Rodzaje pomp ciepła: powietrzna, wodna i gruntowa - jaką wybrać?

Żeby inwestycja w pompę ciepła szybko się zwróciła, musimy wybrać najlepsze dla niej źródło ciepła. To, czy lepiej sprawdzi się w tej roli woda czy grunt, wymiennik pionowy czy poziomy, zależy w dużej mierze od naszej działki. Wyjaśniamy, jak działają pompy ciepła.

Działanie pompy ciepła

Pompa ciepła to urządzenie wielkością i wyglądem przypominające niewielką lodówkę albo duży stojący kocioł grzewczy na gaz. Podobnie jak on pompa ciepła służy do ogrzewania domu i przygotowywania ciepłej wody. Dlaczego zatem nazwano ją pompą? Bo do ogrzewania wykorzystuje ciepło, które dzięki przemianom termodynamicznym – takim samym, jakie zachodzą w zwykłych lodówkach, a także klimatyzatorach – „przepompowuje” ze źródła o niższej temperaturze do cieplejszego ośrodka. Tym zimniejszym źródłem, tak zwanym dolnym, z którego jest odbierane ciepło, może być grunt, woda, a nawet powietrze. Źródłem górnym, do którego ciepło jest dostarczane, jest ogrzewana przez pompę woda (rzadziej powietrze), która krąży w instalacji grzewczej. A zatem pompa nie wytwarza ciepła, poza pewną ilością będącą efektem ubocznym działania jej sprężarki, tylko je przekazuje z dolnego do górnego źródła.

Pompa jest zasilana energią elektryczną. Na szczęście nie potrzebuje jej dużo i dlatego ogrzewanie nią kosztuje mniej niż kotłem na gaz czy olej.

Pompy ciepła: powietrze, woda czy grunt?

Jest kilka źródeł, z których pompa może pozyskiwać ciepło. Wybór pompy będzie zależeć nie tylko od naszych możliwości finansowych, ale też rozmiaru działki i gruntu, jaki na niej występuje, a także strefy klimatycznej, w jakiej mieszkamy.

Najłatwiej zainstalować pompę ciepła, której dolnym źródłem jest powietrze. Jednak jej efektywność zdecydowanie maleje, gdy na dworze robi się zimno, czyli wtedy, gdy potrzeba najwięcej ciepła do ogrzewania domu. Im niższa temperatura powietrza, tym pompa zużywa więcej energii elektrycznej do wytwarzania tej samej ilości ciepła, a w czasie dużego mrozu w ogóle nie może pracować i wówczas uruchamia się wbudowana w nią elektryczna grzałka. Wtedy koszty ogrzewania są już naprawdę duże – takie jak przy wykorzystaniu prostych grzejników elektrycznych. Na szczęście gdy temperatura powietrza jest umiarkowana, czyli przez zdecydowanie większą część sezonu grzewczego, powietrzna pompa ciepła pracuje ekonomicznie. W sumie można przyjąć, że uśrednione dla całego sezonu grzewczego koszty ogrzewania będą mniej więcej o połowę niższe niż ogrzewania grzejnikami elektrycznymi.

Pompy ciepła typu woda/woda lub woda/powietrze korzystają z ciepła zgromadzonego w wodzie gruntowej, która ma stosunkowo wysoką temperaturę przez całą zimę (8-10°C), a więc jest efektywnym dolnym źródłem. Do jej działania są potrzebne dwie studnie głębinowe: czerpna i zrzutowa – z pierwszej czerpana jest woda, z której pompa odbiera ciepło, do drugiej – odprowadzana woda, która oddała już ciepło. Jeśli ktoś ma dostęp do stawu lub innego zbiornika wodnego, nie musi wiercić studni.

Zimą temperatura wody na dnie stawu nie spada poniżej 8°C, więc można liczyć na sprawne działanie pompy wykorzystującej jej ciepło. Jednak pompy tego typu są kłopotliwe w eksploatacji. Woda czerpana ze stawu jest zanieczyszczona i wymaga filtrowania oraz okresowej wymiany elementów instalacji transportującej wodę, które w praktyce dość szybko korodują. W sumie, mimo wysokiej efektywności, eksploatacja takich pomp ciepła jest dość droga i opłaca się je stosować jedynie w obiektach o bardzo dużym zapotrzebowaniu na ciepło. Dlatego częściej wykorzystywanym źródłem ciepła pompy jest grunt.

Gruntowy wymiennik ciepła - ciepło z ziemi

Na głębokości około 1,5 m temperatura gruntu wynosi od 0 do 8°C, co umożliwia ekonomiczną pracę pompy – ilość ciepła pozyskiwanego z położonego na tej głębokości poziomego wymiennika ciepła może być trzy-cztery razy większa od ilości energii elektrycznej zużywanej przez pompę. Jeszcze lepsze efekty osiąga się, stosując wymiennik gruntowy z rurami umieszczonymi pionowo w głębokich odwiertach (od kilkudziesięciu do ponad stu metrów), które tworzą tak zwane sondy. Wymiennik ciepła w postaci sond pionowych zapewnia korzystne parametry pracy pompy ciepła i ich stabilność przez cały sezon grzewczy, czego nie gwarantuje wymiennik poziomy. Jego temperatura wyraźnie się obniża po dłuższym czasie działania pompy, co powoduje zmniejszenie efektywności jej pracy. Niestety, koszt wykonania wymiennika pionowego jest co najmniej o połowę większy niż poziomego. Dlatego najczęściej wybieranym przez inwestorów wariantem jest pompa ciepła z poziomym wymiennikiem gruntowym. Zapewnia ona niskie koszty eksploatacji, co najmniej o połowę mniejsze niż ogrzewanie gazem ziemnym, a koszty inwestycyjne pozostają na rozsądnym poziomie.

Wykonanie gruntowego wymiennika ciepła to najbardziej kłopotliwy etap instalowania pompy ciepła. Od doboru i prawidłowej instalacji wymiennika w największym stopniu zależy jej poprawna i ekonomiczna praca.Robi się go z elastycznych rur z tworzywa sztucznego, ewentualnie miedzianych. Wymienniki poziome można układać w gruncie w jednej lub dwóch płaszczyznach albo w formie spirali. Aby uzyskać jak najwięcej ciepła, taki wymiennik powinien się znaleźć na głębokości, na której temperatura gruntu jest najwyższa. W praktyce, ze względu na koszty i opłacalność inwestycji, układa się go na głębokości nieco większej niż strefa przemarzania gruntu, która w zależności od regionu wynosi w Polsce od 0,8 do 1,4 m poniżej poziomu terenu.

Pompa ciepła z wymiennikiem gruntowym na działce dużej...

Jak dużą powierzchnię działki trzeba przeznaczyć na poziomy wymiennik gruntowy? To zależy od rodzaju gruntu. Najlepiej, gdy jest gliniasty. Gęstość strumienia ciepła wynosi w nim ponad 30 W/m², podczas gdy w gruncie suchym, piaszczystym może wynosić zaledwie 10 W/m², czyli trzykrotnie mniej. A zatem aby pompa ciepła mogła osiągnąć moc 10 kW (czyli wystarczającą do ogrzania domu o powierzchni około 200 m² zamieszkanego przez cztery osoby), trzeba ułożyć rury na mniej więcej 330 m² działki na terenie podmokłym i nawet na 1000 m2 działki z glebą suchą. Przy tym trzeba mieć świadomość, że teren nad wymiennikiem nie może być zacieniony, a więc nie mogą na nim stanąć żadne zabudowania, nie można tam też sadzić żadnych większych roślin (o dużych korzeniach) ani utwardzić terenu. Zalecane jest założenie tam trawnika. Grunt, z którego odbierane jest ciepło, musi się „regenerować”, co następuje w wyniku nasłonecznienia i opadów, dlatego nie powinno się utrudniać docierania promieni słonecznych oraz wody do gruntu. Pamiętajmy o tym, jeśli dopiero planujemy zakup działki i zamierzamy ogrzewać dom gruntową pompą z poziomym wymiennikiem ciepła. Działka musi być odpowiednio duża, by udało się na niej zmieścić wymiennik, a oprócz niego dom, utwardzony podjazd i ewentualnie ogród – i by udało się nie zacienić terenu nad wymiennikiem. Ale nie oznacza to, że gruntowej pompy ciepła nie można zastosować, gdy mamy małą działkę.

...i pompa ciepła z wymiennikiem gruntowym na działce małej

Gdy brakuje miejsca na działce, rozwiązaniem jest wykonanie wymiennika w postaci pionowych sond. Jest on co prawda droższy niż poziomy, ale umożliwia bardziej ekonomiczną pracę pompy i sprawdza się na działkach o bardzo niskim poziomie wód gruntowych, gdzie wymiennik poziomy musiałby mieć bardzo dużą powierzchnię. Orientacyjnie można przyjąć, że aby uzyskać 1 kW mocy grzewczej, potrzebna jest rura umieszczona pionowo w odwiercie głębokości 20 m, czyli dla 10 kW odwiert powinien mieć 200 m. Na odwierty o głębokości ponad 100 m potrzebne jest zezwolenie urzędu górniczego, na płytsze (powyżej 30 m) – pozwolenie wodno-prawne z urzędu gospodarki wodnej. Na ogół zamiast jednego bardzo głębokiego robi się kilka płytszych odwiertów. W takim wypadku powinny one być oddalone od siebie co najmniej o 5 m. Nawet na niewielkiej działce nie powinno być problemu ze znalezieniem miejsca na dwa-trzy odwierty, które wystarczą do ogrzewania średniej wielkości domu jednorodzinnego.

Piotr Laskowski