Jakie dolne źródło pompy ciepła dla konkretnej inwestycji?

Źródło dolne w ogrzewaniu pompą ciepła

Źródło dolne to instalacja umożliwiająca pobieranie energii przez pompę ciepła z odnawialnego źródła energii – powietrza, wody lub gruntu. Najlepsze z punktu widzenia wydajności pompy ciepła i możliwych oszczędności energii są źródła dolne, które:

• mają stałą temperaturę;
• zapewniają małą różnicę temperatury między źródłem dolnym a górnym (instalacją odbierającą ciepło).

Znaczenie obu tych czynników poglądowo odzwierciedla COP (współczynnik wydajności – Coefficient Of Performance), dla każdego urządzenia wyznaczany pomiarowo:

COP =  QHP / Eel

gdzie:

Q_HP: ciepło przekazane w trakcie pomiaru [J]

E_el: zużycie energii elektrycznej w trakcie pomiaru [J].

COP zależy od temperatury źródła dolnego i górnego, np. COPA7W35 oznacza COP dla pompy ciepła powietrze/woda o temperaturze powietrza (A) t_A=7°C oraz temperaturze wody grzewczej (W) t_w=35°C. Wartości znamionowe COP dla poszczególnych rodzajów pomp ciepła podaje norma PN-EN 14511-2.

Najlepiej wykorzystać jako dolne źródło ciepła grunt, który cechuje się po pierwsze stałą, a po drugie wysoką temperaturą – w warunkach polskich jest to ok. 10°C (7-12°C) przez cały rok. Wyzwanie polega jednak na tym, że nie na każdej działce da się zastosować to rozwiązanie. 

Woda gruntowa

Do pracy z wodą gruntową jako dolnym źródłem przystosowane są pompy woda/woda. Grunt i wody w nim się znajdujące na głębokości ok. 10 m mają stałą temperaturę ok. 10℃, niezależnie od pory roku. Temperatura wody na mniejszych głębokościach może być zmienna w zależności od pory roku i warunków terenowych. Dlatego pompy gruntowe woda/woda z sondą pionową są praktycznie odporne na sezonową zmienność temperatur. Cechują się więc najwyższym i najbardziej stabilnym współczynnikiem COP. Potrzebne są dwie studnie – czerpalna do poboru wody i chłonna do jej odprowadzania po przejściu przez pompę ciepła. Odległość pomiędzy tymi studniami nie powinna być  mniejsza niż 15 m, gdyż woda może nie zdążyć się ogrzać na drodze od zrzutu do ujęcia. Najbardziej opłacalne jest dowiercanie się do warstwy wodonośnej położonej nie głębiej niż 6 m pod poziomem terenu, ale takie warunki nie występują zbyt często. Ponadto mamy od kilku lat problem z obniżaniem się poziomu wód gruntowych. Niejednokrotnie wykorzystanie wody gruntowej jest utrudnione lub niemożliwe.

Po pierwsze, na działce może nie być warstwy wodonośnej na odpowiedniej głębokości, a wykonywanie głębszych odwiertów jest zbyt kosztowne. Poza tym, jeśli studnia ma być głębsza niż 30 m, potrzebne jest pozwolenie wodnoprawne, do czego wymagana jest odpowiednia dokumentacja – jej przygotowanie bywa żmudne, długotrwałe i kosztowne. Po drugie, warstwa wodonośna nie zawsze ma odpowiednią wydajność czy bezpieczny dla pomp ciepła skład chemiczny. Woda gruntowa może zawierać duże ilości związków żelaza i manganu, które w zetknięciu z tlenem wytrącają się i są szkodliwe dla instalacji i pomp oraz wymienników. Każdy producent określa „swoje” graniczne parametry wody – np. jak dla wody pitnej, tj. <0,2 mg/l dla żelaza oraz <0,1 mg/l dla manganu. Jeśli te substancje wytrącą się z wody, to mogą zatkać wymiennik czy studnię chłonną. Niektórzy producenci oferują (inwestycyjnie bardziej kosztowne) rozwiązania z podzespołami pompy ciepła odpornymi na złą jakość wody.

Przed decyzją o zastosowaniu na swojej działce pompy ciepła z wodą gruntową należy przeprowadzić badanie parametrów wody gruntowej – głębokości jej położenia, wydajności warstwy wodonośnej i przede wszystkim jakości. Innym rozwiązaniem wykorzystania ciepła z wody są poziome kolektory na dnie stawu – do tego celu musimy jednak własnym, odpowiednio dużym zbiornikiem wodnym. Ciepło nie jest przejmowanie bezpośrednio od wody, lecz od wody krążącej w wymienniku rurowym zanurzonym w wodzie. Układ jest bardzo wydajny energetycznie.

Grunt – kolektor poziomy lub pionowy

Stosunkowo wysoką wartością COP charakteryzują się też pompy ciepła tzw. gruntowe  Korzystają one  z wymienników poziomych lub pionowych. W przewodach tych wymienników krąży czynnik odbierający ciepło z gruntu. Tradycyjnie czynnikiem tym była solanka (brine) – stąd nazwa takich pomp. Obecnie najczęściej stosuje się glikol. Taki zamknięty wymiennik gruntowy jest niezawodny i odporny na ewentualne zanieczyszczenia jak w przypadku pomp woda/woda (sole, związki żelaza, manganu itp.).

W gruncie na głębokości 1,5-1,8 m (czyli poniżej granicy przemarzania) umieszcza się poziomy wymiennik – odpowiednio ułożone rury z tworzywa sztucznego. Działanie takiego kolektora gruntowego opiera się na tym, że choć temperatura gruntu na tej głębokości spada zimą, to latem następuje regeneracja dzięki ogrzewaniu przez promienie słoneczne, a przede wszystkim – przepływającą do gruntu ciepłą wodę deszczową. Poziomy kolektor gruntowy uważa się jednak za jedno z najtrudniejszych źródeł dolnych dla pomp ciepła. Wymaga bowiem odpowiednio dużej powierzchni działki (szacuje się, że ok. 1,5 razy większej niż ogrzewana powierzchnia domu). Nie można jej pokryć kostką czy betonem, nie powinna też być zadrzewiona lub znajdować się w cieniu budynku, lub drzew, bo to skraca okres regeneracji. Powierzchnia ta musi być takiego kształtu, by rury można było ułożyć w kilku pętlach, między którymi odległości wyniosą co najmniej 0,5-0,8 m.  Jeśli odcinki rur będą za długie, energia zużyta przez pompę obiegową „zje” zyski uzyskane dzięki pobieraniu ciepła z gruntu. Jeśli natomiast odległości między rurami będą zbyt małe, możliwości gruntu nie zostaną w pełni wykorzystane. Grunt gliniasty i wilgotny oddaje ok. 1,5-2 razy ciepła więcej niż grunt piaszczysty i suchy. Należy też mieć na uwadze, że przy niesprzyjających warunkach atmosferycznych grunt może się nadmiernie wychłodzić w zimie, zbyt wolno odzyskiwać wyjściową temperaturę latem, przez co w kolejnym sezonie grzewczym okaże się mniej efektywny. Inwestycyjnie bardziej kosztowną (2-3 razy droższą niż dla kolektora poziomego) i bardziej skomplikowaną odmianą kolektora gruntowego jest kolektor pionowy – U-kształtne rury z glikolem umieszcza się w pionowych odwiertach.  W tym przypadku odwierty (sondy głębinowe) wykonuje się na głębokości 30-150 m, przez co inwestycja wymaga pozwolenia wodnoprawnego. Takie duże głębokości wynikają z tego, że dopiero poniżej 10 m temperatura gruntu jest stabilna – można na tym oprzeć wiarygodne obliczenia. Liczba i długość sond głębinowych (czyli głębokość odwiertów) zależą od rzeczywistych warunków geologicznych i zapotrzebowania na energię budynku.

Inną odmianą kolektora gruntowego jest kolektor z odparowaniem bezpośrednim – wówczas w rurach wymiennika płynie nie glikol, a właściwy czynnik chłodniczy pracujący w pompie ciepła. To oznacza, że kolektor musi być wykonany z miedzi z warstwą polietylenu. W układzie z odparowaniem bezpośrednim nie ma pompy obiegowej i wymiennika ciepła, koniecznych przy tradycyjnym kolektorze gruntowym, co pozwala na dodatkowe poprawienie sprawności układu. Najłatwiej zainstalować pompę ciepła powietrze/woda. Rozwiązanie to korzysta z powietrza zewnętrznego, które jest wszędzie dostępne i tym samym nie wymaga specjalnej budowy źródła dolnego, Zatem działka nie musi spełniać specjalnych warunków, co sprawia, że pompy ciepła powietrze/woda są najczęściej wybierane, także jako rozwiązanie przy modernizacji systemu ogrzewania. Ta technologia pomp ciepła – pobierająca ciepło z powietrza – cechuje się najniższą wartością współczynnika COP. Wynika to z tego, że temperatura powietrza zmienia się w ciągu roku, a u szczytu sezonu grzewczego – zimą – jest zwykle najniższa. Co więcej, poniżej 2-5°C (zależnie od wyrobu) rozpoczyna się proces odmrażania wymiennika ciepła – pochłania to dodatkową energię. W instalacji z pompą ciepła powietrze/woda często jest konieczne drugie, szczytowe, źródło ciepła.

Całość działa jako układ biwalentny – do temperatury granicznej (punktu biwalentnego – wartość określana przez dostawcę lub projektanta, np. -8°C) pracuje tylko pompa ciepła, poniżej tej temperatury urządzenia pracują razem, a przy kolejnym punkcie granicznym (np. -15°C) ogrzewanie przejmuje kocioł, ponieważ pompa ciepła staje się nieefektywna (za dużo energii pochłania odmrażanie wymiennika ciepła). W nowych budynkach, a zwłaszcza domach jednorodzinnych budowanych w standardzie niemal zeroenergetycznym, a nawet plusenergetycznym – dzięki wykorzystaniu domowej instalacji fotowoltaicznej powietrzne pompy ciepła mogą być jedynym źródłem ciepła dla c.o. i c.w.u. Zimą, gdy powietrze zewnętrzne jest na tyle chłodne, że pompa nie pracuje efektywnie, wykorzystywana jest grzałka elektryczna. Jest to ekonomiczne dzięki temu, że latem z domowej instalacji PV energia jest przekazywana do sieci energetycznej, a zimą jest odbierana. Pompy ciepła powietrze/woda są też często używane tylko do produkcji c.w.u albo do podgrzewania wody w basenie zamiast kolektorów słonecznych.

Inwestorzy pytają czasem, czy nie można zastosować pomp ciepła powietrze/woda, które będą pobierały ciepło z powietrza wewnętrznego. Jak odpowiadają, producenci i instalatorzy – tylko dla szczególnych zastosowań, np. wyłącznie do wytwarzania c.w.u. lub do wspierania klimatyzacji.

Ciekawe źródła dolne… nie dla inwestorów indywidualnych

Dla pełnego obrazu warto wspomnieć, że pompa ciepła może wykorzystywać także inne dolne źródła ciepła – np. w Norwegii takim źródłem są dna fiordów. Mogą to być ścieki, woda powrotna w ciepłownictwie czy płyny (ciecze i gazy) ogrzewane w procesach technologicznych. Zwykle jednak takie rozwiązania są dostępne w przemyśle czy w pompach ciepła stosowanych w gminnych systemach ciepłowniczych. Sytuacje, w których mogą skorzystać z nich inwestorzy indywidualni, są bardzo rzadkie.