Pompa ciepła jest bardzo wyspecjalizowanym urządzeniem grzewczym. Po pierwsze dlatego, że nie wytwarza ciepła sama z siebie. Zamiast tego przetwarza naturalne źródła – ziemię, wodę lub powietrze – i przekazuje energię do budynku. W związku z tym system grzewczy, w skład którego wchodzi pompa, można podzielić na trzy kategorie:
- źródło dolne, z którego pobieramy ciepło;
- źródło górne, które oddaje ciepło do pomieszczeń w domu;
- pompa ciepła, która zapewnia przepływ ciepła pomiędzy dolnym i górnym źródłem.
Dolne źródło jest jak bateria, która dostarcza nam energii. Pompa jest tylko transformatorem, który zmienia ją w użyteczną dla nas formę. Najważniejszy wniosek jest taki, że pompa nie będzie działać efektywnie bez odpowiednio wydajnego (o odpowiedniej pojemności i temperaturze) dolnego źródła. Ilość energii uzyskanej w ciągu sezonu i moc pompy zależą odMówiąc prościej, pompa to nie kocioł, więc jeśli nie będzie dostarczać wystarczającej ilości ciepła, nie będziesz mógł jej wymienić na coś bardziej wydajnego. Ważne jest też, by rozbudować instalację po stronie dolnego źródła (np. dodać odwierty).
Jakie wybrać źródło dolne dla gruntowej pompy ciepła?
Pompa może pobierać wodę z różnych źródeł. Wybór jednego z nich zależy w dużej mierze od charakterystyki działki, takiej jak jej wielkość, rodzaj gleby i wymagane wymiary robót ziemnych. W domach jednorodzinnych stosuje się następujące systemy.
Poziomy kolektor gruntowy to zwój rur zakopanych na głębokości od 1,5 do 2 m i zawierających płyn niezamarzający. Zazwyczaj nazywa się go solanką, choć tak naprawdę jest to roztwór glikolu etylowego lub propylenowego. Ciecz ta krąży w rurach, pochłaniając ciepło z ziemi i przekazując je do pompy.
Kolektory pionowe to rury zawierające glikol lub słoną wodę umieszczone wewnątrz pionowych, głębokich studni.
W systemie bezpośredniego odparowania kolektorem gruntowym jest miedziany zestaw rur z plastikową osłoną umieszczony w ziemi. Ciecz robocza pompy ciepła krąży wewnątrz nich. Dzięki temu rury w ziemi działają jak parowniki. Eliminuje to jeden wymiennik ciepła i poprawia wydajność pompy ciepła.
Kolektor z dwoma studniami, w którym pierwsza studnia (czerpalna) pobiera wodę i odbiera ciepło z wody, a następnie oddaje ją pod ziemią; studnia zrzutowa służy do odprowadzania schłodzonej wody. Woda, będąc bardzo efektywnym nośnikiem ciepła, ma też stosunkowo wysoką temperaturę w głębszych warstwach ziemi (około 10°C). W teorii ten system jest niezwykle korzystny. Woda gruntowa, która występuje na danym terenie w odpowiedniej ilości, często zawiera znaczne ilości manganu i żelaza które osadzają się w wymiennikach pompy ciepła.
Pionowe kolektory na dnie zbiornika wodnego to rury, które zostały ułożone pod wodą, a nie w ziemi. Zbudowanie takiego systemu jest możliwe tylko na wybranych posesjach, ale warto to zrobić, jeśli masz dostęp do odpowiedniego zbiornika wodnego. Technologia ta jest niezwykle energooszczędna, ponieważ duży zbiornik, najlepiej płynącej wody, dostarcza ogromne ilości energii cieplnej.
Powietrzna pompa ciepła jest używana w połączeniu z wymiennikiem ciepła, który odbiera ciepło z powietrza. Taka konfiguracja wymaga użycia tylko wymiennika ciepła i wentylatorów do wymuszenia cyrkulacji powietrza (nawet setki tysięcy m3/h).
Z wyjątkiem pomp powietrznych, wszystkie inne pompy wykorzystują ciepło z ziemi. Systemy solanka-woda i woda-woda mogą być często zarządzane za pomocą tego samego sprzętu.
Jaka jest przewaga gruntowych pomp ciepła
Pompy wodne i powietrzne są prostsze w instalacji niż pompy gruntowe i – jeśli weźmie się pod uwagę koszt wytworzenia dolnego źródła – są tańsze. Nie zostały one jednak wyparte z rynku i jest bardzo mało prawdopodobne, że tak się stanie. W naszym klimacie pompy powietrze/woda mają znaczną przewagę pod względem.
Temperatura powietrza na zewnątrz waha się dramatycznie od +30°C latem do nawet -25°C zimą. Dodatkowo w ciągu dnia występuje znaczna rozpiętość temperatur. Wiosną i jesienią w ciągu dnia może być o kilka stopni cieplej, podczas gdy w nocy temperatura może spadać do zera. Jednak nawet przy zastosowaniu nowoczesnego sprzętu ciepło jest najbardziej potrzebne wtedy, gdy na zewnątrz jest najzimniej! W związku z tym pompa powinna być najbardziej wydajna wtedy, gdy okoliczności są dla niej najtrudniejsze. Niestety, nie jest to możliwe.
Sytuacja jest znacznie lepsza, gdy czerpie się ciepło z ziemi. Temperatura na głębokości około 1 m nie spada już poniżej zera, a woda podziemna i głębokie odwierty mają prawie zawsze około +10°C.Strefa przydenna w stawie lub rzece ma zwykle co najmniej 4°C, nawet podczas największych mrozów, o ile nie zamarznie całkowicie. Ponieważ woda o tej temperaturze ma największą gęstość i automatycznie opada na dno zbiornika, na dnie stawu lub rzeki ma temperaturę +4°C.Dla pompy ciepła korzystniejsze jest dolne źródło o temperaturze 0°C lub wyższej niż zamarznięte powietrze o temperaturze -15 lub -20°C. Co ważne, temperatura gruntu zmienia się powoli, więc warunki pracy są stałe.
Gruntowe pompy ciepła – jak dobrać moc?
Ilość mocy generowanej przez dolne źródło, jak również jego wielkość, musi być odpowiednia dla danej pompy. Określa się to w zależności od zapotrzebowania na ciepło obiektu. W związku z tym pierwszym krokiem w budowie systemu ogrzewania pompowego jest określenie, ile ciepła potrzebuje dom. Warto zauważyć, że wymagana jest większa dokładność niż w przypadku tradycyjnej instalacji kotłów.
Kocioł, którego wielkość jest zazwyczaj nieco większa, aby zapewnić sprawność, będzie działał efektywnie nawet wtedy, gdy jest niewymiarowy. Koszty jego eksploatacji nie będą się znacząco różnić niezależnie od tego, czy jest on nieco za mocny (niewymiarowy), czy za słaby.Kotły na paliwa stałe (węgiel, drewno, pelety) mogą pracować z mocą 120-130% mocy nominalnej prawie bez utraty sprawności. Wymiana kotła z powodu źle dobranej mocy jest sytuacją ekstremalną.
W przypadku pomp ciepła jest to trudniejsze. Przy założeniu, że temperatura po obu stronach dolnego źródła i górnego (instalacja odbiorcza) spełnia wartość obliczeniową, są one w stanie zaspokoić swoje zapotrzebowanie na moc, wykorzystując określone przez producenta parametry. Dlatego w dokumentacji urządzenia zwykle można znaleźć wykresy (krzywe), które pokazują, o ile spadnie moc urządzenia, jeśli:
- temperatura źródła dolnego będzie niższa od zakładanej;
- temperatura źródła górnego będzie wyższa od założonej.
Na górne źródło, którym jest system grzewczy w nowym domu, można wpływać. Z drugiej strony, dolne źródło można modyfikować w ograniczonym zakresie. Chyba że wybierze się określony rodzaj dolnego źródła, na przykład kolektory poziome lub odwierty pionowe. Kolektory poziome są doskonałą ilustracją tego, jak wiele zmiennych tego samego rodzaju.
Jest to doskonała ilustracja, ponieważ kolektor poziomy wymaga najwięcej miejsca. Ważna jest zatem kwestia, czy zmieści się on na konkretnej działce.
Największe znaczenie ma stopień nasycenia gleby wodą, która jest doskonałym nośnikiem ciepła. Drugą kwestią jest czas pracy pompy. W polskich warunkach, ze względu na nieco niższą temperaturę niż u naszych zachodnich sąsiadów, można przyjąć, że pompa pracuje przez około 2400 godzin rocznie.
Na przykład, jeśli pompa o mocy cieplnej 10 kW i współczynniku COP równym 4 zużywa 2,5 kW z sieci i 7,5 kW z gruntu (10 kW : 4 = 2,5 kW), oznacza to, że pobiera ona energię z sieci dwukrotnie szybciej niż z gruntu (2x). Zakładając, że ziemia zapewnia gęstość mocy 15 W/m2, będziemy potrzebować 500 m2 powierzchni na kolektor poziomy.
To bardzo dużo terenu, zwłaszcza że nie można go przykryć, wybetonować ani obsadzić wysokimi drzewami. Wszystko dlatego, że takie zabiegi utrudniają dopływ wody do ziemi i utrudniają działanie słońca. A bez tego zasoby ciepła nie będą się uzupełniać.
Kolejnym problemem jest odległość między poziomymi rurami kolektora. Na ogół są one oddalone od siebie o około jeden metr. W glebach stale wilgotnych, jako energooszczędne, odstępy te zmniejsza się do 60-70 cm. Jednak najważniejszą rzeczą, o której należy pamiętać, jest to, że to nie rury, lecz sam grunt dostarcza ciepło.
Jeśli jednak rury będą ułożone zbyt gęsto, konsekwencje mogą być poważne. Grunt wokół rur zamarznie, tworząc podziemną barierę lodową, która nie rozmarznie przez cały rok. W związku z tym, jeśli zdecydujesz się na gruntową pompę ciepła, upewnij się, że instalacja po stronie dolnego źródła została wykonana przez wykwalifikowanych specjalistów. Tylko wtedy cały system będzie działał sprawnie i z powodzeniem przez wiele lat.
Gruntowe pompy ciepła- jaki odwiert wybrać?
Wykonanie kolektora pionowego jest trudniejsze i bardziej kosztowne niż poziomego. W takiej sytuacji do wywiercenia otworów o głębokości setek metrów potrzebny jest specjalistyczny sprzęt, taki jak wiertnica. Koszty znacznie wzrastają, gdy grunt jest skalisty lub wręcz kamienisty.
Ponieważ jednak otwory są tak małe, nie zajmują wiele miejsca. W związku z tym działka może być ograniczona, a teren nad odwiertami może być utwardzony (ewentualnie nawet przykryty szopą lub garażem). W efekcie powierzchnia poniżej może być mniejsza niż wcześniej zakładano w obliczeniach ekonomicznych. Wiercenie otworów jest również bardziej energooszczędne, ponieważ temperatura na głębokości powyżej 15 m jest stała przez cały rok i wynosi co najmniej 10°C. W związku z tym zwykle korzystniejsze jest wykonanie wielu mniejszych głębokich odwiertów. Z drugiej strony, płytkie odwierty mogą być znacznie tańsze.
Bardzo ważne jest, aby po wprowadzeniu rur do otworu odpowiednio go wypełnić. Jeśli grunt nie jest dobrze zagęszczony, przepływ ciepła będzie utrudniony. Należy użyć specjalnej mieszanki przeznaczonej do wypełniania otworów wiertniczych.
Gruntowe pompy ciepła – czy można nimi chłodzić dom?
Chłodzenie pasywne to specjalna funkcja, która może być realizowana wyłącznie za pomocą pomp gruntowo-wodnych. Dzieje się tak, gdy źródłem chłodu w systemie jest sam grunt. Temperatura gruntu wynosi zazwyczaj 10°C nawet w najgorętsze dni. Oznacza to, że ciepło z wnętrza domu, które może mieć temperaturę 25°C, trafia do gruntu, który chłodzi odbiera ciepło. W ten sposób dolne źródło regeneruje się latem i jednocześnie zapewnia klimatyzację.
Dlaczego stosuje się chłodzenie pasywne? Ponieważ pompa ciepła nie potrzebuje sprężarki do pracy. Pracują tylko pompy obiegowe. Ciepło transportowane jest z cieplejszej części (domu) do chłodniejszej (gruntu). Wymagany jest jedynie wymiennik ciepła pomiędzy obiegiem górnego i dolnego źródła. Zużycie energii elektrycznej w tym przypadku jest znikome w porównaniu do pracy tradycyjnego klimatyzatora.
Jeśli chcesz korzystać z takiego chłodzenia, sprawdź, czy pompa jest standardowo wyposażona w funkcję chłodzenia pasywnego, czy trzeba będzie do niej dokupić dodatkowy moduł, czy też producent w ogóle nie oferuje takiej opcji. Czy w każdej pompie solankowej/wodnej można uzyskać chłodzenie pasywne? Być może jest to możliwe, ale może nie być warte zachodu. Jeśli mamy wszystko wstępnie zbudowane, będzie to łatwiejsze.
Gruntowe pompy ciepła i przygotowanie ciepłej wody użytkowej
W większości przypadków pompa ciepła grunt/woda jest również wykorzystywana do zapewnienia ciepłej wody użytkowej w domu. Jeśli jednak potrzebna jest oddzielna pompa do ciepłej wody użytkowej, pompa ciepła może również to robić. Są to pompy ciepła o niewielkiej mocy, zwykle 1-2 kW. Jako dolne źródło wykorzystują powietrze zewnętrzne lub wewnętrzne. Ten typ pompy nie wydaje się jednak uzasadniony, ponieważ nie jest zbyt wydajny. Działa dobrze w ciepłej porze roku, ale zimą jej sprawność będzie znacznie gorsza niż pompy w gruncie.
Kupowanie drugiej pompy ciepła w takim przypadku nie ma większego sensu. Zapłacimy za nią co najmniej 4000 zł, a zbiornik na ciepłą wodę, który współpracuje z pompą, będzie kosztował niecałe 2000 zł.
Gruntowa pompa ciepła – regeneracja złoża
W ciągu sezonu grzewczego temperatura dolnego źródła systematycznie spada, co jest proporcjonalnie bardziej dotkliwe, ponieważ odbieramy większe ilości ciepła. Nie jest to niebezpieczne, o ile przed kolejną zimą nie uzupełni się zapasów ciepła. Nie zawsze jednak tak się dzieje.
Zdecydowanie najczęstszą przyczyną trudności jest zbyt małe dolne źródło. Utarło się, że większe dolne źródło kosztuje więcej (np. zamiast 3 odwiertów zrób 4). W związku z tym wykonawcy i inwestorzy starają się ograniczać swoje wydatki.
Dolne źródło może być również nadmiernie eksploatowane z powodu błędów popełnianych przez użytkowników.
Na przykład nowy dom może potrzebować więcej ciepła, niż przewiduje projekt. Dzieje się tak dlatego, że beton, tynk, zaprawa i inne materiały potrzebują czasu, aby wyschnąć. Pochłania to dużo energii. Często izolacja nie jest wykończona w takich miejscach jak poddasze. Jeśli więc spróbujesz ogrzać ten dom zbyt mocno, możesz
Aby w pełni wykorzystać możliwości kolektora termicznego, należy unikać pewnych rzeczy. Nie należy utwardzać ani zacieniać terenu, na którym znajduje się kolektor. Uniemożliwi to pochłanianie ciepła przez ziemię i zmniejszy wydajność systemu.
Koszt gruntowej pompy ciepła
Gruntowa pompa ciepła do średniej wielkości domu kosztuje około 15 000-20 000 zł. Można znaleźć urządzenia droższe, ale nie są one dwukrotnie droższe. Niestety, instalacja gruntowej pompy ciepła może być kosztowna.
Koszt kolektora poziomego wyniesie ok. 10 000 zł. Z kolei studnie pionowe będą kosztować około 20 000 zł.
