Sondy gruntowe – wieloletni pomiar rzeczywistych

temperatur roboczych w budynku jednorodzinnym

Analiza ponad 20-letniej pracy pompy ciepła typu solanka/woda

Wymiana starej pompy ciepła na nową – porównanie efektów

Praktyczne zalecenia dla doboru sond gruntowych

Wydanie 1/2014

30.10.2014

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

2

Sondy gruntowe – dolne źródło ciepła

dla układów z pompami ciepła

Sondy gruntowe stanowią wysoce stabilne pod względem temperatury dolne

źródło ciepła, zapewniające wysoką efektywność pracy pompy ciepła.

Relatywnie niska temperatura gruntu w porównaniu do temperatury zewnętrznej

w okresie letnim, pozwala z kolei na wykorzystanie sond pionowych do chłodzenia

pasywnego budynku. W wielu krajach Europy Zachodniej i Północnej można

spotkać się z praktycznymi doświadczeniami użytkowników pomp ciepła, dzięki

czemu możliwe jest potwierdzenie

efektywności i trwałości tego

rodzaju urządzeń.

Pompy ciepła z lat 80/90

zaczynają również podlegać

wymianie na nowe bardziej

efektywne i przyjazne środowisku

naturalnemu.

3

Sondy gruntowe – stabilne źródło ciepła

i chłodu dla budynku

Od około 15 metrów głębokości, temperatura

gruntu pozostaje niezależna od pory roku. Poniżej

50 metrów, temperatura gruntu podnosi się

o około 3 stopnie na każde 100 metrów głębokości.

Prawidłowy dobór sond gruntowych musi

zapewniać dobre warunki dla ich regeneracji

temperaturowej poza sezonem grzewczym.

W praktyce istnieje niewiele dokładnych analiz

wieloletniej eksploatacji sond gruntowych. Jedna

z obszerniejszych analiz opisuje zachowanie się

systemu z pompą ciepła w budynku z połowy lat

80-tych…

Lato Zima

Źródło: Leitfaden Erdwärme. BWP 2011

Str

efa

sezo

no

wa

Str

efa

neu

traln

a

Gra

die

nt

tem

pera

tury

4

Monitoring pracy systemu grzewczego

z pompą ciepła w budynku jednorodzinnym

Parametry charakterystyczne dla budynku jednorodzinnego

Budynek jednorodzinny wolnostojący

Lokalizacja: Untersiggenthal (Baden, Szwajcaria) 372 m n.p.m.

Rok budowy: 1985

Powierzchnia ogrzewana: 150 m2

Izolacja cieplna ścian: styropian 100 mm

Stolarka okienna: 3-szybowa

System ogrzewania podłogowego, wykorzystywany dodatkowo

od 1996 roku do chłodzenia naturalnego

Wentylacja budynku: grawitacyjna

Wskaźnik zapotrzebowania ciepła: 100÷110 kWh/m2rok

Maksymalne zapotrzebowanie ciepła: 11 kW

Liczba dni sezonu grzewczego: 200 dni

W 1985 roku budynek jako pierwszy w Untersiggenthal (około

2.300 budynków) został wyposażony w pompę ciepła. W roku

2009 budynków z pompą ciepła typu solanka/woda było 43.

5

Monitoring pracy systemu grzewczego

z pompą ciepła w budynku jednorodzinnym

Rok inwestycji: 1985

2 odwiert, sondy podwójne (U-rurka), z tworzywa HDPE 252,3 mm

Odległość między odwiertami: 10 metrów

Głębokość sond gruntowych 2 60 metrów dobrana z naddatkiem 20%

Wypełnienie sond pionowych bentonitem Al2O34SiO22H2O

Typ gruntu: morena (piasek, iły) i wody powierzchniowe, przewodność cieplna: = 1,25 W/mK

Przewody poziome do budynku ułożone na głębokości 1,5 m stanowią dodatkowy „kolektor gruntowy”

Parametry charakterystyczne dla sond gruntowych

Przewody

15+25 m

Sonda 1

Sonda 2

Pozyskiwana moc chłodnicza:

zakładana 50 W/m, mierzona 53 W/m

Czynnik: woda/glikol monoetylenowy 26%

(temperatura krzepnięcia -14 oC)

Natężenie przepływu: 1690 l/h

Ciśnienie robocze: 2 bar

6

Monitoring pracy systemu grzewczego

z pompą ciepła w budynku jednorodzinnym

Pompa ciepła solanka/woda o mocy grzewczej: 10÷11 kW

Sprężarka rotacyjna, pobór mocy elektrycznej: 3,8÷4,2 kW

Moc chłodnicza: 7 kW

Czynnik chłodniczy: R22 (obecnie niedopuszczalny)

Czas pracy w sezonie grzewczym: 1270÷1660 h (w okresie 10 lat)

Średni czas pracy sprężarki: 20 min/start

Roczna efektywność pompy ciepła SPF = 2,53÷2,71

Zasobnik wody użytkowej 1500 litrów, pracujący przez 73% czasu

w tańszej taryfie i 27% w droższej taryfie kosztów energii elektrycznej

Temperatury robocze: zasilanie maks. 33 oC (dla -18 oC na zewnątrz)

Parametry charakterystyczne dla systemu grzewczego

1985

Pompa ciepła zainstalowana w roku 1985 była stale eksploatowana

bezawaryjnie przez 23 lata. W 2008 roku została wymieniona na nową

pompę ciepła z uwagi na wymagane zastąpienie czynnika R22 nowym

neutralnym dla środowiska naturalnego. Dodatkowo nowa pompa ciepła

ze sprężarką typu Scroll obniżyła o 30% koszty eksploatacyjne.

7

Porównanie pomp ciepła – „stara” z 1985 roku

oraz po wymianie w 2008 roku

W 2008 roku dokonano wymiany pompy ciepła na nową…

Stara pompa ciepła Nowa pompa ciepła

Typ sprężarki rotacyjna Scroll

Czynnik chłodniczy R22 R407C

Trwałość (szacowana) 15-20 lat 20-25 lat

Okres eksploatacji 1985-2008 od 2008

Podgrzewanie wody użytkowej nie nie

Chłodzenie naturalne tak, 5 kW tak, 5 kW

Zasobnik buforowy 1500 dm3 odłączony

Maksymalna moc grzewcza 11 kW 9 kW

Efektywność roczna SPF 3,0 (sama pompa ciepła)

2,6 (z pompami obiegowymi)

4,0 (sama pompa ciepła)

3,6 (z pompami obiegowymi)

Udział ciepła (elektryczne)

Udział ciepła (z sond)

11,0/2,8 = 3,9 kW (35%)

11,0-3,9 = 7,1 kW (65%)

9,0/4,0 = 2,2 kW (25%)

9,0-2,2 = 6,8 kW (75%)

Pobór mocy przez pompy obiegowe 375 W 270 W

Zużycie energii elektrycznej całkowite 7.000 kWh/rok 4.900 kWh/rok (-30%)

Obciążenie sond gruntowych 7.100/120 = 59 W/m 6.800/142= 57 W/m

8

Temperatura gruntu mierzona w sondach wynosi w ciągu roku od 4 do 13 oC.

Najniższa temperatura 0 oC notowana była w nowym budynku w sezonie 1986/87

Różnica temperatury pomiędzy zasilaniem i powrotem solanki: 3 do 4 K

W 1996 roku uruchomiono chłodzenie, a w 2008 roku wymieniono pompę ciepła

Te

mp

era

tura

gru

ntu

(oC

)

maksymalne

temperatury latem

minimalne

temperatury zimą

Wyniki monitoringu eksploatacji sond

gruntowych – temperatura gruntu

9

Czas pracy pomp ciepła wynosi przeciętnie 1400÷1600 godzin na sezon

grzewczy (ok. 200 dni). Zgodnie z wytycznymi projektowymi Vaillant jest to

skrócony czas pracy pompy ciepła, zapewniający niższe obciążenie dolnego

źródła ciepła i korzystne warunki regeneracji cieplnej.

Cza

s p

racy p

om

py c

iep

ła (

h)

Wyniki monitoringu eksploatacji sond

gruntowych – czas pracy

10

Wyniki monitoringu eksploatacji pompy ciepła

- zużycie energii elektrycznej

Zużycie energii elektrycznej w latach 1986-1995 wynosiło ok. 6.000 kWh na rok.

Od roku 1996 wzrosło o około 13% wskutek uruchomienia naturalnego chłodzenia

budynku. W roku 2008 po wymianie pompy ciepła na nową, zużycie energii

elektrycznej obniżyło się o – 30%.

Zu

życie

en

erg

ii e

lektr

yczn

ej (k

Wh

)

- 30%

11

Regeneracja cieplna sond gruntowych

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

07 2009

09 2009

11 2009

01 2010

04 2010

06 2010

08 2010

10 2010

12 2010

01 2011

04 2011

06 2011

08 2011

10 2011

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Grzanie Grzanie Chłodzenie Chłodzenie

Te

mp

era

tura

gru

ntu

(oC

)

Temperatura gruntu w dolnym źródle ciepła przed sezonem grzewczym powraca

do poziomu sprzed poprzedniego sezonu grzewczego. Oznacza to pełną

regenerację cieplną sond gruntowych. Na regenerację korzystnie wpływa

chłodzenie naturalne i oddawanie do gruntu latem ciepła pobieranego z budynku

12

Zalecenia dla doboru dolnego źródła ciepła

Analiza pracy systemu grzewczego w budynku z 1985 roku potwierdza reguły

projektowe dla pomp ciepła i jednocześnie we wnioskach zaleca się, aby sondy

gruntowe dobierać dla bezpieczeństwa z naddatkiem, tzn. zakładać niższą moc

chłodniczą i zarazem większą długość. Wnioski podkreślają, że pomimo 23-letniej

pracy sond gruntowych, można było wykorzystać je do dalszej pracy z nową

pompą ciepła. Jest to więc rozwiązanie trwałe i zachowujące sprawność.

Wytyczne projektowe dla pomp

ciepła Vaillant geoTHERM

solanka/woda

dla monitorowanych sond

gruntowych pozyskiwana moc

chłodnicza wynosi 50÷60 W/m

(dla 1400÷1600 h/rok)

wartość zalecana do doboru

według wytycznych wynosi 65÷80

W/m (dla 1800 h/rok)

13

Wymiana pompy ciepła typu solanka/woda

Przykład budynku ze Szwajcarii wskazuje, że właściwie dobrane i wykonane

sondy gruntowe pozwalają na wieloletnią efektywną eksploatację, przez co

możliwe jest ich wykorzystanie także po wymianie pompy ciepła.

Nowe pompy ciepła cechują się wyższymi efektywnościami pracy. Przy takiej

samej więc całkowitej mocy grzewczej jak dla starej pompy ciepła, będą wymagać

mniejszej energii elektrycznej. Jednocześnie większa moc chłodnicza spowoduje

większe obciążenie (schładzanie) dolnego źródła ciepła. Dlatego w analizowanym

budynku nowa pompa ciepła zainstalowana w 2008 roku posiada mniejszą moc

grzewczą (9 zamiast 11 kW). Tym samym porównywalna będzie moc chłodnicza

i obciążenie sond gruntowych.

Nowa pompa ciepła nie wykorzystuje do pracy zbiornika buforowego, ponieważ

akumulację ciepła podczas przerw (wyłączanie przez zakład energetyczny) pełni

układ ogrzewania podłogowego.

Wnioski z analizy pracy systemu podkreślają niskie koszty eksploatacyjne,

minimalny zakres czynności serwisowych oraz niezawodność i trwałość

rozwiązań opartych o pompy ciepła typu solanka/woda.

Chłodzenie

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

Ogrzewanie

Energia odnawialna

Kotły gazowe

Kotły olejowe

Pompy ciepła

Kolektory słoneczne

Systemy wentylacji