Pompy ciepła są urządzeniami, które pozwalają na pozyskiwanie energii cieplnej z otoczenia i przekazywanie jej do systemu grzewczego budynku. Istnieją dwa rodzaje pomp ciepła: gruntowe i powietrzne. Gruntowe pompy ciepła wykorzystują ciepło pochodzące z gruntu, natomiast powietrzne pompy ciepła pobierają energię z powietrza. Oba typy pomp ciepła są ekologicznym i efektywnym sposobem ogrzewania budynków, ponieważ pozwalają znacznie zmniejszyć zużycie energii pierwotnej i zredukować emisję szkodliwych substancji do atmosfery.
Pompy ciepła gruntowe wykorzystują ciepło pochodzące z gruntu, aby ogrzać budynek. Są one zasilane glikolem, który jest niezamarzającą cieczą i przeprowadza energię cieplną z gruntu do instalacji grzewczej budynku. Pompy ciepła gruntowe są skutecznym sposobem ogrzewania budynków, ponieważ wykorzystują naturalne źródło ciepła z otoczenia, co zmniejsza zużycie paliw kopalnych i emisję szkodliwych substancji do atmosfery. Są one również ekonomicznym rozwiązaniem, ponieważ koszt instalacji i eksploatacji jest niższy w porównaniu do innych systemów grzewczych. Można to robić na dwa sposoby:
Pionowy wymiennik gruntowy (tzw. Odwierty)
Pionowy wymiennik gruntowy, zwany również odwiertem, jest doskonałym źródłem energii dla pomp ciepła, ponieważ ma stałą i dość wysoką temperaturę. Jeśli nie mamy wystarczająco dużo miejsca na działce, powinniśmy zainstalować pionowy wymiennik rurkowy, czyli sondę do głębokości 60-120 metrów. Sondy gruntowe wykonuje się z rur PE o średnicy DN50 i ciśnieniu nominalnym PN10/16. Uzyskana temperatura zasilania jest stosunkowo stała i wynosi od 6 do 8°C (czasem nawet do 12°C). Uzysk energetyczny waha się od 40 do 60 W/mb odwiertu, ale dokładna wartość może być określona dopiero po wykonaniu odwiertu. W obliczeniach przyjmuje się wartość 50-60 W/mb.
Kolektory pionowe pozyskują energię geotermiczną, czyli ciepło pochodzące z wnętrza Ziemi, generowane przez skorupę ziemską oraz niewielkie ilości energii słonecznej docierającej do Ziemi. Zasoby tej energii wynikają z naturalnego rozpadu pierwiastków promieniotwórczych, które zachodzą w głębi Ziemi.
Przewodność i pojemność cieplna są ważnymi parametrami, które wpływają na moc uzyskiwaną z geotermalnych instalacji niskotemperaturowych. Jednak kluczowa jest przewodność cieplna, która określa proporcjonalność między gradientem temperaturowym a gęstością strumienia cieplnego. Pojemność cieplna ma znaczenie tylko w procesach niestacjonarnych, tj. w zmienności mocy dobowej i sezonowej oraz w procesach magazynowania ciepła w gruncie. Oba te parametry w połączeniu z gęstością strumienia cieplnego Ziemi na danym obszarze decydują o efektywności energetycznej instalacji.
Współczynnik mocy cieplnej określa, jak dużo energii cieplnej można pozyskać z gruntu w ciągu jednej godziny pracy. Oto przykładowe wartości dla różnych rodzajów gleby i skał przy 1800 i 2400 godzinach pracy:
- suchy żwir, piasek: <25 W/m (1800 godz.) oraz <20 W/m (2400 godz.)
- zawodniony żwir, piasek: 60-80 W/m (1800 godz.) oraz 55-65 W/m (2400 godz.)
- silnie zawodniony żwir, piasek: 80-100 W/m (1800 godz.) oraz 80-100 W/m (2400 godz.)
- iły, gliny: 40-55 W/m (1800 godz.) oraz 30-45 W/m (2400 godz.)
- wapienie (masywne): 55-70 W/m (1800 godz.) oraz 45-60 W/m (2400 godz.)
- piaskowce: 65-80 W/m (1800 godz.) oraz 55-65 W/m (2400 godz.)
- kwaśne skały magmowe (np. granity): 65-85 W/m (1800 godz.) oraz 55-70 W/m (2400 godz.)
- zasadowe skały magmowe (np. bazalty): 40-65 W/m (1800 godz.) oraz 35-55 W/m (2400 godz.)
- gnejsy: 70-85 W/m (1800 godz.) oraz 60-70 W/m (2400 godz.)
Moc cieplna uzyskiwana z 1 metra otworu rzadko jest taka sama, jak ta zakładana na etapie projektowania instalacji. Dlatego po odwierceniu pierwszego otworu zwykle konieczne jest korektę projektu dotyczącą współczynnika mocy cieplnej, co oznacza zmianę długości całego kolektora pionowego – zwiększenie lub zmniejszenie.
Głębokość odwiertów co najmniej 80m? Dlaczego?
Odwiert należy wiercić na głębokość co najmniej 80 metrów, ponieważ pierwsze 5 metrów w okresie zimy są stratą energii. Średnia temperatura zasilania pompy ciepła w sezonie grzewczym wynosi około 6°C, a temperatura gruntu do 5 metrów głębokości nie przekracza 6°C, co powoduje utratę energii. Kolejne około 10 metrów to region neutralny, gdzie temperatury zasilania pompy ciepła i gruntu są podobne i nie dochodzi do wymiany energii cieplnej. Od około 14 metrów głębokości zaczyna się pobór energii. Ograniczeniem głębokości odwiertów na poziomie 125 metrów nie są ograniczenia techniczne, ale raczej fakt, że dla stosowanych rur PE opór przepływu znacznie wzrasta dla długości powyżej 250 metrów (125×2). Wiercenie głębiej byłoby nieopłacalne ze względu na nadmierne zużycie energii elektrycznej pomp obiegowych. Jeśli decydujemy się na odwiert o długości 60 metrów, warto pamiętać, że 25% takiego odwiertu to wydatki bez korzyści energetycznych.
– Poziomy wymiennik gruntowy Poziomy wymiennik gruntowy to najtańsze rozwiązanie dla dolnego źródła ciepła. Jest to nic innego jak horyzontalnie ułożone pętle rur grzewczych, zanurzone na głębokości 1,5 metra, przez które płynie glikol. Jedną z wad tego rozwiązania jest konieczność posiadania dużej powierzchni pod takie źródło ciepła.