Pompy ciepła gruntowe: ekologiczny i wydajny sposób ogrzewania domu

Pompy ciepła to urządzenia grzewcze, które nie wytwarzają energii termicznej poprzez spalanie paliwa stałego, ciekłego lub gazowego, ale dzięki wykorzystaniu procesu przemian termodynamicznych czynnika chłodniczego wykorzystują energię cieplną zawartą w otaczającym nas środowisku. W zależności od rodzaju pompy ciepła, jej użytkownicy otrzymują możliwość wykorzystywania odnawialnych źródeł energii, takich jak powietrze, woda i ziemia do ogrzewania domu oraz do podgrzewania ciepłej wody użytkowej na potrzeby mieszkańców.

Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii nie wpływa w żaden negatywny sposób na otaczające nas środowisko, dzięki czemu decydując się na system grzewczy oparty o wydajną i ekologiczną pompę ciepła dbamy o otaczającą nas przyrodę i poprawiamy jakość powietrza, jakim oddychamy, zyskując niezawodny i praktycznie bezobsługowy system grzewczy.

Jeśli szukasz odpowiedzi, czym są pompy ciepła, a zwłaszcza interesują Cię pompy ciepła gruntowe, poniższy artykuł odpowie na podstawowe pytania i zagadnienia związane z tym rodzajem pomp ciepła oraz wytłumaczy, dlaczego to właśnie gruntowe pompy ciepła charakteryzują się najwyższą wydajnością i niezawodnością spośród wszystkich rodzajów tego typu systemów ogrzewania domu.

Różne rodzaje pomp ciepła

W zależności od rodzaju dolnego źródła ciepła, czyli źródła ciepła, z którego pobierana jest energia termiczna wykorzystywana później do procesu przemian termodynamicznych czynnika roboczego krążącego w układzie pompy ciepła i wykorzystywanego do ogrzania budynku i przygotowania c.w.u, wyróżniamy trzy główne rodzaje pomp ciepła:

• powietrzna pompa ciepłą,
• gruntowa pompa ciepła,
• wodna pompa ciepła.

Powietrzne pompy ciepła to urządzenia najtańsze w zakupie i montażu spośród wszystkich rodzajów pomp ciepła, dzięki wysokiej dostępności dolnego źródła ciepła, jakim dla tego rodzaju pomp ciepła jest powietrze zewnętrzne. Powietrzne pompy ciepła wykorzystujące energię cieplną powietrza zewnętrznego i nie wymagają budowy specjalnych wymienników ciepła, ponieważ energię cieplną zawartą w powietrzu pobierają poprzez wymuszenie przepływu powietrza przez wymiennik parownika jednostki zewnętrznej.

Pomimo najniższego kosztu zakupu i montażu, powietrzne pompy ciepła będą w eksploatacji droższe niż inne rodzaje pomp ciepła, ponieważ wraz ze spadkiem temperatury powietrza spada ich moc przy jednoczesnym wzroście zapotrzebowania ogrzewanego budynku na energię termiczną. Pobór energii elektrycznej przez pompy powietrzne jest jednak wyższy, z uwagi na większe zapotrzebowanie na moc cieplną w warunkach najniższej temperatury i niższą moc pompy ciepła, dlatego inwestując w pompę powietrzną warto również rozważyć montaż instalacji fotowoltaicznej wytwarzającej prąd z energii słonecznej.

Gruntowe pompy ciepła wykorzystują energię zawartą w gruncie. Z uwagi na konieczność budowy instalacji kolektorów poziomych lub pionowych stanowiących wymiennik ciepła niezbędny do tego, aby pozyskać energię cieplną zakumulowaną w ziemi, ich koszt inwestycji znacznie przekracza koszt inwestycji w pompę ciepła powietrzną. Początkowy większy koszt związany z zakupem i montażem całego systemu odwdzięcza się na etapie użytkowania systemu gruntowej pompy ciepła.

Koszty eksploatacji oraz koszty ogrzewania są bowiem znacznie niższe przy porównaniu z kotłem gazowym lub pompą ciepła powietrzną. Dzieje się tak, ponieważ temperatura gruntu ulega znacznie mniejszym wahaniom w skali całego roku niż temperatura powietrza. Temperatura gruntu nawet w okresach wysokich mrozów na głębokości, na jakiej zakopany jest wymiennik, cechuje się stałą temperaturą na poziomie +5 do +10º, stanowiąc bardzo dobre i wydajne źródło ciepła dla pompy, zapewniając niskie koszty eksploatacji urządzenia.

Wodne pompy ciepła w sposobie pracy są bardzo podobne do gruntowych pomp ciepła. Wykorzystują energię cieplną wody, zwłaszcza takiej zgromadzonej w studniach głębinowych oraz w zbiornikach wodnych do pozyskiwania ciepła niezbędnego do przeprowadzenia obiegu termodynamicznego oraz do wykorzystania do ogrzewania domu. Wodne pompy, z uwagi na trudność budowy wymiennika ciepła w zbiornikach wodnych, są najrzadziej wykorzystywanymi pompami ciepła, ale tak samo jak gruntowe charakteryzują się wysoką wydajnością pracy w skali całego roku.

Praktyczna zasada działania pompy ciepła

W praktyce działanie nowoczesnego systemu grzewczego opartego na pompie ciepła jest bardzo proste, choć wykorzystuje skomplikowane procesy przemian termodynamicznych czynnika chłodniczego krążącego w układzie pompy ciepła. Nowoczesne i ekologiczne pompy ciepła nie produkują energii cieplnej, ale pobierają ją ze środowiska i podnoszą jej potencjał w sposób, który umożliwia jej wykorzystanie do ogrzania domu oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Aby zrozumieć praktyczną zasadę działania pomp ciepła, należy rozróżnić to, czym jest dolne źródło ciepła, górne źródło ciepła oraz fakt, w jaki sposób pompa ciepła wykorzystuje energię zawartą w dolnym źródle i przekazuje je do górnego źródła ciepła.

• Dolne źródło jest elementem otaczającego nas środowiska, z którego pompa ciepła pozyskuję energię cieplną. Dolnym źródłem ciepła może być woda, grunt oraz powietrze. Właśnie to, z jakiego dolnego źródła ciepła korzysta pompa, determinuje jej rodzaj. Stąd właśnie wyróżniamy gruntowe, wodne oraz powietrzne pompy ciepła.
• Górnym źródłem ciepła nazywamy instalację grzewczą, będącą systemem pełniącym rolę ogrzewania domu oraz ogrzewania ciepłej wody użytkowej. Górnym źródłem ciepła najczęściej jest wodna instalacja centralnego ogrzewania, ale w niektórych przypadkach górnym źródłem ciepła może być powietrze, np. w przypadku ogrzewania nadmuchowego.

W jaki sposób pompa ciepła pozyskuję energię dolnego źródła i przekazuje ją do górnego źródła?

Pozyskanie energii cieplnej z dolnego źródła możliwe jest przez przetłaczanie powietrza zewnętrznego przez wymiennik ciepła parownika w agregacie zewnętrznym powietrznej pompy ciepła, a w przypadku, w który wykorzystujemy wodną lub gruntową pompę ciepła, dzięki współpracy wymiennika poziomego lub pionowego znajdującego się pod powierzchnią wody lub pod powierzchnią ziemi, z wymiennikiem ciepła parownika w module hydraulicznym pompy ciepła gruntowej lub wodnej. Wykorzystanie energii cieplnej dolnego źródła, jej przetworzenie polegające na podniesieniu jej potencjału energetycznego oraz przekazanie górnego źródła ciepła, jest możliwe dzięki wykorzystaniu parownika, sprężarki, skraplacza oraz zaworu rozprężnego.

Jak działa gruntowa pompa ciepła?

Gruntowa pompa ciepła to urządzenie grzewcze, które dzięki pobieraniu energii cieplnej zawartej w gruncie oraz przy wykorzystaniu zjawiska przemian termodynamicznych czynnika chłodniczego ogrzewa wodę w instalacji grzewczej, umożliwiając ogrzanie domu oraz podgrzanie ciepłej wody użytkowej. Pobór ciepła z gruntu umożliwia gruntowej pompie ciepła ścisła współpraca z wymiennikiem ciepła, nazywanym kolektorem poziomym lub kolektorem pionowym. Rury wymiennika kolektora pionowego lub poziomego współpracującego z gruntową pompą ciepła, zazwyczaj wykonane są z przewodów z tworzywa sztucznego.

Wymiennik gruntowy to zazwyczaj instalacja z przewodów polietylenowych, zakopanych pod powierzchnią ziemi na określonej powierzchni i głębokości. Kolektory poziome stanowią rodzaj wymiennika ciepła zakopanego na głębokości około 1,5–2 metrów pod poziomem gruntu w postaci zwojów o długości około 150–200 metrów, w zależności od zapotrzebowania mocy grzewczej, którą należy uzyskać z gruntu. Kolektorami pionowymi nazywamy zespół kilku lub kilkunastu par przewodów rur polietylenowych zainstalowanych w głębokich odwiertach, sięgających zazwyczaj do około 100 metrów poniżej poziomu gruntu.

Kolektory wypełnione są przez roztwór glikolu, czyli płynu o temperaturze zamarzania około -15ºC. Glikol, który przepływa przez kolektory za pomocą pompy obiegowej, nagrzewa się, ponieważ nawet w warunkach zimowych temperatura gruntu na poziomie 2 metrów poniżej jego powierzchni waha się między 5 a 8ºC, a temperatura w odwiertach pionowych może dochodzić nawet do 13ºC. Ogrzany glikol oddaje swoje ciepło w wymienniku ciepła parownika gruntowej pompy ciepła, w którym przepływający czynnik roboczy ulega odparowaniu w trakcie poboru ciepła z glikolu. Ochłodzony glikol, tłoczony przez pompę obiegową, wraca do kolektorów w gruncie, w którym ponawia proces poboru ciepła z gruntu, a odparowany i ogrzany czynnik roboczy dostarczany jest do sprężarki, w której w wyniku gwałtownego wzrostu jego ciśnienia pracy zostaje również podniesiona jego temperatura.

Gorący czynnik roboczy trafia do skraplacza, w którym przekazuje swoje ciepło do wody grzewczej zasilającej układ centralnego ogrzewania domu oraz zasobnik ciepłej wody użytkowej oraz w którym ulega skropleniu. Kolejnym krokiem w działaniu gruntowej pompy ciepła jest rozprężenie czynnika roboczego w zaworze rozprężnym, w wyniku czego jego ciśnienie i temperatura spadają, a proces obiegu termodynamicznego może zostać powtórzony.

Gruntowa pompa ciepła z kolektorem poziomym czy pionowym – który wybrać?

W instalacjach grzewczych współpracujących z gruntową pompą ciepła niezbędne jest wykonanie wymiennika, który będzie pobierał ciepło zakumulowane w gruncie i przekazywał je do czynnika termodynamicznego w wymienniku parownika w jednostce pompy ciepła. Pompa ciepła gruntowa współpracuje zazwyczaj z wymiennikiem poziomym lub z wymiennikiem pionowym. Sposób, w jaki glikol przepływający przez konkretny rodzaj wymiennika odbiera ciepło z gruntu, jest podobny, ale charakterystyka wykonania i doboru kolektora pionowego i poziomego różnią się od siebie. Czym zatem różnią się od siebie te dwa rodzaje wymienników i jaki wybrać?

Gruntowa pompa ciepła i kolektor poziomy

Poziomy wymiennik ciepła składa się najczęściej z instalacji przewodu lub zespołu przewodów z rur polietylenowych o średnicy 32–40 mm, których długość w zależności od zapotrzebowania wynosi od 100 do 200 metrów. Wymiennik gruntowy poziomy z uwagi na sposób, w jaki jest osadzony w gruncie, wymaga od inwestora znacznej powierzchni terenu dostępnego do wykorzystania pod budowę kolektora. Kolektor poziomy wymaga ponadto płaskiej i pozbawionej drzew i krzewów powierzchni działki, przez co wybudowanie wymiennika poziomego dla posiadaczy mniejszych lub zagospodarowanych działek może być trudne.

Wymiennik poziomy jest tańszy w budowie niż wymiennik pionowy, a jego wydajność jest zależna od długości oraz od tego, ile wynosi wydajność cieplna gruntu, w którym jest wykonany. Sam sposób wykonania wymiennika poziomego jest dość prosty i polega na zakopaniu odpowiedniej długości przewodu polietylenowego na głębokości około 2 metrów poniżej poziomu terenu. Całoroczna temperatura gruntu na takiej głębokości waha się między 5 a 8ºC i pozwala na wydajną pracę pompy ciepła w stałych warunkach bez względu na temperatury powietrza.

Gruntowe pompy z kolektorem pionowym

Sposób, w jaki pracują gruntowe pompy ciepła, których dolnym źródłem jest kolektor pionowy, jest w zasadzie bardzo podobny do tego, w jakim działa gruntowa pompa ciepła z wymiennikiem poziomym dolnego źródła. Kolektory pionowe to zazwyczaj zespół kilku lub kilkunastu pionowych odwiertów sięgających zazwyczaj około 100 metrów poniżej poziomu gruntu, do których wprowadza się tzw. sondy geotermalne, czyli pary polietylenowych przewodów o średnicy 40–65 mm, przez które przepływa roztwór glikolu.

Temperatura gruntu panująca na takich głębokościach sięga około 13ºC, a warunki termiczne panujące na zewnątrz nie wywierają na nią żadnego wpływu. Dzięki temu wydajność gruntowych pomp ciepła wykorzystujących kolektory pionowe jest bardzo wysoka.

W przypadku wykorzystania kolektorów pionowych wielkość działki nie odgrywa aż tak istotnej roli, ponieważ do pracy pompy zazwyczaj wystarczy kilka głębokich odwiertów, niezajmujących dużej powierzchni na działce. Koszty inwestycji związane z wykonaniem wymiennika pionowego są jednak wyższe niż koszty wykonania wymiennika poziomego, ponieważ wykonanie głębokich odwiertów podlega pod prawo geologiczne i wymaga wykonania odpowiednich badań i uzyskania pozwoleń.

Co wpływa na wielkość i wydajność wymiennika gruntowego?

W trakcie procesu projektowania instalacji grzewczej, która będzie zasilana przez gruntową pompę ciepła bardzo ważnym aspektem jest nie tylko poprawne oszacowanie zapotrzebowania budynku na ciepło w sezonie grzewczym, ale także odpowiedni dobór samej pompy ciepła oraz obliczenie i zaprojektowanie odpowiedniej wielkości wymiennika gruntowego, którego wydajność cieplna i uzysk energii z gruntu będzie odpowiadał zapotrzebowaniu na ciepło instalacji grzewczej.

W procesie projektowania wymiennika dolnego źródła ciepła kluczowe znaczenie ma rodzaj gruntu, uzysk ciepła z danego gruntu oraz sam sposób, w jaki oddaje ciepło do wymiennika. Wszystkie te parametry wpływają na to, jak wysoka jest wydajność cieplna gruntu. Wydajność cieplna gruntu w przypadku wykorzystania wymiennika poziomego zależy przede wszystkim od gruntu oraz jego wilgotności. Obliczeniowo te wartości przedstawiają się następująco:

• grunty suche, piaszczyste – 10 W/m²,
• grunty wilgotne, piaszczyste – 20 W/m²,
• grunty suche, gliniaste – 25 W/m²,
• grunty wilgotne, gliniaste – 30 W/m²,
• grunty wodonośne – 35–40 W/m².

Określenie tych parametrów przez badania gruntu ma bardzo duże znacznie w trakcie doboru i projektowania kolektora poziomego, ponieważ pozwala określić wielkość, zajmowaną powierzchnię i wydajność gruntowego wymiennika, który należy wybudować, aby spełnił zapotrzebowanie cieplne gruntowej pompy ciepła oraz aby system grzewczy w budynku działał prawidłowo.

Obliczenia związane z wykonaniem wymiennika pionowego przeprowadza się nieco inaczej, ponieważ wielkość i wymaganą moc kolektora pionowego podaje się poprzez określenie jego długości. Długość wymiennika pozwala wreszcie na oszacowanie ilości koniecznych do wykonania odwiertów oraz sond geotermalnych. Podobnie jak w przypadku wymiennika poziomego, wysoka wydajność pracy zależy od rodzaju gruntu i jego wilgotności. Do obliczeń wielkości kolektora pionowego przyjmuje się w zależności od rodzaju gruntu takie wartości:

• grunty suche, piaszczyste – 12 W/m,
• grunty mokre, piaszczyste – 16 W/m,
• grunty średnie gliniaste – 16–20 W/m,
• grunty ciężkie gliniaste – 18–22 W/m,
• grunty wodonośne – 30 W/m.

Wykonanie odwiertów kontrolnych i przeprowadzenie badań w przypadku planu budowy wymiennika pionowego jest konieczne, ponieważ pozwala na określenie grubości poszczególnych warstw gruntów w długości całego odwiertu i określenie sumarycznej wydajności cieplnej każdej pojedynczej sondy geotermalnej.

Przewody oraz płyn roboczy dla dolnego źródła ciepła

Przewody tworzące wymiennik dolnego źródła, czyli kolektor pionowy lub poziomy, są najczęściej wykonywane z tworzywa sztucznego: polietylenu, polibutelynu lub z przewodów miedzianych w ochronnym płaszczu wykorzystywanym z uwagi na niską odporność miedzi na uszkodzenia. Zdecydowanie najbardziej popularnym materiałem wykorzystywanym w tym celu są przewody polietylenowe z uwagi na ich stosunkowo niski koszt oraz wysoką odporność na uszkodzenia mechaniczne.

Płyny robocze stosowane w instalacjach dolnego źródła muszą charakteryzować się przede wszystkim niską temperaturą zamarzania oraz muszą być bardzo dobrym nośnikiem ciepła, aby sprawnie i wydajnie móc pobrać ciepło z gruntu, którego temperatura jest stosunkowo niska. Bardzo ważne jest również, aby płyn roboczy nie wchodził w reakcje chemiczne z metalami oraz tworzywami sztucznymi, z których zbudowane jest dolne źródło lub elementy wymiennika parownika znajdującego się w pompie ciepła. Najczęściej stosowanym płynem roboczym, który spełnia powyższe kryteria jest glikol propylenowy. Jest bardzo dobrym nośnikiem ciepła, jego temperatura zamarzania wynosi około -15ºC, a w razie wycieku nie stanowi zagrożenia dla środowiska.

Gruntowa pompa ciepła – koszt inwestycji

Koszty inwestycji, z jakimi muszą zmierzyć się inwestorzy decydujący się na montaż gruntowej pompy ciepła, nie są niestety niskie, ale z uwagi na wysoką wydajność gruntowych pomp ciepła i stałe warunki pracy, na które nie ma wpływu temperatura powietrza zewnętrznego, koszty ponoszone przez użytkowników pomp gruntowych na rzecz pracy systemu w sezonie grzewczym są niższe niż te, które użytkownicy musieliby ponieść wykorzystując powietrzną pompę ciepła.

Ogrzewanie domu gruntową pompą ciepła to bardzo wydajne i niezawodne rozwiązanie, a koszt inwestycji, który zawiera wykonanie dolnego źródła, montaż instalacji grzewczej oraz wykonania instalacji kotłowni i wszystkich niezbędnych urządzeń może wahać się od 40 000 do nawet 100 000 złotych. Duża rozbieżność jest spowodowana indywidualnością każdej inwestycji i zależy głównie od wymaganej wydajności pompy ciepła, wielkości i rodzaju wykonania dolnego źródła ciepła, trudności jego wykonania w zależności od rodzaju terenu, na którym ma zostać wybudowany, a także od sposobu sterowania całym systemem.

Wykorzystanie gruntowych pomp ciepła w domach jednorodzinnych – podsumowanie

Ogrzewanie budynku jednorodzinnego za pomocą gruntowej pompy ciepła to świetne rozwiązanie, które użytkownicy doceniają zwłaszcza na etapie eksploatacji systemu. Dzięki wysokiemu współczynnikowi COP, czyli stosunku pobranej energii elektrycznej do wytworzonej mocy grzewczej, jakim cechuje się każda pompa ciepła gruntowa, koszt ogrzewania pompą ciepła jest znacznie niższy niż w przypadku wykorzystania instalacji pompy powietrznej lub kotła gazowego.

Wykorzystanie gruntowej pompy ciepła to sposób na ekologiczne i wydajne ogrzewanie domu. Pobierająca energię cieplną z ziemi gruntowa pompa ciepła nie zmniejsza swojej wydajności i mocy nawet przy ujemnych temperaturach, dlatego poziom zużycia energii elektrycznej niezbędnej do jej pracy jest znacznie niższy niż w przypadku pomp powietrznych, a koszty ogrzewania pompą ciepła tego typu są znacznie niższe. Pamiętajmy, że instalacja grzewcza współpracująca z gruntową pompą ciepła może być również z powodzeniem wykorzystana w lecie do chłodzenia budynku, ponieważ sposób działania gruntowej pompy ciepła umożliwia odwrócenie obiegu chłodzenie i zamianę dolnego źródła ciepła z górnym.