Gruntowa pompa ciepła – wymiennik poziomy czy pionowy?

Gruntowa pompa ciepła gruntowe

Gruntowa pompa ciepła to system, który wykorzystuje ciepło zmagazynowane w gruncie. Decydując się na ten rodzaj pompy stajemy przed wyborem rodzaju instalacji, która będzie miała za zadanie przekazywać energię cieplną pompie ciepła. Jakie rozwiązania są dostępne na rynku? Czy któreś z nich jest jednoznacznie najlepsze? Na co zwrócić uwagę przy projektowaniu instalacji dolnego źródła dla gruntowej pompy ciepła?

Zdjęcie autora: Michał Jakubiec

Michał Jakubiec

Redaktor TERMOMODERNIZACJA.PL
Gruntowa pompa ciepła gruntowe

Podziel się

Energia w gruncie pochodzi zarówno promieniowania słonecznego, jak i z wnętrza Ziemi. Im znajdujemy się głębiej, tym udział energii słonecznej spada. Z uwagi na odnawialność energii słonecznej i geotermalnej, tak i ciepło zawarte w gruncie jest uznawane za odnawialne źródło energii. 

Pompę gruntową nieraz można spotkać pod nazwami: pompa ciepła typu solanka/woda lub pompa ciepła typu glikol/woda, co oczywiście odnosi się do czynnika, który przepływa rurami przez instalację odbierając ciepło z gruntu. Czynnik ten musi być odporny na zamarzanie, co jest oczywiste z uwagi na to, że instalacja jest wystawiona na wpływ niskich temperatur w zimie. Jest to czas, w którym zapotrzebowanie na ciepło jest podwyższone, więc należy zminimalizować ryzyko awarii w tym okresie. 

Gruntowa pompa ciepła z wymiennikiem poziomym

Ten rodzaj instalacji jest na ogół najbardziej opłacalny w przypadku instalacji mieszkaniowych, szczególnie w przypadku nowych konstrukcji, gdzie dostępny jest teren o odpowiedniej powierzchni. Ma on kształt pętli ułożonych poziomo w gruncie. 

Schemat wymiennika poziomego (Kramer 2013)

Jak głęboko zamontować wymiennik poziomy? Cóż, najprościej powiedzieć, że ani za pytko, ani za głęboko. Nie powinno się lokalizować go w strefie przemarzania gruntu. Z drugiej strony jednak nie ma ekonomicznego sensu kopać bardzo głęboko. Jest to trudniejsze i dużo droższe. Ze względu właśnie na rosnące wraz z głębokością koszty, instalacje kolektorów poziomych wykonuje się do głębokości maksymalnie 2 m. 

W Polsce na tej głębokości występują sezonowe zmiany temperatury o rocznej amplitudzie wynoszącej kilkanaście stopni. W lecie temperatura gruntu wynosi około 17°C, a zimą 5°C. Im głębiej położone rury tym jednak wyższa i bardziej stabilna temperatura gruntu. W polskich warunkach już na głębokości 10 m panuje stała temperatura wynosząca około 10°C. Tak jak wspomnieliśmy, należy mieć na uwadze także kwestie ekonomiczne przy projektowaniu instalacji dolnego źródła. Dobór źródła niskotemperaturowego polega na kompromisie pomiędzy stabilnością i efektywnością pracy pompy, a ekonomicznym kosztem wykonania instalacji.

Nie bez znaczenia jest także rodzaj gruntu. Co do zasady, im grunt jest bardziej luźny i mniej zawodniony, tym pobór jednostkowej mocy z niego jest mniejszy. Odradza się więc montaż pętli poziomego wymiennika w takich gruntach. Wówczas lepiej zastosować pionowy wymiennik, o którym więcej w dalszej części artykułu.

Jak połączyć pionowy wymiennik gruntowy?

Jest kilka sposobów układania wymienników rurowych; połączenie w jedną pętlę, połączenie równoległe, połączenie szeregowe, oraz ich kombinacje. Jedną z kluczowych kwestii jest, aby poszczególne pętle wymienników były jednak połączone równolegle. Jest to działanie mające na celu zwiększenie bezpieczeństwa. W przypadku połączenia szeregowego w momencie awarii jednej z zainstalowanych pętli nie działa cała instalacja. Jeśli natomiast działają one równolegle, to ich praca jest w pewien sposób niezależna. Zwróćmy na to uwagę, gdy zlecamy lub sami wykonujemy instalację dolnego źródła dla pompy ciepła.

Przyjmuje się, że powierzchnia gruntu, na którym układa się wymienniki rurowe powinna być 1,2-1,8 krotnie większa od ogrzewanej powierzchni budynku. W przypadku działki z ograniczoną powierzchnią stosuje się połączenia rur spiralne pionowe, spiralne poziome, lub układanie rur w kilku pętlach.

Gruntowa pompa ciepła z pionowym wymiennikiem

Otworowe (pionowe) wymienniki są bardziej korzystnym sposobem odzyskiwania ciepła niż wymienniki poziome. Dzięki nim można wykorzystywać ciepło o stabilnej temperaturze a także je magazynować. Im głębszy otwór, tym wyższa temperatura nośnika, a więc i większa efektywność pompy ciepła.

Schemat wymiennika otworowego (Kramer 2013)

Co więcej, zaletą otworowego wymiennika ciepła jest też to, że na pewnych głębokościach pojawiają się warstwy zawodnione, które wspomagają regenerację wymiennika. Przepływająca woda w pewien sposób uzupełnia ciepło, a następnie jest ono dostarczane do pompy ciepła. W efekcie może pracować stabilnie w skali roku. Podobnie jak wymiennik poziomy, poszczególne pętle wymiennika otworowego także należy łączyć równolegle.

Długość pionowego wymiennika zależy przede wszystkim od zapotrzebowania na moc grzewczą w budynku. Gdy już to wiemy, to najważniejszy jest rodzaj gruntu, w którym mamy zamiar zainstalować wymiennik. Jeśli nie posiadamy informacji o gruncie, to wydajność cieplną poziomego wymiennika ciepła dla pomp ciepła dla domu jednorodzinnego przyjmuje się na poziomie 40 W/m. Zaleca się jednak wykonanie geologicznego badania gruntu, co pozwoli na odpowiednie zaprojektowanie instalacji.

Aspekt ekologiczny wymienników otworowych

Trudno mówić o możliwości zanieczyszczenia wód gruntowych w przypadku wymienników pionowych, ale przy wymiennikach poziomych należy na to zwrócić uwagę. Wiercenie otworu wiąże się z przewierceniem warstw wód, które mogą być eksploatowane jako wody pitne. Należy więc zadbać o to, aby otwory były zacementowane na całej długości. Dzięki temu zminimalizowane zostanie ryzyko mieszania się poziomów wodonośnych. Szczególnie niebezpieczne jest zanieczyszczenie wodami przypowierzchniowymi, które mogą być zdegradowane przez działalność przemysłową lub rolniczą. 

Z tego powodu nie wolno obsypywać wymiennika piaskiem, ponieważ umożliwia on bezproblemową migrację wód, nie chroniąc przed zanieczyszczeniami. Dlatego też po wprowadzeniu wymiennika do otworu należy go uzupełnić materiałem o dobrej przewodności cieplnej i bardzo niskiej przepuszczalności, np. bentonitem

Ograniczenia i zalety pionowych i poziomych wymienników

Poziomy wymiennik gruntowy do pompy ciepła

Zalety:

  • wysokie SCOP i SPF,
  • niewielkie koszty inwestycyjne w porównaniu do wymiennika pionowego,
  • szybka regeneracja temperatury po okresie zimowego poboru ciepła.

Ograniczenia:

  • wymagana duża powierzchnia, 
  • stopniowy spadek temperatury gruntu podczas ciągłego poboru ciepła,
  • wyłączenie terenu z instalacją z działań budowlanych i części działań ogrodniczych,
  • samoistny spadek temperatury na skutek spadku temperatury powietrza.

Pionowy wymiennik gruntowy do pompy ciepła

Zalety:

  • brak wpływu warunków atmosferycznych na temperaturę gruntu,
  • stabilne warunki pracy pompy ciepła,
  • niewielka degradacja terenu na etapie budowy,
  • niskie opory hydrauliczne – niższe koszty pompowania,
  • możliwość zastosowania chłodzenia pasywnego.

Ograniczenia:

  • konieczność stosowania specjalistycznego sprzętu na etapie wiercenia,
  • niezbędny projekt prac geologicznych dla otworów powyżej 30 m głębokości,
  • brak możliwości naprawy wymiennika w przypadku nieszczelności.

Znając najważniejsze aspekty tych dwóch wymienników gruntowych z pewnością łatwiej jest wybrać odpowiedni dla swojego miejsca zamieszkania. Na wymiennik poziomy lepiej zdecydować się, gdy dostępny grunt można zaklasyfikować jako gliniasty i mocno nasączony wodą powierzchniową. Na gruntach piaskowych bardziej wydajne będą kolektory pionowe. Wymiennik poziomy potrzebuje dużych powierzchni. Jeżeli dysponujemy małą działką, a chcemy zainwestować w pompę gruntową, to nie mamy innego wyjścia jak postawić na wymiennik gruntowy. Tam gdzie jednak miejsce jest dostępne, a jakość gruntu na to pozwala, warto rozważyć inwestycję w tańszą opcję, którą jest wymiennik poziomy.

Źródła: Termomodernizacja.pl, energy.gov

Zdjęcie autora: Michał Jakubiec

Michał Jakubiec

Redaktor TERMOMODERNIZACJA.PL