Rys. 1. Schemat instalacji powietrznej pompy ciepła typu split
Moc i pojemność zasobnika
Jednostka zewnętrzna
Instalacja dolnego źródła w przypadku jednostki zewnętrznej nie wymaga prac ziemnych – jak w przypadku pomp wodnych i gruntowych. Miejsce w którym ma zostać zlokalizowana, powinno zapewnić jej bezproblemową pracę przez cały rok, najczęściej montuje się je z tyłu budynków na ścianie zewnętrznej lub betonowym podłożu. Zaleca się by jednostka nie była narażona na silne podmuchy wiatru bądź opadów deszczu, deszczu. Jednostka usytuowana w niewielkiej odległości od domu może zostać zabudowana np. drewnem, w sposób nie utrudniający zasysanie powietrza przez wentylator, oraz zapewniając dostęp serwisowy.
W trybie grzania jednostka zewnętrzna schładza powietrze, stąd na lamelach parownika skrapla się wilgoć – co w temperaturach ujemnych prowadzi do powstania warstwy lodu. Jednostka odmraża się automatycznie, odwracając chwilowo obieg. Prowadzi to do spływania na podłoże dużych ilości wody, która następnie zamarza na podłożu. Stąd zalecane jest wieszanie jednostki nad warstwą luźnego żwiru, obniżoną w stosunku do reszty terenu, w której woda może swobodnie zamarzać. Innym rozwiązaniem jest odprowadzenie wody rurą kanalizacyjną, o średnicy minimum 100 mm – unikniemy w ten sposób gromadzenia się wewnątrz niej lodu. Rura powinna być też wyposażona w kabel grzewczy uniemożliwiający zamarzanie wody wewnątrz. Niekiedy można spotkać instalacje w których woda swobodnie wykrapla się na betonowe podłoże – wówczas pamiętajmy aby zamontować jednostkę na podwieszeniu.
Jednostki połączone są kablem elektrycznym łączącym moduł wewnętrzny z zewnętrznym, oraz dwoma zaizolowanymi termicznie przewodami: w pierwszym płynie odpowiednio czynnik chłodniczy w postaci gazu, a w drugim skroplony czynnik chłodniczy. Na etapie surowego budynku, gdy zostaną ustalone miejsca montażu jednostek, warto poprowadzić przewody – zaoszczędzi to późniejszego kucia wykończonych ścian, bądź rozcinania elewacji.
Podsumowanie:
Jak działa gruntowa pompa ciepła?
Gruntowa pompa ciepła jest układem sprężarkowym, zbudowanym z czterech zasadniczych elementów – sprężarki, zaworu rozprężnego i dwóch wymienników ciepła – skraplacza i parownika. Są one połączone rurami tworząc zamknięty obieg chłodniczy. Płyn (czynnik chłodniczy) będący w obiegu, odparowuje w parowniku na skutek odbioru ciepła (parownik umieszczony jest na odpowiedniej głębokości w gruncie). Para w następnej kolejności przechodzi przez sprężarkę, gdzie zostaje sprężona do wysokiego ciśnienia. To daje dwie korzyści, po pierwsze znacznie podnosi się temperatura gazu za sprężarką. Po drugie pozwala na to, aby schłodzona para zamieniła się z powrotem w ciecz, która potem odparuje i tak dalej. Przepływający przez skraplacz gaz pod wysokim ciśnieniem i temperaturą +75°C, może bez przeszkód oddać ciepło do ogrzewanego pomieszczenia. Po drodze jako ciecz ponownie trafia do parownika, przepływając przez element dławiący.
Gruntowa pompa ciepła zapewnia w naszym klimacie o wiele niższy koszt ogrzewania niż konwencjonalne urządzenia grzewcze. Zasadniczy wpływ na jej efektywne działanie ma prawidłowo zaprojektowany i wykonany wymiennik ciepła, który wymaga wykonania skomplikowanych prac gruntowych. Każdy kto stoi przed decyzją o zakupie gruntowej pompy ciepła zastanawia się, czy taka inwestycja mu się opłaci – w poniższym wpisie rozważymy te wątpliwości. Odpowiadam na najważniejsze pytania związane z wyborem, montażem i aspektami ekonomicznymi gruntowej pompy ciepła.
Dobór i montaż gruntowej pompy ciepła
Istnieją dwie możliwości odbioru ciepła z gruntu. Pierwsza wykorzystywana znacznie częściej, polega na wykonaniu instalacji pośredniczącej w wymianie ciepła miedzy gruntem a parownikiem – wówczas mamy do czynienia z solankową pompą ciepła typu glikol-woda. Druga polega na bezpośrednim odparowaniu ciepła z gruntu wykorzystując odpowiednio duży parownik – ta metoda choć jest efektywniejsza, jest stosowana rzadziej ze względu na wyższy koszt takiego rozwiązania. Najbardziej rozpowszechnione są pompy ciepła z pośrednim odparowaniem, przez który przepływa niezamarzająca ciecz zwana solanką, o nich będzie poświęcony wpis.
Gruntowe pompy ciepła swoją pozycję na rynku energooszczędnych instalacji grzewczych zdobyły ze względu na bardzo dobre parametry eksploatacyjne i niezależność od zmian temperatury zewnętrznej. Temperatura gruntu jest dużo bardziej stabilna niż powietrza, nie chłodzi go zimne powietrze, ale i mniej się nagrzewa na skutek nasłonecznienia. Na pewnej głębokości pod ziemią temperatura jest zawsze wyższa niż 0°C – w zależności od planujących warunków zewnętrznych głębokość ta może wynosić od 0,8 m do 1,4 m. Można jednak powiedzieć, że na głębokości większej niż 1,5 m grunt ma zawsze dodatnią temperaturę. Do odbierania ciepła z gruntu potrzebny jest wymiennik gruntowy, może nim być kolektor poziomy czyli zakopana w ziemi rura tworząca pętlę, bądź kolektor pionowy – to umieszczone w pionowych odwiertach rury zakończone kształtką typu U.
Jeżeli wydajność źródła ciepła (gruntu) jest właściwa, a pompa ciepła odpowiednio zwymiarowana do potrzeb ogrzewanego budynku – to nawet przy temperaturach zewnętrznych -20°C system będzie pracować prawidłowo – bez względu czy mamy do czynienia z kolektorem poziomym czy pionowym. O wyborze rodzaj wymiennika najczęściej decyduje wielkość działki – do wykonania kolektora poziomego potrzeba zwykle kilkuset metrów kwadratowych terenu wokół domu, z kolei na wykonaniem wymienników pionowych wystarczy kilkadziesiąt metrów. Pisałem wcześniej o odpowiednim zwymiarowaniu instalacji, ważne jest aby objętość wymiennika była jak największa – przez cały sezon grzewczy parownik odbierze z gruntu kilka megawatogodzin ciepła. Jeżeli wymiennik jest zbyt mały, będzie ulegać nadmiernemu wychłodzeniu, sterownik wyłącza instalację gdy temperatura solanki obniża się do -7°C – poniżej tej wartości sprawność całego układu zostaje zakłócona.
Jak wygląda montaż wymiennika gruntowego?
Wielkość wymiennika gruntowego ustalamy w oparciu o zapotrzebowanie cieplne budynku, w dalszej kolejności dobierana jest pompa o odpowiedniej mocy. Wykonujemy również badania gruntu, aby ustalić czy teren wokół domu nadaje się do odbioru ciepła. W przypadku wymiennika z kolektorem poziomym, ciepło z gruntu jest odbierane przez rury z płynącym w nich czynnikiem chłodniczym, zakopane w ziemi na niezbyt dużej wysokości. Za wysokość optymalną przyjmuje się 0,2-0,5 m poniżej granicy przemarzania gruntu. Rury wymiennika poziomego układane są w wykopie o wymiarach odpowiadających wymaganej powierzchni wymiennika. Prowadzi się je w formie wężownicy, zachowując określone odstępy między sąsiadującymi odcinkami. Moc, z jaką kolektor gruntowy przekazuje ciepło, zależy od rodzaju gleby – najlepsze parametry uzyskują gleby wilgotne, gleby piaszczyste zdecydowanie słabiej nadają się do przewodzenia ciepła.
Niewątpliwe wadą kolektora gruntowego poziomego jest posiadanie dostępu do dużej powierzchni terenu (2-3 krotność powierzchni ogrzewanej) – miejsce pod wykonywany kolektor powinno być wolne od drzew, a w przyszłości musi pozostać wolne od zabudowy. Rekompensuje on jednak inwestorom znacznie niższe koszty wykonania, niż ma to w przypadku kolektora pionowego.
Wymiennik gruntowy z kolektorem pionowym składa się z rur umieszczonych pionowo, w odwiertach o głębokości 40-100 m. Wynika to z faktu, że na głębokości poniżej 10 m, temperatura gruntu przez cały rok wynosi więcej niż 10°C. Wykonanie odwiertów wiąże się z wysokimi kosztami (na co wpływ ma rodzaj budowy geologicznej gruntu). W odwiertach umieszczane są pionowe odcinki rur polietylenowych, łączone na dole u-kształtką. Identycznie jak w przypadku wymiennika poziomego, rury kolektora wypełnione są roztworem glikolu, który krążąc w nich odbiera ciepło od gruntu. Zaletą tego typu rozwiązania jest wysoka efektywność związana z niewielką podatnością gruntu na warunki atmosferyczne. Kolektor pionowy sprawdzi się na działkach o niewielkich rozmiarach – jednak większym kosztem niż wykonanie kolektora poziomego.
Czy potrzebne są pozwolenia do zainstalowania gruntowej pompy ciepła?
Do wykonania gruntowej pompy ciepła z kolektorem poziomym nie ma obowiązku posiadania pozwolenia na budowę ani zgłoszenia. Natomiast wykonanie kolektora pionowego podlega przepisom ustawy Prawo geologiczne i górnicze. Zgodnie z nim do wykonywania wykopów oraz otworów wiertniczych o głębokości do 30 m w celu wykorzystania ciepła Ziemi, nie jest wymagany projekt robót geologicznych.
Wykonywanie otworów wiertniczych o głębokości do 100 m, w celu umieszczania w nich pionowych gruntowych wymienników ciepła, jest tzw. robotą geologiczną – z tego względu podlega Prawu geologicznemu i górniczemu. Rozpoczęcie robót geologicznych może nastąpić, jeżeli w ciągu 30 dni od zgłoszenia projektu, Starostwo Powiatowe nie zgłosi do niego sprzeciw. Sporządzeniem zgłoszenia można powierzyć fachowej firmie wiertniczej.
Gruntowa pompa ciepła - komu się opłaca?
Czynnik ekonomiczny odgrywa najważniejszą rolę przy wyborze ogrzewania opartym na gruntowej pompie ciepła. Trudno się dziwić, skoro takie urządzenie jest droższe od powszechnie stosowanych kotłów paliwowych. Można zmienić punkt widzenia jeżeli do zakupu kotła uwzględnimy konieczność zbudowania komina, przyłącza gazu, czy instalacji zbiornikowej do magazynowania paliwa – których nie potrzeba w przypadku pompy ciepła.
Średni koszt wykonania gruntowej pompy ciepła, wraz z niezbędną instalacja kosztuje 40-50 tys. zł. To znacznie więcej niż w przypadku powietrznej pompy ciepła, gdzie koszt montażu oscyluje w granicach 30 tys. zł. Różnica między ceną pompy ciepła a konwencjonalnego systemu grzewczego rekompensują niższe koszty ogrzewania domu. Efektywność takiej pompy pozwala uzyskać kWh energii użytkowej do ogrzewania za mniej niż 0,15 zł. W przypadku powietrznej pompy ciepła typu powietrze/woda koszt ogrzewania przekracza 0,20 zł/kWh. W obydwu przypadkach uwzględniony jest koszt energii elektrycznej, służący do napędu sprężarki.
Pompy ciepła – podgrzewanie wody użytkowej