Jak nie wymrozić wymiennika w gruntowych pompach ciepła?

Zwiększająca się popularność pomp ciepła przyczynia się do większego zainteresowania tymi urządzeniami (nie tylko na zasadzie urządzeń – czarnych skrzynek), ale również technologią i uwarunkowaniami związanymi ze sprawnym ich wykorzystaniem. Na nowo zaczyna odkrywać się, iż pompa ciepła ściśle integruje się z otoczeniem zewnętrznym (stanowiącym tzw. dolne źródło ciepła), jak i wewnętrznym (systemem ogrzewania – tzw. źródło górne). To właśnie zależności: geometryczne, cieplne i hydrauliczne między tymi układami determinują sposób pracy pompy ciepła. W cyklu porad dotyczących wykorzystania gruntowych pomp ciepła przedstawię problem wymrażania wymiennika, który może mieć miejsce z powodu błędów podczas projektowania i obliczeń energetycznych lub nieprawidłowego użytkowania.

 

Grunt jako akumulator ciepła– ład

m okresowego/stałego miejscowego obniżenia się temperatury wokół wymiennika, czego konsekwencją jest powstanie „czapy lodowej”, utrudniającej transport ciepła między dolnym źródłem a czynnikiem roboczym. Spowodowane jest to zaburzeniami w przepływie ciepła między gruntem a wymiennikiem. Z gruntu nie można więcej odebrać
ciepła niż do gruntu ciepła dochodzi (głównie samoistnie, ewentualnie wspomagane może być tzw. „ładowaniem gruntu” w okresie lata).
Wymiennik gruntowy pracuje w sposób cykliczny. Są okresy rozładowania (pobierania ciepła) oraz ładowania (najczęściej naturalnego).
Wartości temperatury cieczy roboczej w gruntowym wymienniku ciepła zmieniają się sezonowo podczas eksploatacji, dla wymienników:
– pionowych w zakresie od 2 do 12oC;
– poziomych w większym zakresie zmian od -2 do 17oC (dla prawidłowo wykonanych i eksploatowanych urządzeń, bez dodatkowej regeneracji).
Wartości minimalne dotyczą temperatury pod koniec okresu grzewczego, maksymalne na jego początku.

Jak nie wymrozić wymiennika?

Zapewnić prawidłową wielkość wymiennika
Wielkość wymiennika dobierana jest najczęściej na podstawie jednostkowej mocy chłodniczej gruntu (dla wymiennika pionowego w W/m, dla poziomego w W/m2). Należy stosować się do odpowiednich wytycznych w tym zakresie, po wcześniejszym zapoznaniu się ze strukturą geologiczną gruntu. Z punktu pracy pompy ciepła i wymiennika gruntowego zdecydowanie korzystniejszym jest jego przewymiarowanie (wyższe wartości temperatury pracy dolnego źródła) niż niedowymiarowanie.

Zachować odpowiednią odległość podczas układania obiegów wymiennika
W przypadku wymienników pionowych odległość sond uzależniona jest od ich głębokości (im głębsza, tym odległość większa). W
przypadku wymienników poziomych meandrycznych odległości rur uzależnione są od średnicy rury oraz stopnia nawodnienia.

Zrównoważyć hydraulicznie obiegi wymiennika
Niezrównoważony układ szybko prowadzić może do intensywniejszej pracy jednego z obiegów, a tym samym obniżeniem lokalnym temperatury obiegu.

Zachować bezproblemowy przepływ ciepła pomiędzy wymiennikiem a gruntem
Problem może pojawić się dla wymienników pionowych. Niewypełnienie odwiertu wymiennika – przestrzeni pierścieniowej (miejscowa praca „na powietrzu” zamiast zapewnienia
kontaktu z gruntem), przyczynia się do wydłużenia czasu pracy (konieczność przekazania wymaganej ilości ciepła do pompy ciepła).

Zachować maksymalny czas pracy wymiennika
Okres rozładowania gruntu następuje w porze zimowej, liczonej najczęściej od października do kwietnia. Czas pracy dolnego źródła nie może być dłuższy niż czas założony w projekcie. Z reguły
jest to ok. 1800 h. Przyjmuje się, iż czas ten nie powinien być dłuższy niż 2400 h – w tym jednak przypadku należy przyjąć mniejszy strumień cieplny, a tym samym powiększyć
wymiennik, aby uzyskać zadaną moc chłodniczą. W warunkach standardowego wykorzystania wymiennika czasy te z reguły nie są przekraczane (poprawnie dobrane ogrzewanie), w przeciwnym wypadku np. ogrzewanie basenu należy skorzystać z tzw. maksymalnej energii chłodniczej (wielkość stosowana w wymiennikach pionowych).

Zapewnić prawidłową regenerację wymiennika
Ładowanie naturalne gruntu występuje w ciągu całego roku, przy czym w okresie półrocza letniego ma decydujące znaczenie. Dla wymienników pionowych regeneracja następuje głównie ciepłem ziemi, dla poziomych – energią promieniowania słonecznego i opadami deszczu. Z tego powodu konieczne jest zapewnienie przestrzeni (niezabudowanej, niezarośniętej) nad wymiennikiem. Dodatkowo można zastosować ładowanie sztuczne gruntu poprzez wykorzystanie ciepła (chłodu) gruntu do chłodzenia pasywnego budynku. Brak odpowiedniego ładowania gruntu przyczynia się do stopniowego jego wychładzania, czego konsekwencją jest mrożenie  wymiennika.

Zachować bilans ciepła gruntu
Zachowanie bilansu ciepła pomiędzy ilością ciepła pobieranego z gruntu a ilością ciepła dostarczanego do gruntu (wokół wymiennika). Równowagę najłatwiej można uzyskać, przestrzegając
maksymalnych czasów korzystania z ciepła zgromadzonego w gruncie.

Zachować odpowiedni przepływ w wymienniku
Przepływ ten musi gwarantować spadek temperatury na poziomie zalecanym przez producenta (z przedziału 3-5 K). Większe przepływy przyczyniają się do niewielkich przyrostów temperatury i zbyt intensywnej eksploatacji gruntu.

Stosować bezwzględnie ciecze niezamarzające
Nie można stosować wody, gdyż wartości temperatury pracy dolnego źródła oscylują okresowo poniżej temperatury 0oC. Z tego względu należy stosować płyny niskokrzepnące np. roztwory glikolu propylenowego, etylenowego.

Wykorzystywanie pompy ciepła do ogrzewania budynku po jego wysezonowaniu
Nie wolno osuszać pompą ciepła budynku. Prowadzi to w sposób bezpośredni do wymrażania wymiennika.

Spełnienie powyższych zaleceń gwarantuje bezproblemową, bezobsługową i długą pracę wymiennika gruntowego, który współpracując z pompą ciepła, zapewni użytkownikowi wysokoefektywny energetycznie, czyli tani i ekologiczny sposób ogrzewania budynku.