Gruntowe pompy ciepła do ogrzewania nowoczesnego domu

Gruntowe pompy ciepła to najczęściej urządzenia typu solanka-woda, które pobierają energię z dolnego źródła, jakim jest grunt. Nie emitują żadnych zanieczyszczeń i działają skutecznie nawet przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych.
Sposób działania pompy ciepła oparty jest na cyklicznej zmianie stanu fizycznego czynnika krążącego w obiegu zamkniętym, w wyniku której wytworzona para ulega skropleniu i oddaje ciepło wodzie krążącej w instalacji grzewczej (górne źródło). Najlepsze efekty uzyskuje się dzięki współpracy pompy ciepła z systemami niskotemperaturowymi, takimi jak ogrzewanie podłogowe czy ścienne. Nie znaczy to jednak, że nie poradzi sobie ona z innymi instalacjami np. grzejnikami. Pompy ciepła, w tym urządzenia typu solanka-woda, można także wykorzystać do przygotowywania ciepłej wody użytkowej oraz chłodzenia pomieszczeń. 

Energia z gruntu

Temperatura gruntu zależy od jego głębokości. W warstwach przypowierzchniowych akumulowane ciepło pochodzi głównie z promieniowania słonecznego i wody deszczowej. Temperatura gruntu w tej warstwie zmienia się w zależności od pór roku. Na większej głębokości zakumulowane jest ciepło pochodzące z wnętrza ziemi. Na głębokości około 10 m temperatura gruntu jest już stabilna i wynosi 6-9°C. Na tej głębokości temperatura gruntu nie zależy już od warunków atmosferycznych, dzięki czemu możliwe jest efektywne wykorzystanie zakumulowanej tam energii przez cały rok. Czynnik roboczy (najczęściej jest nim glikol) krążąc w instalacji pompy ciepła pobiera ciepło z gruntu poprzez zamontowane w nim kolektory poziome lub pionowe (tzw. wymienniki ciepła).

Gruntowe pompy ciepła z kolektorem poziomym

Kolektor poziomy to wymiennik ciepła, który umieszcza się w górnej warstwie gruntu poniżej strefy przemarzania, na głębokości do 2 m. Zaletą kolektorów poziomych jest niski koszt inwestycyjny przy stosunkowo wysokim współczynniku wydajności sezonowej. Ze względu na to, że kolektor poziomy jest umieszczany na niewielkiej głębokości, największy wpływ na jego działanie ma promieniowanie słoneczne (a także wiatr, deszcz, topniejący śnieg). Aby system kolektorów poziomych działał z dobrą wydajnością również w sezonie grzewczym, energia zgromadzona w ziemi w okresie letnim powinna być maksymalnie wykorzystana zimą. W przypadku kolektorów poziomych nie bez znaczenia jest rodzaj gleby. W zależności od jej wilgotności ciepło oddawane jest z innym natężeniem. Najlepsza jest wilgotna gleba ilasta. 

Zastosowanie kolektorów poziomych nie jest zbyt popularnym rozwiązaniem, ponieważ mogą sobie na nie pozwolić właściciele dużych działek – musi być ona nawet kilkukrotnie większa od powierzchni domu, który zamierzamy ogrzewać gruntową pompą ciepła. Kolektor nie może znajdować się pod budynkami czy na terenie porośniętym przez drzewa i krzewy. Grunt nie może też być przykryty żadną szczelną powierzchnią, np. asfaltową lub betonową – musi znajdować się na terenie otwartym, by promienie słoneczne mogło skutecznie przenikać wgłąb. Najlepszym rozwiązaniem jest więc posadzenie na gruncie trawy. Umożliwi to pełną regenerację cieplną gruntu, tzn. będzie zachowywał on stałą temperaturę przez cały rok i nie wychładzał się zbytnio w zimie. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie tzw. kolektora spiralnego. Zasada jego działania jest zbliżona do zasady działania kolektora płaskiego. Sekcje kolektora spiralnego mają postać spiralnych zwojów ułożonych w rowach o długości 10-15 m.b. Taki kolektor zajmuje nieco mniej miejsca i jest łatwiejszy w wykonaniu. Niestety efektywność systemu jest nieco słabsza.

Gruntowe pompy ciepła z kolektorem pionowym

W naszym kraju najpopularniejsze są kolektory pionowe. Wykonanie instalacji z ich wykorzystaniem jest droższe od pozostałych rozwiązań, gdyż wymaga wykonania odwiertów na dużej głębokości – nawet do 150 m. W otworach umieszczane są sondy geotermalne. Rury najczęściej układane są podwójnie, w kształcie litery U – ma to na celu zapewnienie większej bezawaryjności instalacji. Stosując kolektory pionowe potrzeba znacznie mniej miejsca na działce niż w przypadku poziomych. Odwierty można wykonać bezpośrednio pod budynkiem, co pozwala uniknąć strat związanych z doprowadzeniem czynnika roboczego do domu. Odpowiednio dobrany kolektor gwarantuje wysoką sprawność pompy ciepła. Jest to rozwiązanie na ogół lepsze pod względem eksploatacyjnym, z powodu stabilnej temperatury gruntu na większych głębokościach.

Jak wybrać gruntową pompę ciepła?

Na rynku dostępnych jest wiele gruntowych pomp ciepła, bez problemu dobierzemy więc odpowiednie urządzenie. Przed zakupem pompy ciepła należy określić zapotrzebowanie budynku na ciepło, uwzględniając jego termoizolację, lokalizację, kubaturę itp., a następnie określić moc pompy ciepła. Dobór odpowiedniego urządzenia najlepiej zlecić specjaliście. Warto jednak wiedzieć, na co zwrócić uwagę:

• współczynnik COP (tzw. współczynnik wydajności cieplnej) – wyraża on stosunek mocy grzewczej pompy do energii potrzebnej do zasilania jej układu. Najwyższą wartość osiąga się, gdy różnica temperatur systemu grzewczego oraz źródła dolnego jest najmniejsza. Im wyższy współczynnik COP, tym pompa jest bardziej wydajna;
• moc grzewcza Pg – informuje o energii, z jaką sprężarka dostarcza ciepło do instalacji; urządzenie o zbyt malej mocy nie będzie w stanie ogrzać budynku, natomiast zbyt duża moc skutkuje nadmiernym zużyciem prądu. Jeśli gruntowa pompa ciepła ma być jedynym urządzeniem grzewczym w domu przyjmuje się, że Pg powinno być równe maksymalnemu zapotrzebowania na ciepło. Dzięki temu pompa będzie w stanie skutecznie ogrzewać dom przy najniższych temperaturach panujących na zewnątrz;
• moc elektryczna Pe – określa maksymalną ilość energii, którą wykorzystuje sprężarka. Im mniejszy wskaźnik, tym tańsza będzie eksploatacja urządzenia;
• moc chłodnicza Pch – to największa moc, z którą sprężarka pobiera ciepło ze źródła dolnego. Jest to ważne, jeśli pompa ma odpowiadać również za system chłodniczy. Im jego wartość jest wyższa, tym lepiej.

Zdjęcia: Vaillant, Fotolia.com