Zasoby ciepła zawarte w ziemi są ogromne. Pompa ciepła pozwala je wykorzystać do ogrzewania domu. Dobrze zaprojektowana i wykonana instalacja jest tania w eksploatacji i może działać przez kilkadziesiąt lat.
Pompa ciepła to bardzo specyficzne urządzenie grzewcze. Przede wszystkim dlatego, że sama ciepła nie wytwarza. Za to pobiera je z otoczenia - ziemi, wody lub powietrza - przekształca i przekazuje do budynku. Dlatego system grzewczy z pompą można podzielić na trzy części:
Źródło dolne to jakby rodzaj akumulatora, z którego czerpiemy energię. Pompa jest zaś jedynie transformatorem, przekształcającym ją na użyteczną dla nas postać. Płynie stąd zasadniczy wniosek, że bez odpowiednio wydajnego (o właściwej pojemności i temperaturze) źródła dolnego, pompa nie będzie działać prawidłowo. Od niego zależy ilość pozyskanej w ciągu sezonu energii oraz moc osiągana przez pompę. Pamiętajmy, że pompa to nie kocioł i jeżeli dostarcza zbyt mało ciepła, nie wystarczy zmienić jej na model o większej mocy. Trzeba też powiększyć instalację po stronie źródła dolnego (np. dodać odwierty).
Pompa może wykorzystywać różne źródła dolne. Wybór jednego z nich zależy przede wszystkim od warunków panujących na działce - jej wielkości, rodzaju gruntu, akceptowalnego rozmiaru prac ziemnych itd. W domach jednorodzinnych stosuje się następujące układy.
Gruntowy kolektor poziomy to zakopane na głębokości 1-1,5 m wężownice z rur wypełnionych płynem niezamarzającym. Tradycyjnie nazywa się go solanką, choć w rzeczywistości to roztwór glikolu etylowego lub propylowego. Płyn ten krążąc w rurach, odbiera ciepło z gruntu, a następnie - przez wymiennik ciepła - przekazuje je pompie. Wówczas ochłodzony wraca do wężownic, ponownie ociepla się kosztem gruntu i cykl się powtarza.
Kolektory pionowe to także rury wypełnione płynem niezamarzającym, lecz umieszczone w pionowych, głębokich odwiertach.
Kolektor ziemny w systemie z bezpośrednim odparowaniem to ułożone w gruncie rury miedziane z powłoką z tworzywa sztucznego. Zamiast płynu niezamarzającego krąży w nich jednak czynnik roboczy samej pompy ciepła. Rury w gruncie pełnią funkcję tzw. parownika. W ten sposób eliminujemy jeden wymiennik ciepła, a sprawność działania pompy wzrasta.
Dwie studnie, gdzie pierwszą czerpiemy wody podziemne (studnia czerpna), odbieramy z nich ciepło, następnie znów wtłaczamy wodę pod ziemię (studnia zrzutowa). Woda jest bardzo dobrym nośnikiem ciepła, ponadto jej temperatura w głębszych warstwach gruntu wynosi ok. 10°C. Teoretycznie więc taki układ jest bardzo korzystny. W praktyce wody gruntowe, o ile w ogóle występują na działce w odpowiedniej ilości, często zawierają dużo manganu i żelaza, a te pierwiastki wytrącają się z czerpanej wody, zamulając wymiennik ciepła w pompie oraz same studnie.
Kolektory poziome na dnie zbiornika wodnego to wężownice z rur ułożone nie w gruncie, ale na dnie stawu lub rzeki. Na niewielu działkach można wykonać taką instalację, ale warto to zrobić, jeżeli dysponujemy odpowiednim zbiornikiem wodnym. Układ jest bardzo wydajny energetycznie, bo nośnikiem ciepła jest woda. Jej skład nie jest przy tym problemem, bo pompa nie ma z nią bezpośredniego kontaktu.
Wymiennik odbierający ciepło z powietrza współpracuje z tzw. powietrzną pompą ciepła. W tym przypadku instalacja ogranicza się do wymiennika oraz wentylatorów wymuszających ruch powietrza (nawet kilka tysięcy m3/h).
Poza wymienionymi na końcu pompami powietrznymi, wszystkie pozostałe wykorzystują właściwie ciepło zawarte w gruncie. Przy tym w układzie solanka/woda oraz woda/woda mogą zwykle pracować nawet te same urządzenia. Inną konstrukcję mają zaś pompy z bezpośrednim odparowaniem, bo tu jakby część elementów (parownik) rozciągnięto w ziemi.
Pompy typu powietrze/woda znacznie łatwiej zainstalować niż gruntowe i - jeżeli uwzględnić koszty wykonania źródła dolnego - są od nich tańsze. Nie wyparły ich jednak z rynku i prawdopodobnie nigdy to nie nastąpi. Pompy typu grunt/woda mają bowiem w naszym klimacie ogromną zaletę w postaci stabilnej temperatury źródła dolnego, a co za tym idzie, przewidywalnych warunków pracy.
Temperatura powietrza zewnętrznego zmienia się w ciągu roku diametralnie - od +30°C latem do nawet -25°C w zimie. Do tego dochodzi bardzo duża zmienność w ciągu doby. Wiosną i jesienią w ciągu dnia może być kilkanaście stopni na plusie, w nocy zaś poniżej zera. A przecież właśnie wtedy, gdy na zewnątrz jest najzimniej, potrzebujemy najwięcej ciepła! Czyli pompa powinna być najwydajniejsza w momencie, kiedy warunki są dla niej najgorsze. Tego, niestety, nie da się osiągnąć.
Przy czerpaniu ciepła z gruntu sytuacja jest znacznie lepsza. Temperatura na głębokości ok. 1 m nie spada już poniżej zera, zaś wody podziemne i głębokie odwierty to stale około +10°C. Na dnie stawu lub rzeki, o ile tylko nie zamarznie całkowicie, nawet w najgorsze mrozy w strefie przydennej jest +4°C - bo woda o takiej temperaturze ma największą gęstość i samoczynnie opada na dno zbiornika. Dla pompy ciepła źródło dolne, które ma 0°C lub więcej, jest bez porównania lepsze niż powietrze zmrożone do -15 czy -20°C. Co ważne, temperatura gruntu zmienia się powoli, warunki pracy są więc przewidywalne.
Wielkość źródła dolnego, a co za tym idzie pozyskiwana z niego moc, musi odpowiadać mocy pompy. Tę zaś dobiera się do zapotrzebowania na ciepło charakteryzującego konkretny budynek. Dlatego pierwszym krokiem przy projektowaniu systemu grzewczego z pompą musi być zawsze wyznaczenie, ile ciepła potrzebuje dom. Trzeba tu zaznaczyć, że potrzebna jest znacznie większa dokładność, niż w przypadku tradycyjnych instalacji z kotłem.
Kocioł, najczęściej dobrany nieco na zapas, i tak będzie działał prawidłowo, koszty jego eksploatacji też nie zmienią się znacząco. Z kolei lekko zbyt słaby (niedowymiarowany) również będzie działał dobrze. Mało kto wie, że np. kotły na paliwa stałe (węgiel, drewno, pelety) mogą pracować z mocą wynoszącą 120-130% nominalnej niemal bez pogorszenia sprawności. Konieczność wymiany kotła ze względu na źle dobraną moc to naprawdę skrajny przypadek.
Z pompami ciepła jest trudniej. Określoną przez producenta, zapisaną w dokumentacji moc, osiągają one przy założeniu, że temperatura - zarówno po stronie źródła dolnego, jak i górnego (instalacji odbiorczej) - odpowiada przyjętej do obliczeń. Dlatego w dokumentacji urządzeń zwykle znajdziemy wykresy (krzywe), pokazujące na ile spadnie moc urządzenia, jeżeli:
Na źródło górne, czyli instalację grzewczą mamy wpływ (przynajmniej w nowym domu). Źródło dolne jesteśmy zaś w stanie zmieniać tylko w niewielkim stopniu. O ile, oczywiście, wybierzemy już określony typ, np. kolektor poziomy lub pionowe odwierty. Właśnie kolektory poziome są świetnym przykładem tego, jak różne mogą być parametry tego samego typu źródła dolnego. W tym przypadku kluczowe znaczenie ma rodzaj gruntu.
To dobry przykład również dlatego, że na kolektor poziomy potrzeba najwięcej miejsca. Pytanie, czy zmieści się na konkretnej działce, jest więc zasadnicze. W normie EN 15450:2007 przyjęto zaś różniące się nawet 4-krotnie wartości wydajności cieplnej gruntów (patrz tabela poniżej).
Wydajność cieplna gruntu dla kolektorów poziomych
| Rodzaj gruntu | Wydajność cieplna [W/m2] | |
| Czas pracy pompy 1800 h/rok | Czas pracy pompy 2400 h/rok | |
| Suchy, niespoisty | 10 | 8 |
| Wilgotny piaszczysty | 20÷30 | 16÷24 |
| Nasączony wodą | 40 | 32 |
Jak widać, najważniejszy jest stopień nasycenia wodą, która jest świetnym nośnikiem ciepła. Drugi czynnik to czas pracy pompy. A warto wiedzieć, że chociaż jest to norma europejska, wartości skopiowano bez zmian z wytycznej opracowanej przez Związek Inżynierów Niemieckich (wytyczna VDI 4640). Z racji nieco chłodniejszego klimatu niż u naszych zachodnich sąsiadów, rozsądnie będzie w polskich warunkach przyjmować raczej ten dłuższy czas pracy (2400 h/rok).
Jak te dane z tabeli przełożyć na praktykę? Jeśli mamy np. pompę o mocy cieplnej 10 kW i współczynniku COP 4, oznacza to, że 2,5 kW pobierane jest z sieci, a pozostałe 7,5 kW z gruntu (10 kW : 4 = 2,5 kW). Zakładając, że grunt da nam 15 W/m2, na kolektor poziomy będziemy musieli przeznaczyć ok. 500 m2 działki (7500 W : 15 W/m2 = 500 m2).
To sporo, tym bardziej, że tego terenu nie można zabudować, wyłożyć kostką brukową ani obsadzić wysokimi drzewami. Wszystko dlatego, że takie zabiegi utrudniają wnikanie wody w grunt i operację słońca. A bez tego zasoby ciepła się nie odnowią.
Druga kwestia to odstępy pomiędzy rurami kolektora poziomego. Zwykle wynoszą one około metra. W gruntach stale nawodnionych, jako bardziej wydajnych energetycznie, zmniejsza się odstęp do 60-70 cm. Najważniejsze jednak, żeby pamiętać, że to nie rury, lecz sam grunt są źródłem ciepła. Ich zagęszczenie nie spowoduje zwiększenia wydajności dolnego źródła.
Jeżeli jednak z tym przesadzimy, skutki mogą być fatalne. Grunt wokół rur zamarznie, tworząc podziemną lodową tarczę, która nie będzie w stanie odmarznąć pomiędzy sezonami. Dlatego pamiętajmy, że jeżeli zdecydujemy się na gruntową pompę ciepła, instalację po stronie dolnego źródła muszą zaprojektować i wykonać naprawdę dobrzy fachowcy. Tylko wtedy cały system będzie działał bezawaryjnie i wydajnie przez wiele lat.
Wykonanie pionowych odwiertów jest trudniejsze i bardziej kosztowne, niż zrobienie kolektora poziomego. W tym przypadku potrzebny jest specjalny sprzęt do drążenia głębokich na kilkadziesiąt metrów otworów. Jest to szczególnie trudne w skalistym, a nawet kamienistym gruncie, wtedy koszty rosną.
Jednak pamiętajmy, że odwierty zajmują niewiele miejsca, działka może więc być mała, a na dodatek teren nad odwiertami można utwardzić (ostatecznie nawet zabudować, stawiając wiatę czy garaż). Stąd wniosek, że działka może być mniejsza, co należałoby uwzględnić w rachunku ekonomicznym. Ponadto odwierty są bardziej wydajne energetycznie, bo temperatura na głębokości ponad 15 m nie zmienia się przez cały rok i wynosi przynajmniej 10°C. Z tego względu, generalnie lepiej jest wykonać mniej, za to głębokich odwiertów. Jednak trzeba uwzględnić budowę geologiczną terenu i rachunek ekonomiczny. Płytsze odwierty mogą być po prostu znacznie tańsze.
Uwaga! Bardzo ważne jest staranne wypełnienie odwiertu po wprowadzeniu do niego rur. Słabo zagęszczony grunt, a tym bardziej pustka i szczeliny są swoistym izolatorem, utrudniającym wymianę ciepła. Najlepiej jest użyć specjalnych mieszanek przeznaczonych do wypełniania odwiertów.
Specjalną funkcją - możliwą tylko w przypadku pomp grunt/woda - jest tzw. chłodzenie pasywne. Polega ono na tym, że źródłem chłodu w instalacji jest właśnie sam grunt, którego temperatura nawet w największe upały wynosi około 10°C. Precyzyjniej mówiąc, ciepło z wnętrza domu, gdzie mamy np. 25°C, trafia do gruntu, który ma 10-15°C.
Dlaczego takie chłodzenie nazywamy pasywnym? Bo do jego działania nie jest potrzebna praca sprężarki w pompie ciepła. Włączone są tylko pompy obiegowe górnego i dolnego źródła. Wszystko dlatego, że ciepło płynie w naturalny dla siebie sposób - od ciała cieplejszego (dom) do chłodniejszego (grunt). Potrzebny jest tylko wymiennik ciepła pomiędzy obiegami górnego i dolnego źródła. Zużycie prądu w tym trybie pracy jest niewielkie, znikome w porównaniu z działaniem typowych klimatyzatorów.
Jeżeli zamierzamy korzystać z takiego chłodzenia, sprawdźmy, czy pompa oferuje funkcję chłodzenia pasywnego w standardzie, trzeba kupić do niej dodatkowy moduł, czy może producent w ogóle tej funkcji nie przewiduje. Technicznie da się wprawdzie uzyskać chłodzenie pasywne w każdej pompie typu solanka/woda, jednak czy warto się z tym męczyć, jeżeli możemy mieć wszystko fabrycznie przygotowane?
Ciepłą wodę użytkową, czyli c.w.u., w systemie z pompą ciepła grunt/woda zwykle również przygotowuje pompa. Czasem można się jednak spotkać z namowami, żeby wykorzystywać do tego odrębną pompę, przeznaczoną tylko do c.w.u. Są to urządzenia o małej mocy, najczęściej 1-2 kW, wykorzystujące powietrze zewnętrzne lub wewnętrzne jako źródło dolne. Jednak taka specjalizacja nie wydaje się uzasadniona ani względami technicznymi, ani ekonomicznymi. Pompa będzie pracować dobrze w ciepłej porze roku (poza sezonem grzewczym). Jednak zimą, o ile w ogóle będzie w stanie działać, korzystając z powietrza zewnętrznego, jej sprawność będzie dużo gorsza, niż pompy w systemie grunt/woda.
Jeżeli zaś będzie czerpać powietrze z wnętrza domu, to przecież ciepło do jego ogrzania i tak pochodzić będzie z pompy ogrzewającej budynek. W takiej sytuacji kupowanie drugiego urządzenia nie bardzo ma sens. Zapłacimy za nie przynajmniej 4000 zł, a sam zbiornik na c.w.u., odpowiedni do współpracy z pompą, będzie kosztował mniej niż 2000 zł.
Pisaliśmy już, że lepsze źródło dolne zbyt duże niż zbyt małe, jednak powiększanie go ponad potrzebę nie ma sensu. Przede wszystkim dlatego, że więcej zapłacimy za jego wykonanie.
Jednak zdarzają się sytuacje, gdy lepiej jest wykonać nieco większe źródło dolne niż wynikałoby to z typowych założeń projektowych (projekt trzeba zmodyfikować):
Pełne odnowienie zasobów ciepła pomiędzy sezonami. W ciągu sezonu grzewczego temperatura źródła dolnego stopniowo spada - tym bardziej i szybciej, im więcej ciepła odbieramy. Nie ma w tym nic groźnego, jeśli zasoby ciepła zostaną odnowione przed kolejną zimą. Nie zawsze jednak tak się dzieje.
Zdecydowanie najczęściej przyczyną kłopotów jest zbyt małe źródło dolne. Wiadomo, że duże źródło dolne kosztuje drożej (np. wykonanie 4 odwiertów zamiast 3). Dlatego wykonawcy i sami inwestorzy próbują na nim oszczędzać.
Źródło dolne może też zostać nadmiernie wyeksploatowany w wyniku błędów popełnionych w trakcie użytkowania.
Przykładowo, domy tuż po zakończeniu budowy mogą mieć znacznie wyższe zapotrzebowanie na ciepło niż wynika to z projektu. Świeży beton, tynki, zaprawy itd. muszą wyschnąć, a odparowanie z nich wody pochłania bardzo dużo energii. Niejednokrotnie też ocieplenie nie jest dokończone, np. na strychu. Ogrzewanie takiego domu może nadmiernie wyeksploatować dolne źródło.
Niektóre nasze działania mogą też pogorszyć parametry cieplne samego źródła. Terenu, gdzie ułożono kolektor poziomy nie powinno się utwardzać ani zacieniać. Regeneracja zasobów ciepła w gruncie do głębokości kilkunastu metrów następuje głównie dzięki wnikaniu wody opadowej i działaniu słońca.
Samą pompę typu grunt woda, o mocy ok. 10 kW, kupimy już za 15 000-20 000 zł. Chociaż na rynku są nawet urządzenia przeszło dwa razy droższe. Niestety, wykonanie instalacji po stronie źródła dolnego to spory dodatkowy koszt.
Może być przy tym różny, zależnie od wymaganej wielkości źródła dolnego, a przede wszystkim technologii, na którą się zdecydujemy. Można przyjąć, że kolektor poziomy to wydatek do 10 000 zł. Odwierty pionowe pochłoną zaś około 20 000 zł.
Jarosław Antkiewicz
fot. otwierająca: Clima Komfort
37
