Pompy ciepła gruntowe: jak działa pompa ciepła z gruntowym wymiennikiem?

W tym artykule skupimy się na charakterystyce gruntowych pomp ciepła: to właśnie gruntowe pompy ciepła okazują się urządzeniami grzewczymi cechującymi się najbardziej ekonomicznym źródłem ciepła dla budynku, ponieważ wpływ warunków panujących na zewnątrz jest dla nich praktycznie niezauważalny i chodź nie są najtańszymi rodzajami pomp, to zwrot kosztów eksploatacji tego typu jednostek jest najszybszy, a ich niezawodność największa. Jeżeli chcesz dowiedzieć się więcej o tym jak działa gruntowa pompa ciepła zapraszamy do odwiedzenia strony: https://www.ecocomfort.pl/pompy-ciepla-gruntowe/

Pompa ciepła: jak wykorzystać energię z otaczającego nas środowiska?

Charakterystyka pracy pompy ciepła oraz rodzaj energii termicznej jaką pompa pobiera do ogrzania domu i przygotowania cwu zależy przede wszystkim od rodzaju pompy ciepła na jaką zdecyduje się inwestor. Do najczęściej wykorzystywanych pomp ciepła zaliczana jest: pompa ciepła gruntowa, powietrzna oraz wodna. Rodzaj pompy ciepła określa, co jest tzw. dolnym źródłem ciepła czyli środowiskiem z którego pompa ciepła pozyskuję energię cieplną przekazywaną następnie do górnego źródła ciepła czyli po prostu instalacji grzewczej odpowiadającej za ogrzewanie budynku i ogrzewanie zasobnika cwu.

powietrzne pompy ciepła: system grzewczy działający w oparciu o działanie pompy powietrznej wykorzystuje energię cieplną zawartą w otaczającym jednostkę zewnętrzną powietrzu. Powietrzne pompy ciepła nazywane również pompami ciepła powietrze-woda to najtańsze w montażu pompy. Jednak ich wadą jest bardzo duża zależność osiąganej mocy grzewczej od temperatury powietrza przez co ich wydajność spada wraz ze spadkiem temperatury na zewnątrz.
pompy ciepła gruntowe: są urządzeniami grzewczymi wykorzystującymi energię termiczną gruntu jako dolne źródło ciepła. Pompa gruntowa to urządzenie droższe od pompy powietrznej w kontekście ceny instalacji ponieważ wymagają budowy gruntowego wymiennika ciepła, który będzie pozyskiwał energię cieplną z gruntu ale za to są znacznie tańsze w eksploatacji. Dzięki temu, że temperatura gruntu nie zmienia się przez cały rok i nawet w zimie jest stała, gruntowa pompa ciepła cechuje się stałymi parametrami pracy i wysoką wydajnością przez cały rok. Zużycie energii elektrycznej gruntowej pompy ciepła jest dzięki temu niższe niż powietrznej pompy ciepła.
wodne pompy ciepła: zasady ich działania są podobne jak gruntowej pompie ciepła. Jako dolne źródło ciepła wykorzystują zbiorniki lub cieki wodne. Takie pompy ciepła są najrzadziej użytkowane z uwagi na duże koszty wykonania wymiennika ciepła dolnego źródła oraz często brak odpowiednich cieków wodnych lub brak zgód środowiskowych na wykonanie takiego wymiennika.

W jaki sposób działają pompy ciepła?

Schemat ułożenia przewodów gruntowej pompy ciepła — Schemat ułożenia rur gruntowej pompy ciepła

Znając rodzaje pomp ciepła, warto odpowiedzieć sobie na pytanie o to, w jaki sposób działają pompy ciepła.

Pompa ciepła to nowoczesne urządzenie służące do ogrzewania budynku oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej poprzez wykorzystanie potencjału energetycznego odnawialnych źródeł ciepła w ekologiczny i bezpieczny sposób. Aby dokładniej to zrozumieć należy rozróżnić trzy ważne składowe całości systemu składające się na kompletną instalację pompy ciepła. Dlatego rozróżniamy dolne źródło ciepła, górne źródło ciepła oraz samą pompę ciepła.

dolne źródło ciepła - jest źródłem energii, którą pozyskuje pompa ciepła, dolnym źródłem ciepła może być grunt, woda gruntowa lub cieki i zbiorniki wodne, oraz powietrze zewnętrzne,
górne źródło ciepła - górne źródło ciepła to najczęściej instalacja centralnego ogrzewania czyli instalacja grzewcza umożliwiająca przekazanie energii cieplnej do pomieszczeń oraz do wody użytkowej zgromadzonej w zasobniku cwu,
pompa ciepła - czyli urządzenie, którego zadaniem jest pobieranie energii termicznej z dolnego źródła, podniesienie jego wartości energetycznej przez wykorzystanie pracy sprężarki pracującej w obiegu termodynamicznego czynnika roboczego oraz przekazanie ciepła do górnego źródła.

Gruntowa pompa ciepła - zasada działania pomp ciepła w oparciu o gruntowy wymiennik ciepła.

Jak działają gruntowe pompy ciepła? Co składa się na cały system gruntowej pompy ciepła? Najprostszą odpowiedzią na te pytania jest stwierdzenie, że gruntowe pompy dzięki pobraniu energii termicznej zawartej w gruncie i podniesieniu jej potencjału energetycznego za pomocą przeprowadzenie procesu przemian termodynamicznych czynnika chłodniczego są w stanie bez problemu ogrzać cały dom nawet w trakcie srogiej zimy i podgrzać ciepłą wodę użytkową do zadanej wymaganej temperatury.

Aby cały ten proces mógł się odbyć niezbędne jest wykorzystanie kilku niezwykle ważnych elementów składających się całościowo na to co nazywamy gruntową pompą ciepła, są to:

dolne źródło ciepła,
parownik,
sprężarka,
skraplacz,
zawór rozprężny,
górne źródło ciepła,

W jaki sposób działa gruntowa pompa ciepła?

Zasada działania gruntowej pompy ciepła opiera się na pobraniu energii cieplnej zawartej w gruncie. Jest to możliwe dzięki gruntowemu kolektorowi poziomemu lub pionowemu, czyli zakopanych w ziemi przewodów polietylenowych, przez które przetłaczany jest roztwór glikolu, którego temperatura zamarzania rozpoczyna się w zakresie -15 do -20 stopni Celsjusza.

Glikol przepływając przez wymiennik nagrzewa się, pobierając ciepło z gruntu, które na poziomie 2 metrów poniżej powierzchni posiada stałą temperaturę około 8 stopni Celsjusza. Tak ogrzany roztwór glikolu trafia do jednostki pompy ciepła w budynku, a dokładnie do wymiennika ciepła parownika w module hydraulicznym pompy ciepła, przez który przepływa także czynnik roboczy będący gazem technicznym o bardzo niskiej temperaturze parowania.

W parowniku czynnik roboczy paruje pobierając ciepło glikolu. Ochłodzony glikol przepompowywany jest ponownie przez wymiennik gruntowy, aby ponownie pobrał temperaturę z gruntu, a czynnik roboczy trafia do sprężarki, w której jego ciśnienie i temperatura zostaje znacznie podniesiona. Czynnik chłodniczy dostarczany jest do skraplacza, w którym oddaje ciepło do górnego źródła zasilającego instalację centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Oddając temperaturę schładza się i skrapla po czym przepływając przez zawór rozprężny obniża swoje ciśnienie i temperaturę do wartości umożliwiającej ponowne odparowanie i pobór ciepła z dolnego źródła w parowniku.

Jakie są rodzaje kolektorów dla gruntowych pomp ciepła?

Najbardziej popularnym rozwiązaniem dotyczących wymienników ciepła dolnego źródła, które współpracują z gruntową pompą ciepła są poziome oraz pionowe wymienniki ciepła.

Poziomy gruntowy wymiennik ciepła: to system przewodów polietylenowych, najczęściej o średnicy 32 mm lub 40 mm, które zakopuje się na dużej powierzchni działki na głębokości około 1,5 - 2 metrów. Wymiennik poziomy w zależności od zapotrzebowania budynku na ciepło może mieć od 100 do 200 metrów długości. Wymiennik zakopany w gruncie wypełnia zazwyczaj roztwór glikolu, który przetłaczany za pomocą pompy obiegowej pobiera ciepło gruntu i przekazuje je do parownika pompy ciepła. Wymiennik poziomy jest tańszy w budowie niż wymiennik pionowy ale do jego prawidłowego wykonania niezbędna jest działka o dużej powierzchni, która w dodatku nie może być zagospodarowana drzewami, krzewami o głęboko sięgających korzeniach oraz innych elementach architektury krajobrazu. Temperatura gruntu na głębokości 2 metrów wynosi około 8 stopni Celsjusza.
Pionowy gruntowy wymiennik ciepła: składa się z tych samych elementów co wymiennik poziomy ale w przeciwieństwie do niego wykorzystuje kilka lub kilkanaście pionowych głębokich odwiertów sięgających nawet 100 metrów głębokości i rozłożonych w nich sond geotermalnych czyli przewodów z tworzywa sztucznego o średnicy 40 - 65 mm. Koszty wykonania takiego kolektora są wyższe niż w przypadku kolektora poziomego ale dzięki takiemu wymiennikowi dolne źródło ciepła charakteryzuje wysoka wydajność ponieważ temperatura gruntu w głębokich odwiertach sięgających 100 metrów osiąga 13 - 15 stopni Celsjusza bez względu na to czy pompa pracuje w trybie grzania w sezonie grzewczym czy w trybie chłodzenia w okresie lata. Wykonanie pionowego wymiennika jest droższym rozwiązaniem ponieważ jego projekt i wykonawstwo podlega pod prawo geologiczne i wymaga przeprowadzenia badań oraz uzyskania pozwoleń.

Jaka wielkość wymiennika gruntowego?

Decydując się na montaż gruntowej pompy ciepła warto powierzyć cały proces projektowy i wykonawczy profesjonalnej firmie specjalizującej się w wykonywaniu tego typu instalacji. Zaprojektowanie i dobór gruntowej pompy ciepła jest trudniejszym zadaniem niż dobór powietrznej pompy ciepła z uwagi na to, że ważne jest nie tylko dokładne określenie wymaganej mocy grzewczej pompy ciepła, ale także bardzo dokładne oszacowanie, zaprojektowanie i poprawne wykonanie instalacji dolnego źródła ciepła w taki sposób, aby zapewnić wystarczającą ilość energii niezbędnej do pokrycia zapotrzebowania budynku na ciepło.

Obliczenia powierzchni gruntowego poziomego wymiennika ciepła.

Najważniejszym parametrem, pozwalającym obliczyć jak dużą powierzchnię powinien mieć gruntowy wymiennik jest ilość energii jaką kolektor jest w stanie pozyskać z danego rodzaju gruntu. Jest to tzw. wydajność cieplna gruntu, która określa uzysk ciepła z gruntu pompy ciepła przez kolektory poziome lub kolektory pionowe. Wydajność cieplna gruntu zależy przede wszystkim od jego rodzaju i jego wilgotności i obliczeniowo przestawia się w zakresie:

10 W/m2 dla gruntów suchych i piaszczystych
20 W/m2 dla gruntów wilgotnych i piaszczystych
25 W/m2 dla gruntów suchych i gliniastych
30 W/m2 dla gruntów wilgotnych i gliniastych
35-40 W/m2 w przypadku gruntów wodonośnych

Przykładowo: jeśli wymagane zapotrzebowanie energii cieplnej danego budynku wynosi 10 kW, to jeśli pompa ciepła osiąga współczynnik COP na poziomie 4,5 to wielkość wymiennika poziomego obliczamy zgodnie ze wzorem, w którym moc chłodnicza wynosi Q=((4,5-1)/4,5)*10 000W = ~7780 W, a powierzchnia wymiennika poziomego dla gruntów wodonośnych powinna wynosić 223 m2. Zauważmy, że w przypadku gruntów suchych i piaszczystych wielkość działki przeznaczonej do budowy wymiennika będzie musiała być znacznie większa ponieważ wymagana wielkość wymiennika wynosi 778 m2. W takim przypadku warto rozważyć wykonanie wymiennika pionowego.

Obliczenia powierzchni gruntowego pionowego wymiennika ciepła.

Gruntowe pompy ciepła wykorzystujące kolektory pionowe osiągają wyższe współczynniki COP. Dzieje się tak dlatego, że poprowadzenie sond geotermalnych, czyli instalacji z przewodów polietylenowych stanowiących kolektor pionowy do jednego lub w kilku głębokich odwiertach w których panuje kilkanaście stopni wyższa temperatura niż 2 metry poniżej gruntu umożliwia uzyskanie większej mocy pobranej z gruntu.

Wielkość wymiennika pionowego podaje się jaką wymaganą sumaryczną długość sond geotermalnych, czyli inaczej niż w przypadku wymiennika poziomego, którego obliczenia podawały wymaganą powierzchnię wymiennika. Długość sond i uzysk mocy zależy jednak, podobnie jak w przypadku wymiennika poziomego, od rodzaju gruntu i obecności wód gruntowych na poszczególnych głębokościach dlatego aby odpowiednio określić wymaganą długość sond i związaną z tym ilość odwiertów niezbędne jest wykonanie badań i odwiertów geologicznych potwierdzających rodzaj gruntu, jego warstwy na poszczególnej głębokości oraz obecność wód gruntowych na naszej działce. W odniesieniu do długości wymiennika pionowego i w przypadku zastosowania rur polietylenowych wydajność cieplna gruntu obliczana jest następująco:

12 W/m dla gruntów suchych i piaszczystych
16 W/m dla gruntów mokrych i piaszczystych
16-20 W/m dla gruntów średnich gliniastych w zależności od ich wilgotności
18-22 W/m dla gruntów ciężkich gliniastych w zależności od ich wilgotności
30 W/m w przypadku gruntów wodonośnych

Oczywiście, w każdym z odwiertów może występować kilka rodzajów gruntów, dlatego bardzo ważne w przypadku wykorzystania takiego rodzaju wymiennika jest przeprowadzenie badań geologicznych oraz odpowiedni projekt wymiennika pionowego który pozwoli na oszacowanie długości sond, ich ilości w jednym w odwiercie oraz ilości i głębokości wykonanych odwiertów.

Jakie rury do wymiennika gruntowej pompy ciepła?

Najczęściej stosowanymi przewodami wykorzystywanymi do budowy wymiennika poziomego lub pionowego są rury polietylenowe o średnicach od 32mm do 65mm. Rzadziej stosuje się również przewody polibutelynowe oraz rury miedziane w płaszczu ochronnym, ale są one droższe od polietylenowych. Długość i średnica przewodów, które tworzą wymiennik gruntowy zależy od wymaganej wielkości dolnego źródła ciepła i mocy, którą należy z niego uzyskać aby spełnić zapotrzebowanie energetyczne budynku.

To jednak nie wszystko. Projektant dolnego źródła i całego systemu ogrzewania opartego na gruntowej pompie ciepła musi wziąć również pod uwagę moc pompy obiegowej dolnego źródła, która również jest wyznacznikiem doboru rodzaju rur wymiennika, ich średnicy oraz maksymalnej długości. Jeśli pompa obiegowa jest zbyt mała możliwe, że konieczny będzie dobór dodatkowej pompy obiegowej i zaprojektowanie dodatkowego obiegu hydraulicznego dolnego źródła ciepła oraz określenie tego, jakie będzie zużycie energii elektrycznej przez dodatkowy moduł pompy obiegowej.

Gruntowe pompy ciepła: płyn roboczy w dolnym źródle ciepła

Aby wymiennik gruntowy działał prawidłowo, a źródło ciepła mogło skutecznie pobierać energię geotermalną niezbędne jest wypełnienie go płynem, który będzie bardzo dobrym nośnikiem energii oraz nie będzie zamarzał nawet w niskich temperaturach. Płynem, który najlepiej spełnia te wymagania jest wodny roztwór glikolu propylenowego.

Glikol propylenowy charakteryzuje się bardzo niską temperaturą zamarzania na poziomie -15 stopni Celsjusza, nie jest szkodliwy dla środowiska w razie ewentualnego uszkodzenia wymiennika i wycieku oraz nie wchodzi w reakcję z tworzywami sztucznymi, z których wykonane są rury wymiennika i metalami dzięki czemu nie powoduje korozji różnych elementów instalacji pompy ciepła.

Jakie są koszty związane z instalacją gruntowej pompy ciepła?

Koszt inwestycji związany z budową instalacji ogrzewania budynku i przygotowania cwu w oparciu o gruntową pompę ciepła zależy od wielu czynników. Istotne jest nie tylko zapotrzebowanie budynku na ciepło, ale także rodzaj gruntu w którym będzie wykonany wymiennik gruntowy co wpływa bezpośrednio na jego wielkość i koszt wykonania. W ogólnym rozrachunku koszty zakupu oraz instalacji gruntowej pompy ciepła wraz z wykonaniem dolnego źródła mogą wynosić od 40 000 do 100 000 zł. Aby otrzymać wstępną wycenę i analizę możliwości wykonania instalacji gruntowej pompy ciepła warto zapytać profesjonalną firmę zajmującą się montażem takich instalacji.

Gruntowa pompa ciepła - podsumowanie

Pompa ciepła z gruntowym wymiennikiem ciepła

Czerpiąca energię z ziemi, gruntowa pompa ciepła współpracująca z wymiennikiem poziomym lub wymiennikiem pionowym charakteryzuje się bardzo wysoką wydajnością pracy. Dzięki temu, że na pewnej głębokości poniżej poziomu terenu, grunt utrzymuje stałą temperaturę bez wpływu warunków panujących na zewnątrz, gruntowe pompy ciepła charakteryzują się bardzo wysokim współczynnikiem COP i stanowią świetne rozwiązanie jako systemy grzewcze stosowane w domach jednorodzinnych.

Gruntowe pompy ciepła zapewniają czyste i ekologiczne ciepło w całym domu, a koszty energii elektrycznej pobieranej przez samą pompę są znacznie niższe niż w przypadku powietrznej pompy tak bardzo uzależnionej od temperatury powietrza zewnętrznego. Warto pamiętać, że gruntową pompę ciepła można z powodzeniem wykorzystać latem do chłodzenia domu. Stała w ciągu całego roku temperatura gruntu umożliwia odwrócenie obiegu grzewczego i wykorzystanie emiterów ciepła takich jak ogrzewanie podłogowe lub konwektorów pompy ciepła jak dolnego źródła pobierającego ciepło z budynku i oddającego je do chłodnego gruntu w którym zakopane rury wymiennika przejmą rolę górnego źródła ciepła.