W wielu krajach europejskich można spotkać praktyczne doświadczenia użytkowników ponad 20-letnich pomp ciepła. Mogą one potwiedzić efektywność rozwiązania, ale przede wszystkim trwałość i niezawodność. Prawidłowo dobrane i wykonane sondy pionowe cechuję się dłuższą trwałością niż same pompy ciepła. Często wymiana pompy ciepła na nową wynika z chęci podniesienia poziomu komfortu obsługi i efektywności pracy, a także konieczości wymiany czynnika chłodniczego na dopuszczone obecnie neutralne dla środowiska naturalnego.

1. 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. 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. 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
Strefa sezonowa
Strefa neutralna
Gradient temperatury

4. 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. 5
Monitoring pracy systemu grzewczego z pompą ciepła w budynku jednorodzinnym
Rok inwestycji: 1985
2 odwiert, sondy podwójne (U-rurka), z tworzywa HDPE  252,3 mm
Odległość między odwiertami: 10 metrów
Głębokość sond gruntowych 2 60 metrów dobrana z naddatkiem 20%
Wypełnienie sond pionowych bentonitem Al2O34SiO22H2O
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. 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. 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. 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
Temperatura gruntu (oC)
maksymalne temperatury latem
minimalne temperatury zimą
Wyniki monitoringu eksploatacji sond gruntowych – temperatura gruntu

9. 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.
Czas pracy pompy ciepła (h)
Wyniki monitoringu eksploatacji sond gruntowych – czas pracy

10. 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%.
Zużycie energii elektrycznej (kWh)
- 30%

11. 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
Temperatura gruntu (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. 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. 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.

14. Chłodzenie
www.eko-blog.pl
www.vaillant.pl
Ogrzewanie
Energia odnawialna
Kotły gazowe
Kotły olejowe
Pompy ciepła
Kolektory słoneczne
Systemy wentylacji