Gruntowa pompa ciepła – do jakiego domu, jak zaprojektować gruntowy wymiennik ciepła

2017-11-21 17:26
Gruntowa pompa ciepła
Autor: Andrzej T. Papliński

Gruntowa pompa ciepła zapewnia w naszym klimacie niższy koszt ogrzewania niż pompa powietrzna. Zasadniczy wpływ na jej efektywne działanie ma prawidłowo zaprojektowany i wykonany wymiennik gruntowy. PORADNIK: wszystko, co trzeba wiedzieć o gruntowej pompie ciepła.

Dla kogo gruntowa pompa ciepła

Kiedy instalacja grzewcza jest jeszcze w fazie projektu, nie ma problemu, żeby dostosować ją do parametrów każdej pompy ciepła, a na niezagospodarowanej jeszcze działce na ogół nie ma przeszkód do wykonania wymiennika potrzebnego do odbierania ciepła z gruntu. Trzeba wiedzieć, że ciepło w gruncie na głębokości 1,5 m pochodzi niemal wyłącznie z opadów atmosferycznych i energii słonecznej, więc nawierzchnia nad wymiennikiem w miarę możliwości powinna być dobrze nasłoneczniona i musi przepuszczać wodę. Nie można sadzić nad nim roślin, których korzenie mogłyby w przyszłości uszkodzić rurę. Trzeba też brać pod uwagę to, że działanie pompy ciepła powoduje obniżenie temperatury gruntu o kilka stopni, co zakłóca wegetację roślin. Z tego względu montaż gruntowej pompy ciepła na dawno zagospodarowanej działce często jest zbyt kłopotliwy.

Ważne

Gruntowa pompa ciepła - czy potrzebne jest pozwolenie na budowę lub zgłoszenie?

Wśród wymienionych w obowiązującym Prawie budowlanym prac, których przeprowadzanie nie wymaga pozwolenia na budowę ani zgłoszenia, jest montaż pompy ciepła. Nie ma jednak mowy o wymienniku gruntowym. Ale ponieważ z obowiązku uzyskania pozwolenia są zwolnione indywidualne oczyszczalnie ścieków i przyłącza mediów wymagające wykonania podobnych prac ziemnych jak przy budowie poziomego wymiennika gruntowego, w praktyce także pozwolenie na jego budowę może nie być wymagane (najlepiej zapytać o to w starostwie powiatowym). Wówczas wystarczy zgłosić zamiar budowy i odczekać 30 dni na tak zwaną milczącą zgodę.

Prace ziemne związane z ułożeniem takiej instalacji mogą podlegać ograniczeniom wynikającym z ustawy Prawo wodne, gdyby w decyzji ustanawiającej strefę ochronną ujęcia wody znalazł się zapis o zakazie ich wykonywania.

Natomiast zbudowanie wymiennika pionowego podlega przepisom ustawy Prawo geologiczne i górnicze. W takim wypadku jest konieczne opracowanie projektu prac geologicznych, który należy przedłożyć właściwemu organowi administracji geologicznej najpóźniej na osiem tygodni przed zamierzonym terminem rozpoczęcia prac. Można do nich przystąpić, jeśli w terminie 30 dni od złożenia projektu starosta nie wniesie sprzeciwu w drodze decyzji. Zamiar przeprowadzenia prac wiertniczych należy zgłosić właściwemu organowi administracji geologicznej, organowi nadzoru górniczego oraz wójtowi, burmistrzowi lub prezydentowi właściwemu ze względu na miejsce prowadzenia prac – najpóźniej na dwa tygodnie przed zamierzonym terminem ich rozpoczęcia. Wiercenia mogą być wykonywane tylko przez osoby z odpowiednimi kwalifikacjami. W terminie do sześciu miesięcy od zakończenia prac trzeba przekazać organowi administracji geologicznej „Dokumentację prac geologicznych wykonanych w celu wykorzystania ciepła ziemi” zawierającą omówienie i podsumowanie przeprowadzonych prac i badań.

Czytaj też:

Gruntowa pompa ciepła w polskim klimacie

Temperatura gruntu jest dużo bardziej stabilna niż powietrza, więc gruntowa pompa ciepła nie musi pracować w szerokim zakresie temperatury parownika i jej podzespoły mogą być dzięki temu tańsze niż pompy powietrznej o dobrych parametrach. Na pewnej głębokości pod powierzchnią ziemi, nazywanej głębokością przemarzania, temperatura jest zawsze wyższa od 0oC. Polska jest podzielona na cztery strefy, w których ta głębokość wynosi od 0,8 m (w I strefie) do 1,4 m (w IV strefie). Miejscowo temperatura gruntu może się różnić od tych wartości (grunt może być chłodzony na przykład przez silny wiatr). Można jednak powiedzieć, że na głębokości większej niż 1,5 m grunt ma zawsze dodatnią temperaturę. Im głębiej, tym temperatura gruntu jest stabilniejsza – nie chłodzi go zimne powietrze, ale i mniej się on nagrzewa na skutek nasłonecznienia.

Temperatura gruntu w różnych porach roku
Autor: Marek Sternicki

Jak działa gruntowa pompa ciepła?

Do odbierania ciepła z gruntu potrzebny jest wymiennik gruntowy. To po prostu umieszczona w ziemi rura tworząca pętlę, w której krąży ciecz potocznie nazywana solanką. Pętla (w praktyce bywa ich kilka) przechodzi przez parownik pompy ciepła, w którym temperatura solanki się obniża i staje się niższa niż temperatura gruntu. Płynąc dalej rurą w ziemi, solanka stopniowo się ogrzewa. Na koniec znów trafia do parownika, gdzie oddaje ciepło. W ten sposób pośredniczy w jego wymianie między gruntem a parownikiem pompy. Wymiennik może być poziomy lub pionowy. O wyborze rozwiązania może decydować wielkość działki – do wykonania wymiennika poziomego potrzeba kilkuset metrów kwadratowych, a na pionowe sondy wystarczy kilkadziesiąt. Ważne, aby objętość wymiennika była znaczna – przez cały sezon grzewczy pompa odbiera z gruntu kilka megawatogodzin ciepła. Jeśli jest zbyt mały, ulega nadmiernemu schłodzeniu, a w konsekwencji pompa nie może poprawnie działać. Układ sterujący gruntowej pompy ciepła zwykle wyłącza ją, gdy temperatura solanki obniża się do -7 oC, bo poniżej tej wartości przebieg procesów w obiegu sprężarkowym zostaje nadmiernie zakłócony.

Gruntowa pompa ciepła z wymiennikiem poziomym

W przypadku wymiennika z rur ułożonych poziomo za optymalną przyjmuje się głębokość 0,2-0,5 m poniżej granicy przemarzania. Jeśli jednak na stosunkowo niewielkiej głębokości znajduje się akurat ciek wodny, to najlepszym rozwiązaniem jest umieszczenie rur właśnie w nim. Pompa ciepła osiąga wtedy wyższy współczynnik wydajności COP. Rury wymiennika poziomego układa się w przygotowanym wcześniej wykopie o wymiarach odpowiadających wymaganej powierzchni wymiennika. Prowadzi się je w formie wężownicy (meandrów) na całej powierzchni wykopu, z zachowaniem określonych odstępów między sąsiadującymi odcinkami. Odstępy nie powinny być mniejsze niż 0,4 m ani większe niż 1,2 m – dostosowane do rodzaju gruntu, z którego wynika jego zdolność do „regeneracji” (uzupełniania ciepła). Im dłużej powierzchnia gruntu jest zamarznięta, tym większe powinny być odstępy.

Trzeba pamiętać, że moc cieplna wymiennika nie wynika z długości rury, tylko z powierzchni gruntu, na którym jest ułożona. Mniejsze odstępy nie umożliwiają odbierania od niego większej ilości ciepła, za to powodują konieczność zastosowania dłuższej rury. Przekłada się to na większy koszt inwestycji, a także eksploatacji, bo do przepompowywania solanki przez dłuższą rurę potrzebna jest pompa obiegowa o większej mocy. Za to zbyt duża odległość między rurami sprawia, że ciepło nie jest odbierane w zakładanej ilości, więc moc wymiennika jest mniejsza.

Gruntowa pompa ciepła z wymiennikiem poziomym
Autor: Agnieszka Sternicka Gruntowa pompa ciepła z wymiennikiem poziomym
Ważne

Projekt wymiennika gruntowego

Zaprojektowanie wymiennika gruntowego odpowiedniej wielkości to klucz do poprawnego działania pompy ciepła. Do obliczenia niezbędnej jego wielkości jest potrzebna informacja o wymaganej mocy chłodniczej pompy ciepła. Jeżeli nie ma jej w danych technicznych urządzenia, to wystarczy wiedzieć, że odpowiada ona mocy cieplnej (grzewczej) pomniejszonej o moc sprężarki. Jeśli nie wiemy, jaką moc ma sprężarka, ale mamy informację o współczynniku wydajności COP, to moc chłodniczą obliczymy z wystarczającą dokładnością ze wzoru:

Qchł = (COP – 1)/COP · Qgrz.

Trzeba zwrócić uwagę, żeby podstawione wartości były osiągane przy temperaturze odpowiadającej tej, która panuje w gruncie i w instalacji grzewczej podczas pracy pompy z pełną mocą (na przykład B0/W35 – temperatura solanki 0oC, instalacji grzewczej 35ºC).

Obliczanie powierzchni wymiennika poziomego gruntowej pompy ciepła

Moc, z jaką wymiennik gruntowy przekazuje ciepło, zależy od rodzaju gleby, a dokładnie od jej wilgotności. W zależności od tego do obliczenia powierzchni wymiennika poziomego przyjmuje się następujące wartości wydajności cieplnej gruntu qg (dla rur polietylenowych):

  • piaszczysty suchy – 10 W/m2
  • piaszczysty wilgotny – 15-20 W/m2
  • gliniasty suchy – 20-25 W/m2
  • gliniasty wilgotny – 25-30 W/m2
  • mokry (wodonośny) – 35-40 W/m2.

Oczywiście są to wartości orientacyjne.

Trudno jest ocenić, czy grunt jest taki sam na całym obszarze przeznaczonym na wymiennik, dopóki nie zacznie się go budować, dlatego do obliczenia bezpieczniej jest przyjąć mniejszą wartość. W prawidłowo wykonanym systemie sprężarka pompy ciepła pracuje od 1800 do 2400 godzin rocznie – mniejsza wydajność cieplna gruntu skutkuje wydłużeniem czasu pracy.

Powierzchnię wymiennika oblicza się ze wzoru: A = Qchł/qg

Przykład: zapotrzebowanie domu na energię do ogrzewania wynosi 14 kW i pompa ma je zaspokajać w całości (ma pracować w układzie monowalentnym). Wybrane urządzenie uzyskuje moc cieplną (grzewczą) 14 kW dla parametrów B0/W35, osiągając przy tym współczynnik wydajności COP = 4,5. Moc chłodnicza wynosi zatem Qchł = (4,5-1)/4,5 · 14 = 10,9 kW, czyli 10 900 W. Wymiennik ma być wykonany w gruncie gliniastym suchym, więc jego powierzchnia powinna wynosić A = 10 900/20 = 545 m2. Zauważmy, że w przypadku gruntu wodonośnego wymiennik może być blisko o połowę mniejszy, ale jeśli grunt jest piaszczysty, to jego powierzchnia zajmie ponad 1000 m2. W takiej sytuacji lepszym rozwiązaniem jest umieszczenie rur pionowo – w odwiertach.

Wymiennik pionowy gruntowej pompy ciepła

Pompa ciepła osiąga wyższy współczynnik wydajności COP, gdy rury wymiennika są umieszczone w ziemi pionowo – w odwiertach głębokości 40-150 m. Wynika to z tego, że na głębokości poniżej 10 m temperatura gruntu wynosi przez cały rok mniej więcej 10oC – czyli zimą o blisko dziesięć więcej niż na głębokości 1,5 m.

Wykonanie wymiennika pionowego jest jednak wyraźnie droższe niż poziomego. Są to pionowe odcinki rury tworzącej pętlę (rura biegnie w dół odwiertu, na dnie zawraca i jest prowadzona w górę). Nazywa się je sondami geotermalnymi. W takim przypadku oblicza się nie powierzchnię, ale łączną długość wymiennika składającego się zwykle z więcej niż jednej sondy.

W pionowych odwiertach umieszcza się po jednej albo po dwie pary rur (sondy typu U lub podwójne U). Wprowadzenie rury do odwiertu ułatwia głowica – element łączący pionowe rury, który może być przystosowany do użycia dodatkowej rury wypełniającej (wpychającej). Do wywierconego otworu wpycha się głowicę, a wraz z nią rury wymiennika. Następnie rurą wypełniającą wprowadza się do otworu mieszankę betonowo-cementową.

W wymienniku typu U jedną rurą ciecz płynie w dół do głowicy, a drugą z niej wraca. W wymienniku typu podwójne U – płynie dwiema rurami w dół i dwiema w górę.

Odległość między odwiertami głębokości do 50 m nie powinna być mniejsza niż 5 m, a w przypadku głębszych od 8 do 15 m. Powinny być rozmieszczone w linii prostopadłej do kierunku przepływu wód podskórnych.

Obliczanie długości wymiennika pionowego gruntowej pompy ciepła

W tym wypadku istotne jest stwierdzenie, jak wraz z głębokością zmieniają się właściwości gruntu. Informacji tej mogą dostarczyć mapy geologiczne oraz dokumentacja odwiertów wcześniej wykonanych w pobliżu. Na tej podstawie można ocenić grubość poszczególnych warstw gruntu i obliczyć średnią wartość współczynnika przewodzenia ciepła l dla obszaru, w którym mają być umieszczone rury wymiennika. Obliczenia nie są jednak w stanie uwzględnić wszystkich ruchów wody gruntowej i w praktyce często się zdarza, że uzyskany wynik znacznie się różni od rzeczywistości. Aby mieć pewność, że wymiennik pionowy będzie działał prawidłowo, należy zlecić badanie gruntu w miejscu, w którym ma być wykonany. W tym wypadku wydajność cieplna gruntu qg również zależy od jego rodzaju.

Dla rur PE80 wynosi:

  • grunt piaszczysty suchy – 10-12 W/m;
  • piaszczysty mokry – 12-16 W/m;
  • średniogliniasty suchy – 16-18 W/m;
  • średniogliniasty mokry – 19-21 W/m;
  • ciężki gliniasty suchy – 18-19 W/m;
  • ciężki gliniasty mokry – 20-22 W/m;
  • mokry (wodonośny) – 25-30 W/m.

Trzeba oczywiście uwzględnić grubość poszczególnych warstw określonego rodzaju gruntu i na tej podstawie obliczyć łączną wydajność każdej sondy.

Wydajność cieplna gruntu, w którym są zarówno warstwy suche, jak i wodonośne, przy zastosowaniu sond typu podwójne U (cztery rury w odwiercie), wynosi średnio około 50 W/m. Orientacyjnie można więc przyjąć, że w przypadku pompy ciepła rozpatrywanej w przykładzie obliczenia wymiennika poziomego (o mocy chłodniczej 10,9 kW) są potrzebne odwierty o łącznej długości L = 10 900/50 = 218 m, czyli na przykład cztery po 55 m.

Gruntowa pompa ciepła z wymiennikiem pionowym
Autor: Agnieszka Sternicka

Gruntowa pompa ciepła: mniejsza moc to tańsza instalacja

Koszt inwestycji jest wprost proporcjonalny do mocy cieplnej instalacji. Dlatego mimo tego, że współczynnik wydajności pompy gruntowej nie maleje wraz z nadejściem silnego mrozu, warto rozważyć zastosowanie pompy ciepła w układzie biwalentnym.
Najłatwiej wyposażyć ją w elektryczny przepływowy podgrzewacz wody (zwykle jest oferowany jako wyposażenie dodatkowe – do zamontowania w obudowie pompy ciepła). Wówczas ustala się punkt biwalentny i dla niego określa niezbędną moc cieplną pompy. Jeśli pompa ma ogrzewać dom znajdujący się w III strefie klimatycznej i przyjmiemy, że poniżej temperatury na zewnątrz -10oC może ją wspomagać elektryczna grzałka, to jej moc cieplna może być o 25% mniejsza od projektowego obciążenia cieplnego obliczonego zgodnie z PN-EN 12831. O tyle też mniejszy będzie koszt wykonania wymiennika gruntowego.

W rozpatrywanym przykładzie zamiast mocy chłodniczej 10,9 kW wystarczy 8,2 kW, a w związku z tym wymiennik poziomy może mieć 410 m2 zamiast 545 m2, a pionowy 164 m zamiast 218 m. Oprócz niższej ceny korzyścią jest zatem także mniejsza ilość potrzebnego miejsca.

Jakie rury do wymiennika gruntowej pompy ciepła?

Długość pojedynczej pętli (obiegu) jest ograniczona – wynika z mocy pompy obiegowej, w którą gruntowa pompa ciepła zwykle jest fabrycznie wyposażona (jeśli nie, to długość rur i odpowiednią pompę obiegową dobiera projektant instalacji). Dopuszczalną długość rury należy odczytać z danych technicznych urządzenia. Zależy ona od średnicy oraz od rodzaju zastosowanego płynu roboczego (solanki). W przypadku pomp ciepła o mocy wynoszącej do kilkunastu kilowatów stosuje się od jednej do czterech pętli po 100-400 m z rury o średnicy od DN25 do DN65 (zależnej między innymi od materiału, z którego jest rura). Do wykonywania wymienników poziomych używa się najczęściej rur polietylenowych PE100 (jeśli w gruncie nie ma kamieni) lub PE100 RC, do pionowych można użyć rur PE80. Wymienniki gruntowe są też robione z rur PE-Xa, polibutylenowych (PB) i miedzianych w płaszczu z tworzywa sztucznego.

Rury wymiennika gruntowego musi wypełniać płyn, który nie zamarza w ujemnej temperaturze, dla pewności przyjmuje się, że do -15oC, choć pompa ciepła ma zabezpieczenie wyłączające ją przy -7oC (wtedy przestaje schładzać grunt). Ponieważ powietrze atmosferyczne bywa jeszcze zimniejsze, rura wymiennika nie może być w żadnym miejscu narażona na jego działanie – musi być zakopana w ziemi na głębokości co najmniej 0,5 m, ewentualnie zaizolowana cieplnie. W pobliżu przejścia rur przez ścianę budynku izolacja ich jest niezbędna, by w odległości do 2 m od fundamentu nie dochodziło do zamarzania gruntu, co mogłoby spowodować katastrofę budowlaną.

Płyn roboczy w instalacji gruntowej pompy ciepła

Dawniej w instalacjach transportujących ciepło z gruntu był używany roztwór soli NaCl, stąd wzięło się funk - cjonujące do dziś określenie – pompy solankowe. Solanki od dawna się już nie stosuje. Najpopularniejszy jest wodny roztwór glikolu propylenowego uznawanego za ekologiczny. Na ogół właśnie on jest zalecany do napełniania instalacji – można go kupić jako gotowy płyn roboczy do takiego zastosowania. Przy jego wyborze należy się kierować zaleceniami producenta pompy ciepła, bo płyn może zawierać różne dodatki inhibitorów, stabilizatorów, przeciwutleniaczy i antyspieniaczy. Glikol propylenowy ma nie tylko wystarczająco niską temperaturę krzepnięcia, ale także nie powoduje korozji metali, nie rozpuszcza tworzyw sztucznych i nie powoduje zacierania się pomp. Jednak jego gęstość i lepkość, przekładające się na ilość energii potrzebnej do pompowania, jest większa niż wody, dlatego stosuje się go w niezbyt dużym stężeniu (34%). Jest oczywiście dużo cieczy, które nie zamarzają w temperaturze -15oC. Często stosowany jest też roztwór glikolu etylenowego, jednak jest uznawany za szkodliwy dla środowiska, bo jest trujący i nie ulega biodegradacji.

Dobre właściwości ma również etanol – jego największą zaletą jest niska lepkość i gęstość, dzięki czemu jego pompowanie pochłania mniej energii. Stosowanie go nie jest popularne z powodu jego łatwopalności, wysokiej lotności, intensywnego zapachu, a przede wszystkim braku właściwości smarnych, co grozi zatarciem pompy obiegowej. Dlatego niektórzy producenci zabraniają jego używania.

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
KOMENTARZE