Gruntowy wymiennik ciepła w rzeczywistych warunkach

Przyszłych i obecnych właścicieli pomp ciepła, pobierających ciepło z gruntu, zainteresować powinny wyniki badań gruntowych wymienników ciepła: poziomych i pionowych. Mogą oni porównać pracę swoich instalacji z wynikami tych, które badano lub dowiedzieć się czego można się spodziewać po takiej instalacji.

 

Instytut Fraunhofera ISE we Freiburgu (Niemcy), od wielu lat prowadzi badania nad pompami ciepła. W ramach badań monitoruje pracę rzeczywistych instalacji pracujących w realnych warunkach – w rzeczywistych domach różnej wielkości i o różnym zapotrzebowaniu na ciepło. W ramach badań prowadzonych przez 3 lata (od lipca 2007 r. do czerwca 2010 r.), monitorowano 41 instalacji z pompami ciepła współpracującymi z pionowymi wymiennikami gruntowymi (tzw. sondami gruntowymi) oraz 15 instalacji z wymiennikami poziomymi (kolektorami gruntowymi).

Różne domy więc i różne wielkości wymienników:
– sondy gruntowe: łączna długość od 70 m do 300 m; średnia długość: 146 m
– kolektory gruntowe: powierzchnia wymiennika od 52 m2 do 600 m2; średnia: 236 m2.

Ciepło pozyskiwane z gruntu:
Zmierzone średnie wartości ciepła pozyskiwanego z wymienników w ciągu roku wyniosły:
– dla sond gruntowych: 53 W/m2,
– dla kolektorów gruntowych: 35 W/m2.

Efektywność pracy instalacji

Efektywność pracy wszystkich badanych instalacji określono na podstawie pomiarów rzeczywistego zużycia prądu i ilości dostarczonego ciepła do ogrzewania domów. Czyli, na podstawie zmierzonych wartości obliczono współczynniki efektywności instalacji – SPF. Współczynnik efektywności SPF określa ilość ciepła dostarczonego przez pompę ciepła do ogrzewania domów, do zużycia energii elektrycznej przez pompę ciepła i wszystkie urządzenia elektryczne pracujące w instalacji. SPF obliczono w poszczególnych miesiącach i dla całego badanego okresu.

Rys. Średnie miesięczne współczynniki efektywności pracy instalacji pomp ciepła (SPF) z poziomymi i pionowymi wymiennikami gruntowymi; oraz średnie dla całego badanego okresu (od lipca 2007 r. do czerwca 2010 r).

Rys. Średnie miesięczne współczynniki efektywności pracy instalacji pomp ciepła (SPF) z poziomymi i pionowymi wymiennikami gruntowymi; oraz średnie dla całego badanego okresu (od lipca 2007 r. do czerwca 2010 r).

Przyglądając się efektywności pracy badanych instalacji zauważymy, że:
– w całym badanym okresie efektywniej pracowały instalacje wyposażone w wymiennik gruntowy pionowy (SPF = 3,94), chociaż różnica jest niewielka w porównaniu z wymiennikami poziomymi, których SPF = 3,76,
– w zależności od pory roku (miesiąca), zmienia się przewaga jednego rozwiązania nad drugim: od grudnia do kwietnia SPF instalacji z pionowymi wymiennikami jest wyższy, w okresie letnim i jesienią przewagę nad pionowymi pokazują instalacje z wymiennikami gruntowymi poziomymi.

Temperatura solanki

Solanka („glikol”), płynąc w rurach wymiennika poziomego lub pionowego, ogrzewa się ciepłem gruntu. Podgrzana trafia do pompy ciepła, która odbiera od niej ciepło. Ochłodzona solanka trafia z powrotem do wymiennika gruntowego. Im wyższa temperatur solanki zasilającej pompę ciepła, tym wyższy COP pompy, co przekłada się również na wyższy współczynnik efektywności całej instalacji – SPF. W badanych instalacjach, temperatura solanki zasilającej pompę ciepła była wyższa w miesiącach zimowych dla instalacji z wymiennikami pionowymi. Czyli wtedy, gdy dom potrzebuje najwięcej ciepła do jego ogrzewania.

 

Rys. Średnie dzienne temperatury zasilania solanki dla instalacji z poziomymi i pionowymi wymiennikami gruntowymi.

Rys. Średnie dzienne temperatury zasilania solanki dla instalacji z poziomymi i pionowymi wymiennikami gruntowymi.

Porównując wykresy zauważymy, że temperatury solanki z wymienników pionowych w mniejszym stopniu zmieniały się w poszczególnych miesiącach – bardziej stabilna temperatura w całym okresie grzewczym. Wynika to z tego, że wymienniki poziome znajdują się na mniejszych głębokościach, przez to są bardziej podatne na wpływ temperatury powietrza atmosferycznego – na temperatury zewnętrzne. Zauważymy również, że w żadnej instalacji z wymiennikami poziomymi temperatura solanki nie spadał poniżej 0°C.
Zmiany temperatury dla wymienników pionowych są mniejsze niż w przypadku wymienników poziomych. Pomimo dużych zmian temperatury powietrza zewnętrznego, solanka zasilająca pompę ciepła miała w badanym okresie temperaturę między 4 a 13°C.

Regeneracja gruntu

W okresie grzewczym, pompy ciepła pobierają ciepło z gruntu. W lecie, wymienniki regenerują się dzięki opadom deszczu, promieniowaniu słonecznemu, itd. Można powiedzieć, że w lecie grunt nagrzewa się, czyli gromadzi ciepło, które pompa ciepła wykorzysta w zimnych miesiącach roku. Żadna z badanych instalacji nie miała problemów z regeneracją. Widać to po temperaturach solanki. Po sezonie grzewczym temperatury solanki szybko wracały do poziomu sprzed okresu grzewczego. O tym, czy pompa ciepła zużywać będzie więcej lub mniej prądu oraz czy instalacja będzie pracować niezawodnie i bezawaryjnie, decydują wszystkie elementy, czyli: pompa ciepła, instalacja ogrzewania domu i wymiennika gruntowego. Wszystkie muszą zostać starannie zaprojektowane i wykonane, ponieważ za błędy zapłaci inwestor. Najmniej odczuwalną formą zapłaty, będą wyższe rachunki za ogrzewanie domu. Najbardziej dotkliwą – uszkodzenia, których usunięcie wymagać będzie dodatkowych nakładów finansowych.
Wyniki badań potwierdzają, że wymienniki pionowe są „lepsze” od poziomych. Chociaż, przy właściwie zaprojektowanej instalacji, różnice nie powinny być znaczne.

Źródło: Wyniki badań dolnych źródeł ciepła z pompami ciepła typu solanka/woda. Marek Miara. Instalreporter.pl

Link do artykułu źródłowego: http://instalreporter.pl/ogolna/wyniki-badan-dolnych-zrodel-ciepla-z-pompach-ciepla-typu-solankawoda/