest jednak rzadko stosowanym rozwiązaniem w budownictwie.


Ścieki

W przypadku rozważania ścieków bytowych, podobnie jak w przypadku systemów odzyskujących ciepło z powietrza wentylacyjnego, ich wykorzystanie wymaga odpowiedniej instalacji wodno-kanalizacyjnej, w której oddzielone byłyby piony kanalizacyjne odprowadzające poszczególne rodzaje ścieków.


Płyny technologiczne, woda powrotna w systemach grzewczych

Ścieki technologiczne, a więc najczęściej zużyta woda, wykorzystywana w rozmaitych procesach przemysłowych cechują się temperaturami z przedziału około 25–60 °C. Są one efektem ubocznym tych procesów, a więc ich wykorzystanie zazwyczaj nie wymaga większych inwestycji w dolne źródło energii (wyłączając oczywiście przypadki, gdy taki potencjalny nośnik ciepła wymaga oczyszczania). Występowanie takiego ciepła odpadowego związane jest prawie zawsze z istnieniem zakładu przemysłowego, a więc także z zapotrzebowaniem na energię. Źródła ciepła odpadowego są więc atrakcyjne dla pomp ciepła o dużej mocy, zarówno sprężarkowych jak i sorpcyjnych, a ich wykorzystanie może przynieść duże oszczędności w zużyciu energii.

 

Za pozycjonowanie tego serwisu odpowiada Sunrise System.

Copyright © 2007 - Biomasa | Realizacja: SoftTree.pl | Programowanie: Maszyna.pl