Gruntowy wymiennik ciepła - jak wybrać najlepszy do pompy ciepła

Gruntowe pompy ciepła, pobierające do ogrzewania ciepło z ziemi, to sztandarowy przykład urządzenia wykorzystującego energię odnawialną. Czynnik grzewczy krąży w ułożonym w gruncie systemie rur, określanym jako kolektor lub wymiennik ciepła. W zależności ilości miejsca, jakim dysponujemy na działce, do wyboru mamy gruntowy wymiennik pionowy, poziomy lub spiralny.

Pompa ciepła to urządzenie, które do ogrzewania pomieszczeń wykorzystuje ciepło z otoczenia, czyli z tzw. dolnego źródła ciepła. W przypadku gruntowych pomp ciepła dolnym źródłem jest gleba. Najlepiej gdy grunt jest mokry i gliniasty, ponieważ suchy piasek dostarcza kilkakrotnie mniej ciepła.

Gruntowy wymiennik ciepła umieszczony w ziemi - w zależności od wielkości naszej działki - pionowo, poziomo lub spiralnie - odbiera ciepło i przekazuje je czynnikowi krążącemu w systemie rur, a następnie transportuje do instalacji grzewczej.

Takie ogrzewanie ma właściwie same zalety: nie zużywa żadnego paliwa, nie emituje spalin, a za korzystanie z wytworzonej energii cieplnej nie trzeba płacić. Pozostają jednak koszty energii elektrycznej, która jest niezbędna do zasilania pompy ciepła. Na szczęście pompa nie potrzebuje jej dużo.

Na dużą działkę - poziomy wymiennik ciepła

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.

Pompa ciepła z wymiennikiem pionowym

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 10^o C – 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.

• Cement - niezbędny na każdej budowie. Rodzaje cementu i ich zastosowanie >>>
• Jak zrobić dobry beton B20 (C16/20) samodzielnie >>>

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 – 8-15 m. Powinny być rozmieszczone w linii prostopadłej do kierunku przepływu wód podskórnych.

Spiralny gruntowy wymiennik ciepła

Innym rodzajem kolektorów są wymienniki spiralne. Układa się je na takiej samej zasadzie jak wymiennik poziomy, z tym że rura ma kształt spirali. Do ich zainstalowania potrzeba mniej miejsca niż na wymiennik poziomy, a prace montażowe są mniej kłopotliwe niż przy wymienniku poziomym.

Dowiedz się więcej o pompach ciepła:

• Zasada działania zasobnika buforowego w instalacji z pompą ciepła >>>
• Czy pompa ciepła może chłodzić? >>>
• Współpraca pompy ciepła i fotowoltaiki: korzyści i rozwiązania >>>

WIDEO: pompa ciepła - czym ogrzewać dom?

Piotr Laskowski