Nowoczesna technologia - system ogrzewania geotermicznego - z naturalnych źródeł (ziemi, wiatru, wody) pobiera nagromadzone ciepło słoneczne i wykorzystuje je do ogrzania domu, chłodzenia i przygotowywania gorącej wody. Nagromadzone ciepło, podczas zmian temperatury na powierzchni z dodatniej na bardzo niską, stale pozostaje na pewnej głębokości w warstwie gruntu i wody. Systemy ogrzewania geotermicznego, posługując się procesami przenoszenia i transformacji ciepła, wydobywają te „nagromadzenia", przetwarzają na pożyteczną energię cieplną, odpowiadającą wymaganiom człowieka i ogrzewania jego domu.

Zasada działania systemu ogrzewania geotermicznego

System ogrzewania geotermicznego składa się z 3 podstawowych sekcji:
· kolektor.
· pompa ciepła.
· pojemność akumulacyjna (bojler) z podgrzewaczem wody (kotłem).

Kolektor. Tradycyjnie jest to system rur, zainstalowany w źródle ciepła (gruncie, studni artezyjskiej, źródle wodnym). Najczęściej używa się cieczy czynnika chłodniczego (mieszanka wody i glikolu) cyrkulującej po systemie rur kolektora gruntowego, która pochłania energię cieplną z ziemi i przenosi ją do pompy ciepła. Ustalono, że na głębokości 1,5m, pod poziomem zamarzania, stała temperatura ziemi sięga +6°, +8°C, źródła wody - +4°C. Logiczne wymaganie dla montażu kolektorów - działka ziemi, o odpowiedniej powierzchni, przy własnym domu, a dla kolektorów wodnych - staw, jezioro, rzeczka na działce. Wybór typu kolektora zależy od powierzchni działki i właściwości gruntu.

Montaż kolektorów poziomych, zakopywanych na głębokości 1,5m, wiąże się z określonymi warunkami - konieczna jest działka o powierzchni 4-6 arów, którą będzie zajmować rurociąg.

Przykład 1. Poziome kolektory gruntowe. Rys. ASA.LT

Pionowe kolektory używane są w przypadku, gdy na działce nie ma wystarczającej powierzchni do ułożenia systemów poziomych lub grunt jest bardzo skalisty.

Przykład 2. Pionowe kolektory gruntowe. Rys. ASA.LT

Przykład 3. Kolektory wody gruntowej. Rys. ASA.LT

Pompa cieplna. Centralna sekcja geotermicznego systemu, w której zachodzą wszystkie „cudowne" transformacje ciepła. Pompa transformuje pierwotną energię cieplną o małej mocy, która na razie nie jest odpowiednia dla ocieplania domu, w ciepło o dużej mocy. Wytworzone ciepło jest skierowane do przygotowania gorącej wody i do systemów ocieplania wody budynku. Pompę cieplną można symbolicznie porównać z żołądkiem człowieka, który trawi pożywienie pozyskane z otoczenia i transformuje je w kalorie, energię, ciepło pożyteczne dla organizmu, a układ krwionośny rozprowadza je w organizmie.

Pompę cieplną tworzą 4 główne węzły transformacji ciepła: odparowalnik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny. Odparowalnik i sprężarka wykonują funkcję wymienników ciepła.
· W odparowalniku przenośnik ciepła (ciecz czynnika chłodniczego) łączy się z gazem ciekłym (freonem), pochłaniającym ciepło dostarczone przez przenośnik. W akumulatorze parownika ciecz freonu przemienia się w opary.
· Sprężarka ściska wessane opary pod dużym ciśnieniem, podnosząc ich temperaturę kilkadziesiąt razy.
· W skraplaczu gorące opary wydzielają energię ciepła przeznaczoną dla podgrzewacza (i dla ocieplania wody budynku), a ich konsystencja zmienia się z gazowej na płynną.
· Zawór rozprężny przerywa ściskanie przenośnika ciepła i jego temperatura mocno spada. Ochłodzony przenośnik wraca do pierwotnego punktu - parnika - w celu odnowienia cyklu.

Podgrzewacz wody/Pojemność akumulacyjna. Ta część systemu geotermicznego bezpośrednio zmienia energię o dużej mocy na materie. Podgrzewacz wody skupia wodę termalną przygotowaną przez pompę cieplną. Jest ona dalej przekazywana do systemu ogrzewania wnętrza i po ostygnięciu wraca do pojemności akumulacyjnej. Urządzenie posiada swój system rur dostarczający gorącą wodę do pomieszczeń i sprowadzający ostygłą z powrotem, wielofunkcyjny elektroniczny system zarządzania z miernikiem temperatury, pompę cyrkulacyjną i rezerwowy elektryczny podgrzewacz zatapialny w kotle, włączany automatycznie, gdy moc systemu (z przyczyn wynikłych z otoczenia) tymczasowo odstaje od zwiększonych zapotrzebowań na energię.

W kotle, którego pojemność może sięgać od 160-500 do 800 litrów, zainstalowany jest miedziany wąż przygotowujący ciepłą wodę, która rurami jest dostarczana do węzłów sanitarnych oraz kuchni.

Pojemność akumulacyjna, dostarczająca wodę dla domu za pomocą rur. Zdjęcie autora.

Alchemia ciepła

Teoretycznie interakcja 4 głównych części pompy tworzy zamknięty kręg - cykl pracy. Od środowiska przyłącza się do niego cykl zewnętrzny z cyrkulującą cieczą czynnika chłodniczego, niosącą energię niskiej temperatury i zwracającą ją z powrotem do środowiska. Z systemów grzewczych budynku przyłącza się cykl wstępny, w którym cyrkuluje przygotowana dla podgrzewacza energia o wysokiej temperaturze, która po zużyciu wraca ostygła.

Powiedzmy, że temperatura cieczy czynnika chłodniczego przyniesiona z ziemi do parnika sięga tylko 3°C. W parniku zachodzi odparowywanie energii ciepła i transport jej do systemu ogrzewania za pomocą innego przenośnika ciepła. Tym agentem cyrkulującym po rurach pompy jest najczęściej ciekły gaz freonu. Ciecz czynnika chłodniczego łączy się w parniku z freonem, który wchłania tę (na razie zimną) energię. Jedną z właściwości freonu jest to, że wrze i paruje przy ujemnej temperaturze (-40°C). Ciecz freonu w parniku staje się substancją o konsystencji gazowej - oparami. Podczas parowania temperatura agenta wzrasta o 5°C. Opary cieplne (konsystencja agenta) wędrują rurami agregatu do sprężarki, w której trwa ich ściskanie pod dużym ciśnieniem (14 bar) i zmniejszenie objętości, powodujące wytwarzanie wysokiej temperatury. Agent rozgrzany do 75°C (w innych przypadkach i do +100°C) jest skierowany do skraplacza.
W skraplaczu gorące opary wydzielają energię cieplną dla ogrzania domu i jego systemu gorącej wody, a konsystencja agenta z gazowej zmienia się w ciekłą. Podczas skraplania agent traci 20°C ciepła, dlatego do podgrzewacza wody oddawane jest +55°C energii cieplnej, co wystarcza do przygotowania gorącej wody. Ciekły agent rusza do następnego węzła tego koła roboczego - zaworu rozprężnego, w którym przerywane jest jego ściskanie (zmniejszając ciśnienie do 1,7 bar), objętość się zwiększa, temperatura cieczy spada do pierwotnych -3°C. Agent cyrkulujący wraca do parnika, gdzie czeka na niego nowa dawka ciepła doprowadzona przez ciecz czynnika chłodniczego z gruntu. Zamknięty cykl roboczy się odnawia. (Patrz przykład 4).

Przykład 4. Proces transformacji ciepła. Rys. autora.

Działanie pomp cieplnych przekształca różnice pomiędzy temperaturą parowania freonu, a temperaturą otoczenia w energię cieplną i w taki sposób podgrzewana jest woda. Stosunek wytwarzanej energii cieplnej i energii elektrycznej zużywanej przez sprężarkę nazywany jest współczynnikiem transformacji energii COP (lub współczynnikiem produktywności pompy cieplnej) i pokazuje efektywność jego działania. Precyzyjnie działających pomp cieplnych COP najczęściej jest 5, a to oznacza, że pompa wytwarza pięć razy więcej energii cieplnej niż zużywa energii elektrycznej.

Oddajesz 1 - dostajesz 5

Fakt, że działanie geotermicznych systemów ogrzewania zależy od energii elektrycznej, w żadnym stopniu nie pomniejsza ich zalet. Podstawową różnicą pomiędzy pompą cieplną, a innymi generatorami energii cieplnej (kotłów gazowych, stałego lub ciekłego paliwa) jest to, że wytwarzając ciepło 75% energii bezpłatnie i ekologicznie jest pozyskiwane z otoczenia, a 25% - energia elektryczna, wymagana przez sprężarkę pompy cieplnej. Jak już było wspomniane, współczynnik produktywności pomp cieplnych jest równy 5, a to oznacza, że geotermiczne systemy mogą wytworzyć pięć razy więcej energii cieplnej niż zużywają elektryczności. Krótko mówiąc - chcąc wytworzyć 5kW energii cieplnej, trzeba zużyć tylko 1kW energii elektrycznej.

Staje się to możliwe, gdy moc pompy cieplnej jest dobrana idealnie, prawidłowo oceniając zapotrzebowanie budynku na ciepło i rzeczywiste utraty ciepła. Współczynnik produktywności COP jest ustalany również przez system ogrzewania w budynku, w zależności od niego współczynnik może wynosić 3-4,6. Na przykład, gdy gruntowe źródło energii wynosi +6°C, wtedy COP=5 przygotowując przez pompę cieplną gorącą wodę dla systemu ogrzewania podłogowego (wymagana temperatura wody 30-45°C)
· Przygotowując wodę dla nowoczesnego systemu kaloryferów (wymagana temperatura wody 45-55°C) COP=4.
· Starym radiatorom (wymagana temperatura wody 60-90°C) COP=3.

Działanie pojemności akumulacyjnej. Rozlokowanie gorącej wody

Najczęściej pojemność akumulacyjna i pompa cieplna z wymiennikiem ciepła oraz sprężarką są konstruowane w jednym, wspólnym bloku, zajmującym 0,5-1 m² powierzchni. W innych modelach mogą być one przedstawione, jako dwa oddzielne bloki.

Pompy cyrkulacyjne najczęściej są instalowane przy wymiennikach ciepła, zmuszają one wodę termalną do cyrkulacji w systemie ogrzewania. Cyrkulacyjna pompa do mocy 100 W przezwycięża siłę oporu hydraulicznego znajdującą się pomiędzy przepływającą wodą a ścianami rur. Woda przygotowana i przeznaczona do ogrzewania przemieszcza się ze zbiornika wodnego i przepływa przez zawór trójfunkcyjny, mieszając się z wodą powracającą z systemu ogrzewania. Mieszanie w zaworze trójfunkcyjnym odbywa się według wcześniej zaprogramowanej temperatury.

Zanurzony podgrzewacz elektryczny, pełniący rolę rezerwowego źródła ciepła, włącza się w przypadkach ekstremalnych, np. spowodowanych zmianami temperatury otoczenia źródła; nieplanowanego wzrostu zapotrzebowania na ciepło przez budynek (przekraczającego możliwości pompy).

Gorąca woda przepływa rurami do węzłów sanitarnych.

Rozlokowanie termy. Strumień dostarczania i strumień powrotu. Zdjęcie autora.

Jak dobrać potrzebną moc pompy ciepła

Agregat o odpowiedniej mocy kwalifikowałby wybierane przez specjalistów na podstawie geologicznych właściwości gruntu (jeśli jest instalowany podziemny kolektor), warunków klimatyczno-geograficznych i parametrów budynku (po oszacowaniu rzeczywistych strat ciepła i ustaleniu zapotrzebowania budynku na ciepło oraz zużycie gorącej wody). Zużycie energii cieplnej w dużej mierze zależy od strat ciepła, które powstają z oporności cieplnej ścian i sufitu, strat ciepła podczas wentylacji, wielkości okien i ich szczelności. Po oszacowaniu wszystkich tych czynników dobranie potrzebnej mocy odbywa się według, zapewnionych przez zakład-producenta, programów obliczania, które dokładnie dobierają pompę cieplną i parametry kolektora. Oszczędzając, lub bazując na przybliżonych obliczeniach, otrzymany rezultat może być błędny. W takim przypadku wzrasta zużycie energii dla ogrzewania, gdy wybrana została za słaba pompa. Wybierając pompę o zbyt dużej mocy można również napotkać techniczne problemy jej eksploatacji.

Tak oto wyjaśniane są słyszane pesymistyczne twierdzenia użytkowników niezadowolonych z działania swoich geotermicznych agregatów ogrzewania, dotyczące tego, iż urządzenia działają niekorzystnie, nie wytwarzają odpowiedniej ilości energii cieplnej i pomieszczenia oraz woda nie są podgrzewane do wymaganego poziomu, a koszta eksploatacji i ilość zużytej energii elektrycznej są większe niż się spodziewano. Według ekspertów, pompa o niewystarczającej mocy mogła być dobrana bez oszacowania rzeczywistych strat ciepła w wyniku możliwych braków budowlanych (uwzględniając oporność cieplną deklarowaną w certyfikacie budynku, która nie odpowiada rzeczywistej). Brak budowlany, przyczyna większych strat ciepła, powstaje w wyniku niewłaściwie zamontowanej termoizolacji ścian, złej jakości materiałów obmurowania, okien, dachu (gdy zleceniodawca chce zaoszczędzić lub z powodu nieuczciwości wykonawcy). Inspektor może ustalić jedynie widoczne czynniki strat ciepła, opierając się na jemu przedstawionej oporności cieplnej i innych właściwości technicznych budynku. Inna możliwa przyczyna niezadowalającego działania - pompa ciepła słabej jakości, najprędzej wyprodukowana w krajach południowo-wschodniej Azji, które słyną z wątpliwej, niedługowiecznej techniki i skusiła właściciela tańszą porównaniu z innymi, inwestycją. Specjaliści doradzają używać systemów geotermicznych wyprodukowanych w Północnej, bądź Zachodniej Europie, które przeszły kosztowne testy, świadczące o stabilnym ich działaniu.

Tabele przedstawiają dane techniczne pomp ciepła popularnego producenta „NIBE" (Szwecja) „NIBE FIGHTER 1140" i "NIBE FIGHTER 1240", odpowiednich do ogrzewania domostw prywatnych

Instalacja geotermicznego systemu ogrzewania. Co trzeba wykonać samemu?

Odpowiedzieć na to pytanie można po ocenie ogólnych cen geotermicznego systemu ogrzewania (dane z lat 2008-2009 r.).

* Ceny są przybliżone, występują też tańsze warianty.

Powierzchnia pomieszczeń ogrzewanego budynku - 200 m². Potrzebna ilość ciepła - 16 kW. Powierzchnia potrzebna dla poziomego kolektora - 600 m². Rodzaj gruntu - sucha glina.
· Pompa ciepła - 23 000 zł;
· Pojemność akumulacyjna (200 l) - 4 000 zł;
· Grzejnik wody - 6 000 zł;
· Montaż i instalacja kolektora podwórkowego - 8 000 zł;
· Instalacja wewnętrznego systemu grzewczego (rury, pompy, zawory, materiały) - 16 000 zł;
· Zaprogramowanie pompy ciepła, prace elektro-instalacyjne, rozruch systemu - 3 000 zł;

Razem: 60 000 zł.

Uwzględniając przedstawione ceny, nasuwa się wniosek, że samodzielnie instalując system, można zaoszczędzić około połowę pięciocyfrowej ceny.

* Samodzielna instalacja ogrzewania geotermicznego, z użyciem potrzebnych narzędzi i techniki, to całkiem możliwe zadanie dla osób myślących inżynieryjnie, mających wiedzę w dziedzinie mechaniki, fizyki, praw hydrauliki, mających doświadczenie elektrotechniczne i hydrauliczne.

Jeśli zdecydujecie się przeprowadzić te prace własnoręcznie, mimo wszystko zalecamy konsultację ze specjalistami.

Montaż kolektora

Giętkie rury kolektora są wytwarzane z polietylenu, ich średnica sięga 3,2-4 cm.

Kolektory poziome (patrz wyżej przykład 1) zakopuje się na głębokości 1,5 m, do zamontowania potrzebna jest działka o powierzchni 5-6 arów, którą zajmie rurociąg. Rury kładzie się prosto. Długość kolektora zależy od właściwości gruntu (wilgotności), możliwości pompy ciepła i zamontowanej w niej pompy cyrkulacyjnej, ubytków ciepła budynku. Potrzebną budynkowi ilość ciepła można wydobyć z ziemi zarówno za pomocą jednego, jak też kilku-konturowego kolektora. Maksymalna długość kolektora jest zalecana, jeśli w gruncie dominuje suchy piasek; minimalna długość - gdy gleba wilgotna, glina. Im bardziej wilgotny grunt, tym więcej skupionego w nim ciepła można wydobyć.

Ziemię potrzebną na poziomy kolektor oblicza się na podstawie jego długości. Np. zalecana długość rury 400m oznacza, że będzie potrzebna ziemia o powierzchni 400 m². Powierzchnia, przeznaczona na kolektor, musi być 2-2,5 razy większa niż ogrzewana powierzchnia budynku. Odległość między kładzionymi równolegle pobliskimi rurami - nie mniej niż 1 m. Zależnie od składu gruntu, w ciągu dnia można położyć 100-200 metrów kolektora.

Kładzenie kolektora. Zdjęcie autora.

Powierzchnia, pod którą położony jest rurociąg kolektora, później nie będzie mogła być przeznaczona na sadzenie drzew, kładzenie asfaltu, na nowe budynki. Rurociąg kolektora nie zaszkodzi drzewom, mogą im jednak zaszkodzić korzenie drzew - wchłaniając wilgoć z warstw ziemi na około rurociągu i zmniejszając ilość energii ciepła w ziemi.

Kolektory pionowe (patrz przykład 2) instaluje się w przypadku, gdy nie ma wystarczającej powierzchni na wyłożenie systemu poziomego bądź grunt jest bardzo kamienisty. Na większej niż 20 m głębokości grunt zaczyna grzać się w związku z gorącem wydzielanym z centra ziemi. Co 100 m jego temperatura zwiększa się o 3 stopnie. Wykonuje się odwiert 20-125 m, którym spuszcza się dreny ciepła - te same rury z zamkniętą cyrkulacją z płynem chłodzącym. Pozioma głębokość odwiertu zależy od właściwości pompy ciepła i ogólnej potrzebnej długości rurociągów. Odwierty zalewa się specjalną mieszanką - betonową.

Giętkie rury łączy się z blokiem rozdzielczym kolektora, od którego przekazywanie ciepła z ziemi do pompy ciepła w kotłowni jest kontynuowane dwoma utwardzanymi rurami: wlotową i wylotową. Zależnie od producenta, usztywniane rury z połączeniami gwintowanymi mogą być w komplecie pompy ciepła. Gwinty rur pozwalają na formowanie wymaganych konfiguracji, długości, zgięć wlotu/wylotu. Najczęściej w skład kompletu wchodzą i inne konieczne dodatki rur: zawory (bezpieczeństwa, trójfunkcyjny, mieszania), krany zamykające, gwintowane połączenia, czujniki (strumienia, kotła, t°,, gorącej wody, t° na zewnątrz, t° wody powrotnej), filtr zanieczyszczeń, uchwyty rur, węże złączeniowe.

W kotłowni (piwnicy) usztywnione rury kolektora łączy się z pompą ciepła przez odpowiednie gniazda, z których jeden (1) jest przeznaczony na wpływające z źródła otoczenia ciepło (rura wlotowa), drugi (2) - wracające z pompy ciepła do otoczenia (wylot). Przez inne 4 gniazda łączy się: (3) rurę przekazywania do systemu grzejnego domu, (4) rurę wracającego z systemu grzejnego strumienia, (5) rurę, dostarczającą wodę użytkową z grzejnika, (6) rurę wracającej do grzejnika ochłodzonej wody użytkowej. (Patrz. przykłady 5 i 6)

Przykład 5. Gniazda przyłączenia pompy ciepła. Rys. autora

Przykład 6. Przyłączenie rur kolektora do pompy ciepła przez gniazda. Rys. autora.

Przy rurze wlotowej kolektora, dostarczającego ciepło ze źródła otoczenia do pompy ciepła, trzeba przymocować plastikowe wyrównujące naczynie płynu chłodzącego. Ma on na celu kontrolę poziomu cieczy. Na górze naczynia wyrównującego montuje się 3 barowy zawór ochronny. Miejsce połączenia uszczelnia się włosiami lnu (nie zaleca się taśmy teflonowej, ponieważ mogą pojawić się zacieki).
Naczynie wyrównujące mocuje się przy rurze wlotowej kolektora, przekazującego ciepło ze źródła otoczenia do pompy ciepła. Do tego przymocowania wykorzystuje się rurę rozdzielającą i złącze gwintowe. Złącze uszczelnia się włosiem. W rurze rozgałęzienia, łączącej naczynie z wlotem, montuje się zawór zamykający. W strefie rury wlotowej do połączenia z odparowalnikiem montuje się filtr błotny. Rury wlotowe i wylotowe źródła ciepła izoluje się odpornym na dyfuzję oparów materiałem termoizolacyjnym, izolację przymocowuje się lepką taśmą aluminiową.

Zamontowane naczynie wyrównujące płynu chłodzącego. Zdj. autora.

Elektryczne prace instalacyjne

! Przed elektrycznymi pracami instalacyjnymi należy bezwzględnie wyłączyć dostarczanie prądu!

Zależnie od modelu, pompy ciepła mogą wykorzystywać napięcie różnych rodzaj (jednofazowe bądź trójfazowe). Na początku prac instalacyjnych pompę grzejną przyłącza się do sieci stałego prądu (220 V bądź 380 V) z neutralną fazą i uziemieniem. Odpowiednio dobrane średnice przewodów muszą zapewnić maksymalną moc nominalną. Po zdjęciu przedniej osłony korpusu, napotyka się zaciski przyłączenia prądu, rozbrajacze, bezpieczniki i przyrząd regulatora, do którego przymocowuje się później panel kontrolny. Przewód zasilający wprowadza się przez otwór w tylnej ścianie agregatu. Przewody przeprowadza się przez odpowiednie rozbrajacze napięcia i przyłącza się za pomocą odpowiednich zacisków (faz, uziemienia). Zależnie od wybranej przez właściciela metody działania systemu i taryfy elektrycznej, połączenia przewodów muszą być wykonane w różny sposób. Dla każdego konkretnego modelu pompy są różne sposoby przyłączenia prądu elektrycznego, pokazane w schematach montażowych, zawartych w zestawach agregatów. Również na podstawie przedstawionego schematu modelu przeprowadza się złączenia regulatora. Do regulatora, zarządzającego pracą systemu, za pomocą odpowiednich zacisków przyłącza się przewody połączeniowe czujników, kompresora, trójfunkcyjnego zaworu, pomp cyrkulacyjnych.

Uwaga. W każdym konkretnym przypadku należałoby sprawdzać instrukcję i schematy przyłączenia.

Przykład 7. Jednofazowe złączenia o napięciu 220 V. Rys. autora.

Przykład 8. Trójfazowe łącze o napięciu 380 V. Rys. autora.

Montowanie rur. Łącza. Dodatki. Pompy cyrkulacyjne.

Przyszedł czas na spróbowanie chleba hydraulika i przeprowadzenie montażu rur. Rury, którymi ciepła termo-fikcyjna woda płynie do środków ogrzewania pomieszczeń (kaloryfer, podłoga) i wraca z powrotem oraz rury wloty/wylotu wody użytkowej są łączone do odpowiednich gniazd pompy ciepła. Specjaliści zalecają w kotłowni używać rury miedziane. Rury plastikowe (z wyjątkiem stabilizatorów) nie są wskazane w kotłowni w związku z dużym wskaźnikiem rozszerzania się ciepła.

Rury miedziane. Zdjęcie autora.

Połączenia rur, formowanie rogów i konfiguracji wykonuje się różnymi sposobami: spawając, lutując. Najlepsze wyniki złączeń osiąga się wykorzystując technikę prasowania. Łącząc końce rur, wykorzystuje się miedziane połączenia, które zaciska się specjalnymi ręcznymi narzędziami do prasowania. Badania wykazały, że wytrzymałość tych połączeń przekracza wytrzymałość samych rur. Inny sposób montownia - przykręcenie łącznikami gwintowymi (stalowymi rurami). W takim przypadku trzeba stworzyć gniazdo również na końcach rur. Miejsca złączeń uszczelnia się włosiami lnu.

Prasowanie połączeń rur. Zdj. autora.

W rurach, którymi płynie woda do kaloryferów, montuje się pompy cyrkulacyjne. Zmuszają one do cyrkulowania wody termo-fikcyjnej w systemie grzewczym. W korpusie pompy znajduje się wirnik obrotowy, wypychający wodę. Pompa musi być zmontowana w ten sposób, żeby oś jej wirnika znajdowała się w pozycji poziomej. Trzy poziomy jego mocy pozwalają na regulowanie temperatury w pomieszczeniach. Po zmniejszeniu szybkości przepływu, zmniejsza się ilość ciepła przekazywanego do kaloryferów.

1, 2 - pompy cyrkulacyjne. Zdj. autora.

W odpowiednich miejscach w rurach (na podstawie schematu przyłączeń pompy ciepła) montuje się wszystkie ochronne i odcinające zawory z kurkami, moduł mieszania, manometr. Rurę wracającej z radiatorów wody łączy się z metalowym naczyniem rozszerzającym. W kotłowni również montuje się wentyle uzupełniające i wypuszczające. Rury izoluje się termicznie, izolację przymocowuje się za pomocą taśmy klejącej. Rury do ścian mocuje się za pomocą metalowych uchwytów.

Naczynie rozszerzające. Zdj. autora.

Zamontowany manometr. Zdj. autora.

Przyłączenie czujników

Po zamontowaniu grzejnika i rur wody użytkowej, można podłączyć czujniki. Do rury wracającej do grzejnika wody mocuje się czujnik temperatury zwrotnej. Do rury wracającej do zbiornika wody mocuje się czujnik temperatury zwrotnej. Do zbiornika grzejnika wody mocuje się czujnik temperatury/gorącej wody. W korpusie pompy ciepła przy rurach wlotu i wylotu źródła ciepła mocuje się czujniki strumienia. Na zewnątrz montuje się czujnik temperatury zewnętrznej. Czujniki do rur mocuje się zaciskami. Przymocowany czujnik razem z rurą izoluje się, po obwinięciu materiałem termoizolacyjnym, dążąc do uzyskania optymalnych wskaźników temperatury.

Przewody wysokiego napięcia mogą wywołać zakłócenia w przewodach czujników i wprowadzać w błąd regulator pompy ciepła. By tego uniknąć, odległość między przewodami czujników i położonymi równolegle przewodami wysokiego napięcia powinna być nie mniejsza niż 25 cm.

Napełnianie rur systemu grzewczego

Przed rozpoczęciem eksploatacji pompy trzeba napełnić system grzejny i ogniwo kolektora. Napełnianie systemu grzejnego rozpoczyna się od odkręcenia wszystkich zaworów termostatu. Do kranu wody przyłączcie wąż napełniający. Drugi koniec węża przyłączcie do zaworu napełniania, znajdującego się w korpusie pompy ciepła obok cyrkulacyjnej pompy ciepła. Otwórzcie zawór napełniania. Z kranu wodę puszcza się tak długo, aż manometr ciśnienia systemu pokaże 1,5 bar. Zamknijcie zawór napełniania i zdejmijcie węża. Przez zawory wypuszczania powietrza wypuśćcie powietrze z agregatu. Sprawdźcie ciśnienie wody w agregacie.

Nalewanie wody do systemu. 1 - wąż napełniający; 2 - kran wody; 3 - zawór kranu wody; 4 - przyłączenie węża do kranu; 5 - przyłączenie do zaworu napełniania, znajdującego się w pompie ciepła. Zdj. autora.

Napełnianie płynu chłodzącego

Wymieszajcie propylen-glikol (mając na uwadze jego koncentrację) z wodą w stosunku 1:2 w plastikowym zbiorniku (1). Mieszankę ze zbiornika (1) przez zawór pompowania przekazuje się do rury wlotowej kolektora, przyłączonej do zaworu zamykającego wlotu (2), włączając cyrkulacyjną pompę napełniania 3 bar (3). Pompując usuwa ona powietrze z rur kolektora. Zamknijcie zawór pompowania płynu chłodzącego zaworem zamykającym (2). Zamknijcie kran zamykający rury wlotowej (4). Otwórzcie zawór rury pompowania (2) i kran rury wylotowej (5). Otwórzcie zawór zamykający wlotu (6) i przyłączcie do niego węża. Włączcie cyrkulacyjną pompę napełniającą (3), żeby napełnił się wąż. Gdy z węża zacznie płynąć płyn chłodzący, otwórzcie zawór (4), żeby wypuścić powietrze między zaworami (6) i (2). Zamknijcie zawór (6) i za pomocą pompy napełniającej ustalcie ciśnienie 3 bar w obwodzie kolektora. Teraz zamknijcie również zawór (2). Wyłączcie pompę (3) i odłączcie węża napełniającego. Otwórzcie zawór bezpieczeństwa (8) naczynia poziomującego (7). Zgodnie z normami, naczynie musi być pełna do 2/3, a po całkowitym opróżnieniu - napełnione ponownie. Resztki płynu chłodzącego wlejcie do plastikowego zbiornika na zapasy. Później, po zmontowaniu panelu sterowania i pokryw korpusu, rury kolektora trzeba będzie odpowietrzyć. (Patrz rys. 9).

Uwaga. Specjaliści mają specjalne urządzenia do napełniania płynem chłodzącym, dlatego lepiej do napełniania kolektora zewnętrznego poprosić specjalistów, którzy wykonają tę pracę szybciej i bardziej jakościowo.

Przykład 9. Napełnianie płynem chłodzącym. 1 - zbiornik z płynem chłodzącym; 2 - zawór zamykający rury napełniania; 3 - cyrkulacyjna pompa napełniania 3 bar; 4 - kran zamykający wlotu; 5 -kran zamykający wylotu; 6 - zawór zamykający wlotu; 7 - naczynie wyrównujące; 8 - zawór bezpieczeństwa. Rys. autora.

Programowanie

Montaż panelu sterowania. Wtyczkę panelu sterowania przeciągnijcie przez otwór w przedniej pokrywie. Dokręćcie pokrywę do korpusu. Za pomocą śrub przykręćcie panel do korpusu. Przyłączcie przewód przyłączeniowy do panelu sterowania.

Za pomocą panelu sterowania właściciel może sam regulować pracę systemu, ustawić zakres pompy ciepła i potrzebną temperaturę grzejnika wody. Strzałka miernika temperatury kotła (1) pokazuje obecną ilość stopni. Pokręcając rączką (2) można zmieniać zakres pracy pompy ciepła (zwykły, ekonomiczny, automatyczny i inne). Rączką (3) można ustawiać potrzebną temperaturę grzania wody w grzejniku elektrycznym. Włącznikami (4,5) wyłącza się/włącza części systemu. Indykatory (6,7) świecą odpowiednim kolorem, informując o stabilnym bądź krytycznym stanie systemu. Rączka (8) używana jest do włączenia automatycznej kontroli systemu grzewczego (działania według ustawionej krzywej grzania). Rączka (9) przeznaczona jest do zmian ustawień automatycznej krzywej grzania i ograniczenia temperatury pomieszczenia.

Panel sterowania. Zdj. autora.

Rozruch

Po włączeniu pompy ciepła, automatycznie rozpoczyna się automatyczne testowanie systemu, podczas którego sprawdza się działanie pompy ciepła oraz przyłączonych dodatków elektrycznych i hydraulicznych, działanie czujników. Zależnie od wyników testowania, ekran panelu informuje o normalnym bądź wadliwym działaniu. Gdy po włączeniu bezpiecznika pompa ciepła zaczyna działać, włącza się programową instalację regulatora, która wykrywa, że jest to pierwsze włączenie po zainstalowaniu. Na ekranie panelu sterowania pojawia się podczas instalowania. Od tej pory pompa ciepła nadaje się do eksploatowania.

* Prac rozruchowych nie można wykonywać własnoręcznie w żadnym przypadku, ponieważ jeśli zrobi to nieatestowany pracownik, gwarancja nie będzie obowiązywać.

POWIETRZBA POMPA CIEPŁA

To alternatywny i ekonomiczny wariant grzania geotermicznego. W tym przypadku, jako przyrodnicze źródło ciepła, wykorzystuje się powietrze z zewnątrz (podwórkowe). Inaczej niż popularne tradycyjne gruntowe systemy geotermiczne i złóż wody, instalacja powietrznej pompy ciepła jest znacznie prostsza i możliwa nawet w minimalnych warunkach: odpadają prace ziemne i kopanie odwiertu, kładzenie rurociągu i potrzeba do ich wykonania wielkość działki; nienaruszone pozostają elementy otoczenia - trawnik, alpinarium, kwietniki, tarasy. Instalacja powietrznej pompy ciepła jest uzasadniona w przypadku niekorzystnych warunków gruntu działki (wyjątkowo kamienisty grunt, wilgotna glina), w związku z którymi kopanie staje się czasami niemożliwe. Mała powierzchnia (do 1 m2) potrzebna na agregat podwórkowy, stosunkowo mała inwestycja, niewielki nakład pracy pozwalają samodzielnie zainstalować ten system praktycznie w ciągu 1-2 dni i na małej działce również w przypadku, jeśli działki nie ma.

Powietrzna pompa ciepła. Zdj. autora.

Powietrzna pompa ciepła wydobywa energię ciepła z powietrza na zewnątrz. W procesie tym wykorzystuje się zasadę działania kolektora, którego funkcje wykonuje wentylator wymiennika ciepła zamontowany przy ścianie budynku, wciągający powietrze zewnętrzne. Jak i w innych elementach przyrody (ziemia, woda ze złoża), w użytkowanych tradycyjnych systemach geotermicznych, energia ciepła ciągle egzystuje również w powietrzu, nawet, gdy temperatura jest ujemna. Uzyskaną zewnętrzną energię cieplną system ten przekształca w ciepło „robocze", przeznaczone do ogrzewania budynku i przygotowanie gorącej wody. W taki sposób z powietrza dosłownie produkuje się 75 proc. energii ciepła.

Wentylator wciągający powietrze.. Zdj. autora.

System powietrznej pompy ciepła. Zdj. autora.

Zasada działania. W działaniu agregatu podwórkowego uczestniczą 4 tradycyjne składniki: odparowalnik, kompresor, kondensator i zawór rozprężny. Wciągnięte powietrze wentylator kieruje do odparowalnika, w którym odparowuje się energię ciepła. Dalej metodą tradycyjną odbywa się transportowanie energii ciepła do systemu grzejnego - za pomocą nośnika ciepła. Ten cyrkulujący rurami pompy agent najczęściej ma postać ciekłego gazu freonu. Freon charakteryzuje się tym, że gotuje się i odparowuje przy minusowej (niskiej) temperaturze. Zatem, w odparowalniku ciecz freonu zamienia się w materiał o konsystencji gazowej - w parę. Opary ciepła (konsystencja agenta) rurami agregatu docierają do kompresora, gdzie są ściskane przez duże ciśnienie i objętość się zmniejsza, dlatego powstają wysokie temperatury. Nagrzany do 75°C agent kieruje się w stronę kondensatora. W kondensatorze gorąca para wydziela energię cieplną do ogrzewania domu i systemu gorącej wody, a konsystencja agenta z gazowej zamieniana jest na ciekła. Ciekły agent przemieszcza się do kolejnego węzła tego obwodu roboczego - zaworu rozciągania, w którym przerywa się jego ściskanie, objętość rozszerza się, spada temperatura cieczy do początkowej. Agent cyrkulujący powraca do odparowalnika, gdzie czeka na niego nowa porcja wciągniętego powietrza.

Sceptycznie i obiektywnie oceniając powietrzną pompę ciepła, należałoby przyznać, że swoją efektywnością o 1/3 ustępuje ona tradycyjnym pompom geotermicznym (ziemia-woda i woda-woda), chociaż wydaje się pociągająca w związku z łatwością montowania, nieskomplikowaną obsługą, minimalnym zajmowanym miejscem i niewielkimi inwestycjami, porównując z pompami gruntowymi. Inaczej niż kolektory gruntowe, mogące produkować ciepło nieprzerwalnie z podziemnych warstw ze stałą temperaturą 6-8°C, możliwości pompy ciepła mają swoje granice: jej działanie jest efektywne do -20°C na zewnątrz. Nie oznacza to, że przy niższej temperaturze system powietrze-woda przestaje działać: po prostu w tym czasie automatycznie włącza się rezerwa - grzejnik elektryczny, zainstalowany w grzejniku wody. Grzejnik dalej podtrzymuje potrzebną temperaturę grzania wody, jednak jest więcej wahań energii elektrycznej. Z drugiej strony, te sceptyczne twierdzenia mają swoje kontrargumenty: mając na uwadze ocieplenie klimatu, przypomnijmy sobie, czy często zimą temperatura na Litwie utrzymuje się poniżej - 20°C? Warunkowo podczas ciepłych zim przymrozki formują się na początku bądź pod koniec stycznia, a czas ich trwania ledwo przekracza tydzień. Najlepszy wynik byłby, jeśli pompa ciepła byłaby montowana w budynku, w którym znajduje się inne źródło ciepła, wykorzystywane w okresie największych mrozów. Oceniając regiony Litwy pod względem klimatycznym, dobre i idealne warunki na instalację powietrznych pomp ciepła występują nad morzem. Systemy cieplne powietrze-woda są popularne w Krajach skandynawskich (np. produkowane przez szwedzką firmę „NIBE" - to jedne z najpopularniejszych), masowe użycie w Estonii, w której wyjątkowo kamienisty grunt w większości regionów utrudnia instalację kolektorów ziemnych. Jeśli podwórkowy wymiennik ciepła zostaje oblodzony, lód usuwa się wykorzystując ciepłe gazy emitowane przez wymiennik ciepła, skierowane z powrotem na niego, po automatycznym zadziałaniu funkcji odwrócenia.

Blok podwórkowy. Zdj. autora.

Instalacja powietrznej pompy ciepła

Po tym, jak kwalifikowany oceno-dawca strat ciepła dokładnie ustali potrzeby energetyczne budynku, przesądzające o wyborze mocy optymalnie nadającej się pompy ciepła, następują prace przygotowawcze urządzenia.

Bardzo ważne jest odpowiednie rozłożenie zaplanowanego systemu bloków - optymalnie wybrane miejsce na agregat podwórkowy i znajdujący się wewnątrz budynku grzejnik-kocioł wodny. Odległość między nimi musi być jak najkrótsza, ponieważ bloki podwórkowy i wewnętrzny będą połączone rurami, którymi będzie cyrkulować wchodzące/wychodzące ciepło. Dążąc do stworzenia szybszego przekazywania energii ciepła rurami do grzejnika wody, łączącymi podwórkowy wymiennik ciepła z kotłem budynku, agregat podwórkowy musi stać jak najbliżej ściany budynku. Zbyt duża odległość i odpowiednio, długość rur (zwłaszcza, jeśli większa ich część znajduje się na zewnątrz), warunkują starty w „przemieszczającej się" energii ciepła. Zdjęcie przedstawia optymalne rozwiązanie tego wymogu.

Agregat podwórkowy musi być urządzony jak najbliżej budynku, jednak w nie mniejszej niż 35 cm odległości. Zdj. autora.

Na zainstalowanie agregatu podwórkowego trzeba przygotować podłoże, odpowiadające jego szerokości (około 1x0,5 m). Powierzchnia pod agregatem musi być twarda i równa (najlepiej betonowa bądź cementowa). Jeśli nie ma możliwości wykonania podłoża cementowego, a agregat planuje się postawić na ziemi, wypadałoby wówczas wykonać drenaż przy użyciu kruszywa, ponieważ blok podwórkowy roztacza kondensat, ściekający na ziemię. Dążąc do uniknięcia wymycia podniesionej przez kondensat gleby pod agregatem, również przez wody deszczowe, śnieg bądź wodę lodową, kładzie się kruszywo. Zasadnicze wymagania: odległość między ścianą budynku i tylną ścianką agregatu musi wynosić co najmniej 35 cm, a z przedniej strony agregatu wentylatorowi trzeba zostawić co najmniej 1 m wolnej powierzchni. Warunki te pomogą uniknąć przegrzania agregatu i nadadzą mu możliwość swobodnego „oddychania". Nie przestrzeganie ich może wywołać niepożądaną recyrkulację powietrza i zmniejszyć wydajność agregatu.

Podłoże z kruszywem. Zdj. autora.

W ścianie budynku wykonuje się otwory na dwie rury, dostarczające z zewnętrznego wymiennika ciepła wchodzącą/wychodzącą energię ciepła do bloku wewnętrznego z kotłem grzejnym, znajdującym się w budynku (np. w piwnicy). Rury kładzie się, ich połączenia szczelnie się zakręca. Część rur znajdującą się na zewnątrz trzeba pokryć izolacją. Owija się je materiałem termoizolacyjnym o grubości 19 mm (np. watą mineralną z folią aluminiową). To ochrona przed olodzeniem i pęknięciami w czasie mrozów oraz start ciepła wędrującego.

Rury pokryte izolacją. Zdj. autora.

Procesy cieplne wewnątrz bloku. Regulowanie

Wewnętrzny blok powietrznej pompy ciepła, urządzony w budynku, steruje blokiem zewnętrznym. Zajmuje niewiele miejsca (około 0,5 m²), łączy w sobie funkcje kotła (grzejnika wody) i pojemnika kumulacyjnego. Główne części: wielofunkcyjny elektroniczny system sterowania z miernikiem temperatury, pompa cyrkulacyjna, wiele czujników (strumieni, temperatury kotła, gorącej wody, zewnątrz) i zanurzany w kotle rezerwowy podgrzewacz elektryczny, włączający się, gdy zimno na zewnątrz przekracza - 20°C.

W zbiorniku (urządzeniu wewnętrznym), którego pojemność sięga 500 litrów, zamontowany miedziany wężyk przygotowuje gorącą wodę na potrzeby sanitarne. Woda (mieszanka wody i płynu chłodzącego) zebrana w zbiorniku, wykorzystywana jest do ogrzewania budynku.

Proces cyrkulacji cieplnej rurami domowego systemu wodnego z zasady nie różni się od cyrkulacji, odbywającej się wykorzystując tradycyjny geotermiczny system ogrzewania ziemia-woda.

Rozdzielenie wody z pojemnika akumulacyjnego. Zdj. autora.

Za udzieloną informację dziękujemy UAB RENČIA

Przygotował Piotr Šičiov