Dolne źródła ciepła pomp - jakie są ich rodzaje?

Jakie dolne źródła ciepła pomp ogrzewających domy wykorzystuje się najczęściej i dlaczego?

W domach jednorodzinnych mamy możliwość łatwego wykorzystania naturalnych źródeł ciepła dla pompy – gruntu, wody gruntowej i powierzchniowej, a przede wszystkim powietrza. Decydując się na jedno z nich, należy brać pod uwagę zarówno koszt wykonania instalacji, jak i możliwą do uzyskania efektywność systemu, bowiem od niej zależą późniejsze koszty jego eksploatacji. Efektywność pompy jest ściśle związana z temperaturą dolnego źródła ciepła – im jest ona wyższa, tym mniej energii elektrycznej potrzeba do uzyskania temperatury wody potrzebnej do zasilania instalacji grzewczej. Temperatura naturalnych źródeł zmienia się w ciągu roku:

• wody gruntowej – od 8 do 12^oC,
• wody powierzchniowej – od 2 do 10^oC,
• gruntu – od -3 do 5^oC,
• powietrza – od -20 do ponad 30^oC.

Wynika z tego, że najwyższą efektywność średnioroczną uzyskują pompy, których dolnym źródłem ciepła jest woda gruntowa, a najniższą – powietrze. Nie oznacza to jednak, że najbardziej opłaca się instalowanie pomp odbierających ciepło z wody. Zwykle bowiem wiąże się to z wysokim kosztem wykonania instalacji. Dlatego często korzystniejszym rozwiązaniem okazuje się wybór pompy powietrznej – taka inwestycja jest najtańsza.

Aby podjąć decyzję o wyborze najkorzystniejszego rodzaju dolnego źródła ciepła, na etapie projektowania budynku warto zlecić projektantowi branżowemu przeprowadzenie analizy techniczno-ekonomicznej porównującej różne rozwiązania. Może ona zawierać nie tylko koszty eksploatacyjne, ale również szacowane nakłady inwestycyjne, które w wielu przypadkach mogą mieć decydujący wpływ na wybór urządzenia. Przyjrzyjmy się dokładniej poszczególnym dolnym źródłom ciepła i sprawdźmy, czym się charakteryzują.

Do zasilania pomp ciepła odpowiednie są też źródła sztuczne, na przykład ciepło odpadowe z procesów przemysłowych czy rolniczych – ścieki, ciecze i gazy ogrzewane podczas procesów technologicznych. Mają one stosunkowo wysoką temperaturę, w dodatku niezależną od pory roku, więc mogą zapewnić bardzo dobrą efektywność systemu grzewczego. Niestety, ich dostępność jest ograniczona i dlatego rzadko się je wykorzystuje.

Spis treści

1. Dolne źródło ciepła - grunt i woda
2. Dolne źródło ciepła - powietrze
3. Dolne źródła na bazie wody gruntowej - trudności

Dolne źródło ciepła - grunt i woda

Aby wykorzystać energię w formie ciepła z gruntu, układa się w nim kolektor poziomy (nazywany też poziomym gruntowym wymiennikiem ciepła) lub pionowe sondy (pionowy gruntowy wymiennik ciepła). W obu przypadkach są to umieszczone w ziemi przewody z rur polietylenowych, wypełnione czynnikiem niezamarzającym, najczęściej wodnym roztworem glikolu.

Przewaga gruntowego kolektora pionowego nad wymiennikiem poziomym wynika głównie z zajmowania znacznie mniejszej powierzchni oraz znikomego wpływu czynników zewnętrznych na temperaturę gruntu poniżej głębokości 10 m. Wykonanie kolektora poziomego jest za to tańsze. Jednak na głębokości 1,2-1,8 m, na której opłaca się go układać, występują dość duże wahania temperatury, a grunt w którym zakopany jest kolektor poziomy, musi się „zregenerować” w okresie wiosenno-letnim, do czego jest potrzebna nieograniczona ekspozycja na energię słoneczną i wodę deszczową. Dlatego nie powinien być zakryty nawierzchnią betonową. By uzyskać energię z wody gruntowej, pompuje się ją ze studni głębinowej. Odebrane w ten sposób ciepło jest oddawane w wymienniku płytowym do tak zwanego krótkiego obiegu pośredniczącego w wymianie ciepła wypełnionego niezamarzającym roztworem glikolu, stosowanym w celu ochrony parownika pompy ciepła przed osadami i korozją. Dopiero on przekazuje ciepło do parownika.

Gdy dolnym źródłem jest woda powierzchniowa (na przykład staw), ciepło może być z niego odbierane na któryś z powyższych sposobów – z wykorzystaniem wypełnionego roztworem glikolu kolektora poziomego zatopionego w wodzie albo poprzez przepompowywanie jej przez wymiennik ciepła obiegu pośredniczącego w wymianie ciepła.

Z uwagi na kłopotliwość montażu oraz duże koszty inwestycyjne związane z realizacją tego rodzaju przedsięwzięcia wodne dolne źródła ciepła nie są często stosowane w budownictwie mieszkaniowym. Dobrym dolnym źródłem ciepła mogą być też ścieki, jednak w gospodarstwie domowym ilość wyprodukowanych ścieków jest niewystarczająca, aby wykorzystywać je w procesie technologicznym do odbioru energii.

Dolne źródło ciepła - powietrze

Powietrze jest najtańszym, bo niewymagającym prawie żadnych prac inwestycyjnych, dolnym źródłem ciepła. Dużym mankamentem tego rozwiązania są zmiany temperatury powietrza - jest ona najniższa zimą, kiedy potrzebna jest największa wydajność pompy ciepła. A to oznacza, że jej efektywność jest właśnie wtedy najmniejsza. Dlatego zdarza się, że konieczne jest zastosowanie dodatkowego źródła ciepła do ogrzewania domu. Jednak wyższe koszty eksploatacji pomp ciepła powietrznych na ogół są bilansowane niższym niż w przypadku innych rozwiązań kosztem inwestycji. Obecnie na rynku znajdziemy powietrzne pompy ciepła, które bez problemu radzą sobie z uzyskaniem temperatury wody grzewczej rzędu 60ºC przy niskiej temperaturze powietrza zewnętrznego.

Pompy ciepła zasilane powietrzem zewnętrznym nie wymagają specjalnych pomieszczeń – ustawia się je na zewnątrz przy budynku lub wiesza na ścianie i zajmują one niewiele miejsca. Są również pompy ciepła do ustawienia w budynku, zasilane powietrzem dostarczanym z zewnątrz specjalnymi kanałami. Stosuje się je, żeby uniknąć hałasu w otoczeniu domu.

Jako dolne źródło może też być wykorzystane powietrze wyrzucone z wnętrza domu (o temperaturze 5-20°C). Ograniczeniem w stosowaniu pomp ciepła zasilanych w taki sposób jest ich niewielka moc grzewcza. Nadają się do stosowania w budynkach niskoenergetycznych i pasywnych. W pozostałych można je wykorzystać do przygotowywania ciepłej wody użytkowej, wentylacji lub klimatyzacji (w roli rekuperatora) lub wspomagania systemu grzewczego. Powietrzne pompy ciepła są znakomitym rozwiązaniem w małym budynku na małej działce, gdzie nie ma możliwości wykonania wymiennika gruntowego lub w przypadku gdy chcemy zmniejszyć koszty ogrzewania domów z innymi, konwencjonalnymi źródłami ciepła, np. kotłami na dość drogi olej opałowy czy propan. Wówczas w okresach umiarkowanej temperatury na zewnątrz pompa częściowo je w tym wyręcza.

Dolne źródła na bazie wody gruntowej - trudności

Choć najwyższą temperaturą charakteryzuje się woda gruntowa, niezależnie od głębokości i pory roku (około 10^oC), to jednak najczęściej stosowanym w Polsce rozwiązaniem są sondy gruntowe. Wynika to z tego, że system dolnego źródła na bazie wody gruntowej jest bardziej kłopotliwy, przez co jego wyższa efektywność nie przekłada się na lepszy efekt ekonomiczny. Składa się on ze studni do poboru oraz zrzutu wody. Wymaga określenia lokalizacji i wydajności źródła, poziomu warstwy wodonośnej, lokalnych warunków hydrogeologicznych oraz jakości wody. Ze względu na zawartość w wodzie gruntowej zanieczyszczeń producenci pomp zalecają stosowanie pośredniego wymiennika ciepła w celu ochrony parownika w pompie ciepła przed osadami i korozją. Zdarza się, że gdy poziom zanieczyszczeń mineralnych i chemicznych wody przekracza dopuszczalne wartości lub wydatek ujęcia wody jest zbyt mały, jej wykorzystanie jako źródła ciepła jest niemożliwe.

Dodatkowymi wadami tego typu rozwiązania są długi czas wykonania, a zwłaszcza niemożliwe do przewidzenia zmiany wydajności źródła i jakości wody w przyszłości. Natomiast trudności w wykorzystaniu wód powierzchniowych wynikają przede wszystkim z częstego braku zbiornika wodnego w okolicy budynku, ale też z uciążliwości procesu ubiegania się o pozwolenie, ponieważ w Polsce wszystkie rzeki i jeziora są własnością państwa. Jedynie stawy rybne bywają własnością prywatną. Jeżeli zdecydujemy się na system z bezpośrednim poborem wody i tłoczeniem jej przez wymiennik pośredni, trzeba rozwiązać problem zamulania i zanieczyszczania wymiennika oraz pompy toczącej wodę. Jeśli ciepło będziemy odbierać poprzez wymiennik zatapialny, zbiornik wodny powinien charakteryzować się odpowiednio dużą powierzchnią i głębokością powyżej 3-4 m. Należy także pamiętać, że zimą temperatura wody będzie się w nim zbliżać do 0^oC, a w przypadku dużego zanieczyszczenia nawet spadać poniżej tej wartości.