Zaprti kolektorski sistemi v praksi pri ogrevanju s toplotno črpalko

Ogrevanje s toplotno črpalko in koriščenje zaprtega zemeljskega kolektorskega sistema

V Sloveniji se število toplotnih črpalk za ogrevanje, hlajenje in pripravo sanitarne vode nenehno povečuje, kar je nazorno prikazano v spodnjem diagramu (Slika 1).

Slika 1: Število vgrajenih TČ in vrste zemeljskih kolektorjev

Skoraj 80 odstotkov vseh vgrajenih toplotnih črpalk koristi zaprte kolektorske sisteme za izkoriščanje površinske toplote zemlje. Pri teh sistemih je v zemljo položen kolektorski sistem, v katerem kroži medij, ki ohlaja okolico kolektorja. Dolžina kolektorskih cevi je odvisna od toplotne prevodnosti tal, temperature tal, specifičnega odvzema energije iz tal, lokalnega podnebja, hladilne moči črpalke in letnih potreb objekta.

Kolektorje delimo na:

•  klasične talne (horizontalne) kolektorje,
•  kompaktne vertikalne in horizontalne kolektorje,
•  spiralne (»Slinky« in »Svec« izvedba) kolektorje,
•  kolektorje v zbiralnem jarku - kompaktna izvedba (t.i. graben kolektorji),
•  spiralne kompaktne kolektorje za globine 2 do 5 m,
•  vertikalne toplotne prenosnike (geosonde).

Toplotni odvzem horizontalnega zemeljskega kolektorja (temperatura vira toplote - 5 do + 15 °C) znaša 15 - 40 W/m², vertikalne izvedbe kolektorjev dosegajo 30 - 100 W/m² pri temperaturi vira toplote - 2 do + 10 °C. Največji odvzem toplote imajo kompaktni vertikalni kolektorji v kombinaciji z rekuperacijo toplote prezračevanja in sicer do 130 W/m² (povprečna temperatura vira v zimskem času + 2 °C). Toplotni odvzem t.i.“graben kolektorja” (temperatura vira toplote - 5 do + 10 °C) znaša 10 - 15 W/m². Naštete vrednosti toplotnih odvzemov zelo nihajo v odvisnosti od specifične toplotne kapacitivnosti zemlje, toplotne prevodnosti, vsebnosti vode in vodne pare ter količine sončnega obsevanja. Odvzem zmernih količin toplote zemlji ni škodljiv, ker se temperaturni profil s sončnim obsevanjem in dovodom toplote s toplim zrakom in dežjem preko poletja obnovi. V Sloveniji se v večini primerov (75%) za ogrevanje družinskih hiš s toplotno črpalko vgrajujejo horizontalni kolektorji (Slika 2).

Slika 2: Horizontalni zemeljski kolektor

Sestavljeni so iz PE cevi, dimenzij 25 x 2,3 oz. 32 x 2,9 mm. Cevi položimo v posteljico iz peska, da preprečimo poškodbe. Razširjene so predvsem izvedbe, kjer se PE cevi povežejo med seboj, tako da nastane spiralno oblikovan kompaktni kolektor (Slinky, Svec - kolektor). Slika 3 prikazuje izvedbo v praksi.

Slika 3: Kompaktni zemeljski kolektor

Nizkoenergijske hiše s kontroliranim prezračevanjem in rekuperacijo toplote so zelo primerne za uporabo t.i. »VBX« kolektorjev (Slika 4), kjer toploto vračamo v zemljo, iz katere jo črpa toplotna črpalka. Zemlje tako ne moremo podhladiti.

Slika 4: Kompaktni kolektor VBX

Primerjava med različnimi sistemi zemeljskih kolektorjev pokaže, da pri določeni hladilni moči toplotne črpalke potrebujemo: pri klasično položenem kolektorju 500 m², pri kompaktnem 200 m² in pri »VBX« kolektorjih 30 m² površin. Računski postopki za izračun horizontalnih kolektorjev niso znani, čeprav se v principu lahko uporablja metoda za dimenzioniranje zemeljskih sond. Kolektorje je možno dimenzionirati glede na izkušnje iz prakse. Orientacijske vrednosti (glede na VDI 4640) za specifični odvzem toplote so podane v tabeli 1.

Tabela 1: Orientacijske vrednosti za specifični odvzem toplote

Vrsta zemlje	odvzem energije W/m2
suha, peščena tla	10 - 15
vlažna, peščena tla	15 - 20
suha, ilovnata tla	20 - 25
vlažna, ilovnata tla	25 - 30
zelo mokra ilovnata tla, z vodo prepojen pesek/prod	30 - 40

Orientacijske vrednosti za razdalje med cevmi in toplotni odvzem pri horizontalnih kolektorjih so prikazane v spodnjem diagramu (Slika 5).

Slika 5: Razdalja med cevmi in toplotni odvzem za horizontalne kolektorje

Najpogostejše napake pri vgradnji zemeljskih kolektorjev

V primeru uporabe toplotne črpalke s horizontalnim kolektorjem lahko napačno dimenzioniranje kolektorja povzroči poškodbe vegetacije in tudi nižje letno grelno število. Pri izvedbi so najpogostejše sledeče napake:

•  kolektorji so položeni preplitko in v neprimerna tla (mulj, blato), zato lahko pride do dvigovanja tal zaradi zmrzovanja,
•  do dvigovanja tal lahko pride tudi pri kvalitetni zemlji, če je specifična odvedena količina toplote presežena zaradi premajhne površine oz. pregostega polaganja cevi horizontalnega kolektorja,
•  nasutje finega materiala okoli kolektorskih cevi ni izvedeno strokovno (kar je posebej pomembno, če se predvideva, da je v sestavi tal tudi blato oz.mulj),
•  cevi dovoda in povratka od toplotne črpalke niso dovolj razmaknjene (minimalno 70 cm) in so preblizu vodovodne instalacije in kanalizacijskih cevi,
•  varnostne razdalje do vodovodnih in kanalizacijskih cevi zaradi varnosti pred zmrzovanjem niso v predpisanih mejah (minimalno 1,5 m),
•  površina, kjer je položen kolektor je asfaltirana ali so na njej položeni tlakovci,
•  shema vgradnje ni narejena,
•  tlačni padci v ceveh kolektorja in ostale opreme so določeni izkustveno in ne računsko, prav tako količina sredstva proti zmrzovanju,
•  preizkus tesnosti (tlačno testiranje kolektorja) ni izveden,
•  težave pri zagonu sistema, zaradi zraka v raztopini voda/glikol,
•  tehnična dokumentacija za kolektorski sistem je zelo pomanjkljiva ali je sploh ni,
•  A-testi vgrajene opreme niso priloženi tehnični dokumentaciji,
•  jaški niso pravilnih dimenzij, kar ima za posledico nepravilno vgrajene zbiralnik in razdelilnik,
•  vgradnja povezovalnih cevi ni izvedena korektno, tako da lahko nastopijo problemi z odzračevanjem zank,
•  cevi, ki vstopajo v jašek oziroma prečkajo stene objekta, niso dodatno zavarovane pred mehanskimi poškodbami.

Slika 6: Neprimerna vgradnja razdelilnika in zbiralnika

Slika 7: Korektna izvedba razdelilnika in zbiralnika


Slika 9: Pravilno izvedena zaščita cevne povezave do TČ pri prehodu skozi zid

Prav tako ni priporočljivo, da opremo vgrajuje več izvajalcev, vsak za svoje področje . Če se temu ne moremo izogniti, je potrebno narediti skupen zapisnik vseh izvajalcev del o prevzemu celotnega sistema oziroma dati pismeno jamstvo za funkcionalno delovanje celotnega sistema.

Horizontalni kolektorji so primerni za toplotne črpalke manjših moči

Skoraj 90 odstotkov vgrajenih kolektorskih sistemov je horizontalne izvedbe, samo 10 odstotkov je vgrajenih kompaktnih kolektorjev. Horizontalni kolektorji so uporabni za toplotne črpalke majhnih moči, pri večji moči toplotne črpalke pa so primernejši kompaktni kolektorji. Ti zavzamejo bistveno manjšo površino zemlje. Vertikalne zemeljske sonde, ki segajo v globino 50 do 150 m, so za družinske hiše predrage, zato je bolj smiselna uporaba spiralnih kompaktnih kolektorjev, ki jih vgrajujemo na globino 3 do 5 m. Takšne izvedbe so primerne predvsem za področja, kjer je podtalnica že na globini nekaj metrov.

 

Avtor: Bojan Grobovšek