Ciepło pompowane z natury

Wykorzystanie alternatywnych źródeł ciepła staje się coraz popularniejsze. Decydują o tym, nie tylko rosnące i niestabilne ceny energii i tradycyjnych źródeł ciepła, ale również kształtująca się wśród świadomych inwestorów moda na bycie „zielonym”. Instalowanie kolektorów słonecznych i pomp ciepła uwarunkowane jest również lokalizacją nowobudowanych domów na terenach oddalonych od przebiegu sieci gazowej. Pompy ciepła to przyszłość takich inwestycji. Choć początkowe koszty wydają się być wysokie, to późniejsza eksploatacja je rekompensuje.

Przed wyborem instalacji z pompą ciepła, jako systemu ogrzewania budynku może wstrzymywać obawa o jakość koniecznych prac ziemnych i jakości gruntu. Fakt, tylko odwierty wykonane przez fachowców zapewnią właściwą wydajność całej instalacji grzewczej. Ale ciepło skumulowane jest nie tylko w ziemi. Mamy do wyboru urządzenia wykorzystujące ciepło z wód gruntowych i powierzchniowych oraz z powietrza zewnętrznego i wentylacyjnego.

Rys. 1 Schemat pozyskania ciepła za pomocą płaskich kolektorów gruntowych i pionowych sond gruntowych

Ciepło z gruntu

Najbardziej stabilnym źródłem ciepła jest grunt. Dając gwarancję założonej ilości ciepła jest on najczęściej wykorzystywany. Istnieje kilka sposobów ułożenia kolektora gruntowego. Do najpopularniejszych zalicza się kolektory płaskie, spiralne i sondy pionowe (rys 1). Ułożenie kolektora płaskiego lub spiralnego wiąże się z koniecznością posiadania stosunkowo dużej działki. Idealne warunki są wówczas, kiedy gleby są gliniaste mocno przesiąknięte wodą. Przy takim gruncie można przyjąć właściwą wydajność odbioru ciepła (wydajność chłodniczą) wynoszącą od 10 do 35 wat na każdy m² powierzchni gruntu jako średnią wartość roczną dla całorocznej, jednosystemowej eksploatacji. Przy glebach piaszczystych ta wydajność jest mniejsza. Źródłem ciepła dla kolektora płaskiego jest jego górna warstwa do głębokości od 1,2 do 1,5 m. Na własności termiczne, takie jak objętościowa pojemność cieplna oraz przewodność cieplna mają wpływ właściwości gruntu oraz jego skład. To przede wszystkim zawartość wody decyduje o jakości gruntu jako źródła ciepła. Zgodnie z zasadą, że im więcej wody i związków mineralnych, a mniej powietrza tym właściwa wydajność poboru dla gruntu jest lepsza. (tabela 1)

Decydując się na kolektor płaski należy jeszcze wziąć pod uwagę wielkość działki. W bardzo dużym uproszczeniu można przyjąć, iż do ułożenia kolektorów w układzie poziomym potrzebujemy 3 razy większą powierzchnię niż chcemy ogrzać. W przypadku posiadania małej działki budowlanej lub przy modernizacji istniejącego budynku możemy zastosować sondy pionowe. Za pomocą tej metody energię cieplną można czerpać z gruntów lub skał. Aby umieścić sondę gruntową konieczne jest wykonanie przez specjalistyczną firmę odwiertów. Dla wstępnych obliczeń można przyjąć średnią wydajność sondy na poziomie 50 W na metr długości sondy.
Sondy rurowe w kształcie litery U, najczęściej wykonane z tworzywa sztucznego, pobierają ciepło za pomocą solanki, płynącej w nich do najniżej położonego punktu i z powrotem do parownika pompy ciepła. Właściwy przepływ ciepła ulega silnym wahaniom i mieści się w przedziale od 20 do 100 W na metr długości sondy. Biorąc pod uwagę średnią wartość 50 W/m otrzymujemy wydajność 6,5 kW dla sondy o długości 130 m lub dwóch sond o długości 65 m każda. Przy wykorzystaniu większej ilości sond należy przyjąć minimalne odległości między nimi, które powinny wynosić:
• do 50 m głębokości min. 5 m.
• do 100 m głębokości min. 6 m.
(tabela 2)

Ciepło z wody

Pompy ciepła pracujące w układzie z wodą gruntową osiągają najwyższe współczynniki efektywności. Wynika to z tego, wody gruntowe cechują się niemal stałą temperaturą od 7 do 12°C przez cały rok. Niewiele więc potrzeba, w stosunku do innych źródeł ciepła, aby uzyskać poziom temperatury grzewczej.
System dolnego źródła na bazie wody gruntowej to układ studni czerpalnej wykorzystującej pompy głębinowe (punkt poboru) oraz studni chłonnej (punkt zrzutu). Między studniami powinna być zachowana odległość minimum 15 m. Powinny one być skierowane w kierunku przepływu wody gruntowej w celu wykluczenia „spięcia strumienia przepływów).
Działanie tego typu urządzenia opiera się na przetransportowaniu wody gruntowej ze źródła poboru do źródła zrzutu. Ciepło pochodzące ze studni czerpalnej pobierane jest w parowniku pompy ciepła przez czynnik roboczy lub środek chłodniczy. Następnie wychłodzona woda, w niezmienione jakości, odprowadzana jest do studni chłonnej. Przewody doprowadzające i odprowadzające wodę gruntową powinny być ułożone ze spadkiem w kierunku studni i zabezpieczone przed zamarzaniem.
Dla wydajności pompy ciepła wykorzystującej wodę gruntową nie bez znaczenia jest odpowiedni skład fizykochemiczny wody. Niektórzy producenci tych urządzeń zalecają zastosowanie „krótkiego obiegu” glikolu z pośrednim wymiennikiem ciepła w celu zabezpieczenia parownika pompy ciepła przed osadami znajdującymi się w wodzie gruntowej i przed zamarzaniem (rys 2).

Rys. 2 Schemat pozyskania ciepła z wody gruntowej

Ciepło z powietrza

Powietrze atmosferyczne również jest nośnikiem energii cieplnej, którą można wykorzystać na potrzeby ogrzewania budynków. Jednak ze względu na jego specyfikę (niestabilność temperatury) jest źródłem mało efektywnym. Takie urządzenie nie jest w stanie pokryć w 100 % zapotrzebowania na ogrzewanie, ale doskonale sprawdza się jako system wspomagający pracę tradycyjnych kotłów. Jest to sensowne rozwiązanie, zwłaszcza przy modernizowanych kotłowniach, ponieważ nie wymaga zbyt wielkich nakładów inwestycyjnych. Pompy ciepła są w stanie wykorzystać ciepło zawarte w powietrzu o temperaturze nawet do –15°C. Nowoczesne pompy ciepła wykorzystywane jednosystemowo przy temperaturze zewnętrznej –15°C uzyskują maksymalną temperaturę wody grzewczej na zasilaniu 65°C.

Rys. 3 Schemat pozyskania ciepła z powietrza atmosferycznego

Na podstawie materiałów Viessmann, Nibe-Biawar, Sun Energy, Stiebel Eltron, Junkers