Tepelné čerpadlo země-voda poskytuje nižší náklady na vytápění než vzduchové čerpadlo. Dobře navržený a vyrobený zemní výměník tepla má vliv na efektivní provoz čerpadla. PRŮVODCE: vše, co potřebujete vědět o tepelném čerpadle země-voda.

Tepelné čerpadlo země-voda je plně automatické topné zařízení, které lze použít k vytápění vašeho domova a výrobě teplé užitkové vody, stejně jako k chlazení vašeho domova v létě. Dobře zvolené tepelné čerpadlo země-voda bude v takové aplikaci fungovat, aniž byste museli investovat do dalšího topného zařízení, které by ho podporovalo v zimě při velmi nízkých teplotách.Nutnost instalace přídavného topného zařízení by nejen prodražila topný systém, ale také by si vynutila rozšíření a komplikovanost instalace. Zemní tepelné čerpadlo čerpá energii ze země, jejíž teplota je v určité hloubce i v zimě při velkých mrazech konstantní a vždy kladná. Tepelné čerpadlo země-voda je šetrné k životnímu prostředí – využívá obnovitelnou energii akumulovanou v půdě a nevypouští do ovzduší žádné škodliviny. Tepelné čerpadlo země-voda lze instalovat do každého domu, nového i modernizovaného, zejména tam, kde není přístup k plynové nebo topné síti. Přestože je investice do zemního tepelného čerpadla nákladná, zařízení umožňuje získat tepelnou energii levně. Nejlepšího efektu dosáhnete napájením zemního tepelného čerpadla elektřinou z fotovoltaické instalace. Proč jsou náklady na investici do tepelného čerpadla země-voda vysoké? Jelikož je nutné provádět tzv spodní zdroj, kterým může být horizontální kolektor položený v hloubce 1,5m.Stavba vertikálního kolektoru je mnohem dražší než horizontálního, protože vyžaduje vrty hluboké i více než 50 m.

Obsah

  1. Pro koho je tepelné čerpadlo země-voda určeno
  2. Pozemní tepelné čerpadlo v polském klimatu
  3. Tepelné čerpadlo země země - potřebuji stavební povolení nebo ohlášení?
  4. Jak funguje tepelné čerpadlo země-voda
  5. Pozemní kompresor tepelného čerpadla
  6. Tepelné čerpadlo země země s horizontálním výměníkem tepla
  7. Jaká velikost zemního výměníku?
  8. Výpočet plochy horizontálního výměníku zemního tepelného čerpadla
  9. Vertikální výměník zemního tepelného čerpadla
  10. Výpočet délky vertikálního výměníku zemního tepelného čerpadla
  11. Zemní tepelné čerpadlo – menší výkon znamená levnější instalaci
  12. Jaké potrubí pro zemní výměník tepelného čerpadla?
  13. Pracovní kapalina v instalaci tepelného čerpadla země-zdroj
  14. Cena tepelného čerpadla země

Pro koho je tepelné čerpadlo země-voda určeno

Když je topná instalace ještě ve fázi návrhu, není problém ji přizpůsobit parametrům každého tepelného čerpadla a na nezastavěném pozemku většinou nebrání výstavbě výměníku potřebného pro příjem tepla z zem. Musíte vědět, že teplo v zemi v hloubce 1,5 m pochází téměř výhradně ze srážek a sluneční energie, takže povrch nad výměníkem by měl být dobře vystaven slunečnímu záření a musí být propustný pro vodu. Nad ní nelze vysadit rostliny, jejichž kořeny by mohly potrubí v budoucnu poškodit. Je třeba také počítat s tím, že provoz tepelného čerpadla snižuje teplotu půdy o několik stupňů, což narušuje vegetaci rostlin. Z tohoto důvodu je instalace tepelného čerpadla země-voda na dlouho zastavěném pozemku často příliš problematická.

Výhody tepelného čerpadla země-voda:

  • má vyšší účinnost ve srovnání se vzduchem, jeho provozní náklady jsou velmi nízké
  • je nejúčinnějším zdrojem tepla
  • stabilní provoz i v nejchladnějším období díky konstantní teplotě země
  • je bezúdržbový
  • může také poskytnout levné chlazení v létě
  • venku nedělá hluk
  • na jeho pořízení získáte nejvyšší dotaci - ověřte si aktuální dotace na tepelná čerpadla

Závada tepelného čerpadla země:

  • vysoká pořizovací cena
  • na pozemku musíte mít místo pro jeho zemní výměník tepla
  • jeho montáž je obtížnější než u vzduchového čerpadla, kvůli nutnosti vyrobit spodní zdroj

Pozemní tepelné čerpadlo v polském klimatu

Teplota země je mnohem stabilnější než teplota vzduchu, takže tepelné čerpadlo země nemusí pracovat v širokém rozsahu teplot výparníku a jeho komponenty tak mohou být levnější než vzduchové čerpadlo s dobré parametry. V určité hloubce pod zemským povrchem, zvané hloubka mrazu, je teplota vždy nad 0oC. Polsko je rozděleno do čtyř zón, kde se hloubka pohybuje od 0,8 m (v zóně I) do 1,4 m (v zóně IV). Lokálně se může teplota země od těchto hodnot lišit (země může být ochlazována např. silným větrem). Dá se však říci, že v hloubce větší než 1,5 m má zem vždy kladnou teplotu. Čím hlouběji jdete, tím je teplota země stabilnější - neochlazuje se studeným vzduchem, ale také se méně zahřívá vlivem slunečního záření.

Tepelné čerpadlo země země - potřebuji stavební povolení nebo ohlášení?

Mezi práce uvedené v platném stavebním zákoně, které nevyžadují stavební povolení ani ohlášení, patří instalace tepelného čerpadla.O zemním výměníku však není ani zmínka. Vzhledem k tomu, že jednotlivé čistírny odpadních vod a přípojky médií, které vyžadují obdobné zemní práce jako pro stavbu horizontálního zemního výměníku tepla, jsou vyjmuty z požadavku na povolení, v praxi nemusí být stavební povolení vyžadováno (nejlépe je požádat městské úřady) . Pak už jen stačí oznámit záměr stavby a počkat 30 dní na tzv. tichý souhlas.

Zemní práce související s uspořádáním takového zařízení mohou podléhat omezením vyplývajícím z vodoprávního zákona, pokud rozhodnutí o stanovení ochranného pásma odběru vod obsahuje ustanovení o zákazu jejich provádění.

Na výstavbu vertikálního výměníku se však vztahují ustanovení geologického a horního zákona. V takovém případě je nutné zpracovat plán geologických prací, který by měl být předložen příslušnému geologickému správnímu úřadu nejpozději osm týdnů před zamýšleným termínem zahájení prací.Mohou se připojit, pokud do 30 dnů od data předložení projektu nevznese starosta rozhodnutím námitku. Záměr provést vrtné práce je třeba nahlásit příslušnému geologickému správnímu úřadu, úřadu báňského dozoru a přednostovi obce, starostovi nebo hejtmanovi příslušnému pro místo výkonu práce - nejméně dva týdny před zamýšleným termínem zahájení. Vrtání mohou provádět pouze osoby s příslušnou kvalifikací. Do šesti měsíců od ukončení prací musí být geologickému správnímu úřadu předložena „Dokumentace provedených geologických prací za účelem využití tepla země“, obsahující přehled a shrnutí provedených prací a výzkumů.

Čtěte také:

  • Náklady na vytápění tepelným čerpadlem
  • Kdy investovat do tepelného čerpadla země-voda a kdy do vzduchového tepelného čerpadla
  • Účinnost tepelného čerpadla - co to je, jak se měří?
  • Výměna uhelného kotle za tepelné čerpadlo - jaké mohou být problémy?

Jak funguje tepelné čerpadlo země-voda

Pro příjem tepla ze země je zapotřebí zemní výměník tepla. Je to jednoduše potrubí umístěné v zemi vytvářející smyčku, ve které cirkuluje kapalina běžně nazývaná solanka. Smyčka (v praxi jich je několik) prochází přes výparník zemního tepelného čerpadla, ve kterém teplota solanky klesá a je nižší než teplota země. Solanka se dále protéká potrubím v zemi a postupně se zahřívá. Nakonec se vrací zpět do výparníku, kde odevzdává teplo. Zprostředkovává tak jeho výměnu mezi zemí a výparníkem čerpadla. Výměník může být horizontální nebo vertikální. Volba řešení může být dána velikostí pozemku - na horizontální výměník je potřeba několik set metrů čtverečních a na vertikální sondy několik desítek. V současnosti se nejčastěji instalují tepelná čerpadla země-voda s vertikálním výměníkem.Důležité je, aby výměník nebyl příliš malý – po celou topnou sezónu dostává čerpadlo ze země několik megawatthodin tepla. Pokud je příliš malý, dojde k jeho podchlazení a následně zemní čerpadlo nemůže správně fungovat. Řídicí systém tepelného čerpadla země-voda jej obvykle vypne, když teplota solanky klesne na -7oC, protože pod touto hodnotou jsou procesy v kompresorovém cyklu nadměrně narušeny.

Pozemní kompresor tepelného čerpadla

Kompresor je srdcem každého tepelného čerpadla. Spolu s expanzním ventilem slouží ke stlačování a expanzi chladiva a vytváření výměny tepla v kondenzátoru a výparníku. Většina tepelných čerpadel země-voda používá on-off rotační spirálové kompresory, které mají obvykle pevný výkon. Kompresor však může být vybaven invertorem s plynulou proměnlivou kapacitou. To umožňuje modulovat výkon zemního tepelného čerpadla, tedy lépe přizpůsobit jeho provozní parametry (topný výkon) potřebám objektu v daném okamžiku.Při použití s invertorovým kompresorem má tepelné čerpadlo lepší COP a běží méně často, takže jeho provoz stojí méně.

Tepelné čerpadlo země země s horizontálním výměníkem tepla

V případě horizontálního trubkového výměníku je optimální hloubka 0,2-0,5 m pod hranicí námrazy. Pokud je však vodní tok v relativně malé hloubce, pak je nejlepším řešením umístit potrubí do něj. Tepelné čerpadlo země-voda pak dosahuje vyšší COP. Potrubí horizontálního výměníku se uloží do předem připraveného výkopu o rozměrech odpovídajících požadované ploše výměníku. Provádějí se ve formě cívky (meandrů) po celém povrchu výkopu se specifickými intervaly mezi sousedními úseky. Rozteč by neměla být menší než 0,4 m ani větší než 1,2 m – přizpůsobeno typu půdy, což určuje její schopnost „regenerace“ (doplňování tepla).Čím déle je povrch země zamrzlý, tím větší by měly být rozestupy.

Mějte na paměti, že tepelný výkon výměníku tepla nevyplývá z délky potrubí, ale z povrchu země, na kterém je položen. Menší rozestup neumožňuje odebírat z něj více tepla, ale vyžaduje delší potrubí. To se promítá do vyšších investičních a provozních nákladů, protože k čerpání solanky delším potrubím je potřeba výkonnější oběhové čerpadlo. Na druhou stranu příliš velká vzdálenost mezi trubkami znamená, že teplo není přijímáno v předpokládaném množství, takže výkon výměníku je nižší.

Horizontální zemní tepelné čerpadlo - provozní schéma (obr. níže)

Výpočet plochy horizontálního výměníku zemního tepelného čerpadla

Výkon, kterým zemní výměník předává teplo, závisí na typu půdy a konkrétně na její vlhkosti. V závislosti na tom se pro výpočet povrchu horizontálního výměníku použijí následující hodnoty tepelné účinnosti země qg (pro polyetylenové trubky):

  • písková suchá - 10 W/m2
  • písková mokrá - 15-20 W/m2
  • hlína suchá - 20-25 W/m2
  • vlhká hlína - 25-30 W/m2
  • mokrý (vodonosná vrstva) - 35-40 W/m2.

Jsou to samozřejmě přibližné hodnoty.

Je těžké posoudit, zda je půda v celé ploše výměníku stejná až do zahájení stavby, proto je bezpečnější použít pro výpočet nižší hodnotu. Ve správně vyrobeném systému kompresor tepelného čerpadla pracuje od 1800 do 2400 hodin ročně - nižší tepelná účinnost půdy má za následek delší pracovní dobu.

Plocha výměníku se vypočítá podle následujícího vzorce: A=Qchł/qg

Příklad: potřeba domu na energii na vytápění je 14 kW a čerpadlo ji má plně pokrýt (má pracovat v monovalentním systému).Zvolené zařízení dosahuje tepelného (topného) výkonu 14 kW pro parametry B0/W35, dosahuje koeficientu výkonu COP=4,5. Chladicí výkon je tedy Qchch=(4,5-1)/4,5 14=10,9 kW, tj. 10 900 W. Výměník má být vyroben v suché jílovité půdě, jeho plocha by tedy měla být A=10 900/20=545 m2Všimněte si, že v případě vodonosné vrstvy může být výměník téměř poloviční velikosti, ale pokud je půda písčitá, jeho plocha přes 1000 m2 V této situaci je lepší umístit trubky svisle - do vrtů.

Vertikální výměník zemního tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo dosahuje vyšší COP, když jsou trubky výměníku umístěny svisle v zemi - ve vrtech hlubokých 40-150 m. Je to proto, že pod 10 m je teplota země celoročně kolem 10°CoC - tedy v zimě téměř o deset více než v hloubce 1,5 m.

Vyrobit vertikální výměník je však jednoznačně dražší než horizontální. Jedná se o svislé segmenty potrubí tvořící smyčku (trubka stéká po studni, dole se otáčí a je vedena nahoru). Říká se jim geotermální sondy. V tomto případě se nepočítá plocha, ale celková délka výměníku, obvykle sestávajícího z více než jedné sondy.

Ve vertikálních jamkách je umístěn jeden nebo dva páry trubek (sondy typu U nebo dvojité U). Zasouvání trubky do vrtu usnadňuje hlavice - prvek spojující svislé trubky, který lze přizpůsobit použití přídavné plnicí (tlačné) trubky. Do vyvrtaného otvoru se zasune hlava a s ní i trubky výměníku. Poté se do otvoru zavede plnicí trubkou betonovo-cementová směs.

Ve výměníku typu U kapalina stéká jednou trubkou dolů do hlavy a druhou se z ní vrací. V dvojitém výměníku typu U - teče dvěma trubkami dolů a dvěma nahoru.

Vzdálenost mezi studnami do hloubky 50 m by neměla být menší než 5 m, v případě hlubších od 8 do 15 m. Měly by být umístěny v linii kolmé ke směru proudění podzemní vody .

Výpočet délky vertikálního výměníku zemního tepelného čerpadla

V tomto případě je důležité zjistit, jak se vlastnosti země mění s hloubkou. Tyto informace mohou poskytnout geologické mapy a dokumentace dříve vrtaných vrtů v okolí. Na tomto základě je možné posoudit tloušťku jednotlivých vrstev zeminy a vypočítat průměrnou hodnotu součinitele tepelné vodivosti l pro plochu, kde mají být uloženy trubky výměníku. Výpočty však nejsou schopny zohlednit všechny pohyby podzemní vody a v praxi se často stává, že se získaný výsledek výrazně liší od skutečnosti. Aby bylo zajištěno, že vertikální výměník bude správně fungovat, je nutné provést zkoušku půdy v místě, kde má být vyroben.V tomto případě tepelná kapacita země qg závisí také na jejím typu.

Pro trubky PE80 je:

  • suchá písčitá půda - 10-12 W/m;
  • písková mokrá - 12-16 W/m;
  • středně suchý jíl - 16-18 W/m;
  • středně hlinitá mokrá - 19-21 W/m;
  • těžká hlína suchá - 18-19 W/m;
  • těžké jílovité mokré - 20-22 W/m;
  • mokrý (vodonosná vrstva) - 25-30 W/m.

Samozřejmě musíte vzít v úvahu tloušťku jednotlivých vrstev konkrétního typu zeminy a na tomto základě vypočítat celkový výkon každé sondy.

Tepelná účinnost zeminy se suchými i zvodněnými vrstvami při použití dvojitých U sond (čtyři trubky ve vrtu) je v průměru kolem 50 W/m. Jako hrubé vodítko lze tedy předpokládat, že v případě tepelného čerpadla uvažovaného ve výpočtovém příkladu horizontálního výměníku (s chladicím výkonem 10,9 kW) jsou vrty o celkové délce L=10 900/50=Je potřeba 218 m, tedy například čtyři 55 m každý.

Vertikální zemní tepelné čerpadlo - provozní schéma (obr. níže)

Zemní tepelné čerpadlo – menší výkon znamená levnější instalaci

Náklady na investici do zemního tepelného čerpadla jsou přímo úměrné tepelnému výkonu instalace. Proto i přesto, že s nástupem silných mrazů neklesá koeficient výkonu zemního čerpadla, stojí za zvážení použití tepelného čerpadla v bivalentním systému. Nejjednodušší je vybavit jej elektrickým průtokovým ohřívačem vody (většinou je nabízen jako příslušenství - k montáži do tělesa tepelného čerpadla). Poté se nastaví bivalentní bod a určí se pro něj potřebný tepelný výkon čerpadla. Pokud má tepelné čerpadlo země-voda vytápět dům nacházející se ve třetím klimatickém pásmu a předpokládáme, že jej lze podpořit elektrickým přímotopem pod venkovní teplotou -10oC, pak jeho tepelný výkon může být o 25 % nižší než návrhové tepelné zatížení vypočtené v souladu s PN-EN 12831.Nižší budou i náklady na výrobu zemního výměníku.

V tomto příkladu místo 10,9 kW chladicího výkonu stačí 8,2 kW, proto může mít horizontální výměník tepla 410 m2místo 545 m2 a vertikála 164 m místo 218 m. Výhodou je kromě nižší ceny i menší potřeba místa.

Jaké potrubí pro zemní výměník tepelného čerpadla?

Délka jedné smyčky (okruhu) je omezená - vyplývá to z výkonu oběhového čerpadla, kterým je tepelné čerpadlo země obvykle vybaveno z výroby (pokud ne, délka potrubí a vhodné oběhové čerpadlo vybere projektant instalace). Přípustná délka potrubí by měla být vyčtena z technických údajů zařízení. Záleží na průměru a druhu použité pracovní kapaliny (solného roztoku). V případě tepelných čerpadel s výkonem do několika kilowattů se používají od jedné do čtyř smyček po 100-400 m, vyrobené z trubky o průměru DN25 až DN65 (v závislosti mimo jiné na potrubí materiál).Pro horizontální výměníky se nejčastěji používají trubky z polyetylénu PE100 (pokud nejsou v zemi kameny) nebo PE100 RC, pro vertikální lze použít trubky PE80. Zemní výměníky tepla jsou také vyrobeny z PE-Xa, polybutylenu (PB) a měděných trubek s plastovým pláštěm.

Trubky zemního výměníku musí být naplněny kapalinou, která nezamrzá při mínusových teplotách, pro jistotu se předpokládá, že do -15oC, ačkoli tepelné čerpadlo má ochranu, která jej vypne při - 7oC (pak přestane ochlazovat zem). Protože atmosférický vzduch může být i chladnější, nesmí mu být trubka výměníku nikde vystavena - musí být zakopána v zemi v hloubce minimálně 0,5 m, případně tepelně izolována. V blízkosti potrubí procházejícího stěnou objektu je nutná izolace, aby do 2 m od základu nepromrzla zemina, což by mohlo způsobit stavební katastrofu.

Pracovní kapalina v instalaci tepelného čerpadla země-zdroj

V minulosti se v instalacích transportujících teplo ze země používal roztok NaCl soli, odtud dodnes funguje termín – čerpadla solanky. Solanka se už dávno nepoužívá. Nejoblíbenější je vodní roztok propylenglykolu považovaný za ekologický. Obecně se doporučuje pro plnění instalace - lze ji zakoupit jako hotovou pracovní kapalinu pro tuto aplikaci. Při jeho výběru byste se měli řídit doporučeními výrobce tepelného čerpadla, protože kapalina může obsahovat různé přísady inhibitorů, stabilizátorů, antioxidantů a odpěňovačů. Propylenglykol má nejen dostatečně nízký bod tuhnutí, ale také nekoroduje kovy, nerozpouští plasty a nezadírá čerpadla. Jeho hustota a viskozita, které se promítají do množství energie potřebné k čerpání, je však větší než u vody, proto se používá v malé koncentraci (34 %). Existuje samozřejmě mnoho tekutin, které při -15oC nemrznou.Často se také používá roztok etylenglykolu, ale je považován za škodlivý pro životní prostředí, protože je jedovatý a nepodléhá biologickému rozkladu.

Etanol má také dobré vlastnosti - jeho největší výhodou je nízká viskozita a hustota, díky čemuž jeho čerpání spotřebuje méně energie. Jeho použití není oblíbené pro jeho hořlavost, vysokou těkavost, intenzivní zápach a především nedostatek mazacích vlastností, který hrozí zadřením oběhového čerpadla. Někteří výrobci proto jeho používání zakazují.

Cena tepelného čerpadla země

Cena tepelného čerpadla země-voda se pohybuje od téměř 30 000 PLN. na více než 60 tisíc PLN.

Kategorie:

Rekonstrukce