Pompy ciepła – ciepło z ziemi

2018-07-25T11:22:32+00:00 Lipiec 26, 2018|

Jak opisać działanie pompy ciepła? To w największym uproszczeniu odwrócenie działania lodówki.

Jeśli nie wierzycie to dotknijcie lodówki z tyłu. Powierzchnia jest tam ciepła lub wręcz gorąca. Podobnie działają wszystkie pompy ciepła niezależnie od używanych czynników i proponowanych na rynku modeli.

W skrócie bardziej profesjonalnie możemy opisać to kilkoma cyklami:
  1. wymiennik pozyskuje ciepło otoczenia
  2. pompa podnosi temperaturę
  3. wymiennik oddaje ciepło do instalacji

W zależności od rodzaju pobieranego ciepła najprostszy jest podział na pompy gruntowe i powietrzne. Te pierwsze mają dużo większą sprawność i opierają się na odbieraniu ciepła spod powierzchni gruntu. Pompy powietrzne są prostsze w budowie i dużo tańsze. Pobierają ciepło z powietrza na zewnątrz domu. Niestety ich sprawność jest dużo niższa i w niskich temperaturach nie działają prawidłowo. Z tego powodu stosowane są głównie jako ekologiczne źródła podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

Części wspólne wszystkich urządzeń:
  • sprężarka
  • skraplacz
  • zawór rozprężny
  • parownik
  • zawory zwrotne
  • elektrozawór
  • zawory serwisowe
  • elektronika sterująca
Pompy gruntowe

Ich zasada działania opiera się na fakcie, że poniżej strefy zamarzania (mniej więcej około półtora metra poniżej powierzchni ziemi) temperatura jest stała i wynosi około 7 stopni. Jeśli w zimie wpompujemy czynnik grzewczy do rurek to nawet kiedy na powierzchni panują ujemne temperatury, ta pod ziemią nadal jest dodatnia. Działanie klasycznej pompy ciepła najprościej zaprezentować na przykładzie pompy z zastosowaniem freonu jako czynnika roboczego.

Składa się z następujących elementów :

  • parownik – następuje w nim odparowanie czynnika roboczego i odbieranie ciepła z dolnego źródła
  • kompresor – spręża czynnik roboczy i w ten sposób uzyskuje wysoką temperaturę
  • rozprężanie (zawór rozprężny) freon wraca co parownika

W podziemnej instalacji gruntowych pomp ciepła wyróżniamy dwa zasadnicze typy: pompy z kolektorem poziomym oraz z pionowym.

Kolektor poziomy

Instalacja kolektorów poziomych odbywa się na głębokości pomiędzy 1 a 2 metry i składa się z poziomo rozstawionych rurek z czynnikiem chłodniczym, mniej więcej w odległości jednego metra. Odległość między rurkami zależna jest od rodzaju podłoża. Jednak nawet w przypadku najlepszego podłoża odległość ta nie może być mniejsza niż 70 centymetrów. Instalację wykonujemy najczęściej z rur PE o średnicy 1 cala układanych w pętle, każda o długości nie większej niż 100 metrów. Chodzi o to by zmniejszyć opory przepływu płynu roboczego. Taka instalacja wymaga dużej ilości powierzchni na działce, której nie możemy zagospodarować żadnymi budynkami, kostką brukową ani drzewami. Wydajność rurek zależna jest także od rodzaju gruntu. Grunt gliniasty oddaje około 30 – 40 jednostek, natomiast grunt piaszczysty czy suchy zdecydowanie mniej bo około 10 do 20 jednostek. Szacuje się, że klasyczna instalacja tego typu wymaga około 5 arów powierzchni działki. Dokładnych obliczeń dokonać można w zależności od wielkości domu oraz sprawności samej pompy. Koszt kolektora poziomego to około 5000 zł.

Kolektor pionowy

Dużo bardziej wydajne są kolektory pionowe. Stosuje się tutaj wymienniki pionowe osadzone na głębokości od 30 do nawet 150 metrów. Temperatura gleby na tej głębokości niezależnie od pór roku jest stała. Nawet kiedy na powierzchni panują dwudziestostopniowe mrozy, tak głęboko pod ziemią temperatura wyniesie kilka stopni Celsjusza. Do funkcjonowania instalacji wystarczą dwa, lub trzy odwierty. Wymiennik taki nie potrzebuje specjalnej powierzchni na działce. Jedyną wadą instalacji jest jej cena, są one bowiem dużo droższe od wymienników (kolektorów) poziomych. Odmianą wymiennika gruntowego jest wymiennik wodny. Rury z czynnikiem roboczym układa się na dnie stawów lub jezior. Pamiętajmy, że poniżej warstwy lodu, znajduje się zimna woda w temperaturze około zera stopni a na samym dnie zostanie ona ogrzana przez grunt nawet do temperatury 4 stopni Celsjusza (oczywiście jeżeli grunt ten będzie poniżej strefy zamarzania, czyli około 1,5 metra).
Koszt kolektora pionowego to około waha się pomiędzy 10 a 15 tysięcy złotych.

Pompy studniowe

Ten rodzaj pomp opiera się o dwie studnie:

  • czerpną
  • chłonną

Muszą zostać wkopane na głębokość nie mniejszą niż 6 metrów. Dopiero na tej głębokości możemy spodziewać się stałej temperatury wody. Powinna ona wynieść około 10 stopni. Przyjmuje się, że wahania mieszczą się w przedziale od 7 do 12 stopni. Pamiętać należy by studnia czerpna została wykopana przed chłonną w odległości nie mniej niż 15 metrów. Obie studnie muszą znajdować się w tej samej warstwie wodonośnej. Ograniczeniem jest ilość przepompowywanej wody. Pozwolenie wodno prawne będzie wymagane zarówno wtedy, kiedy przekroczymy ilość 15 metrów sześciennych na dobę jak i wtedy gdybyśmy chcieli umieścić studnię poniżej głębokości 30 metrów. Wydajność pompy o mocy 200 W to około 1,5 metra sześciennego na godzinę. Koszt wybudowania tego typu studni to 2 do 5 tysięcy złotych.

Pompa powietrzna

Coraz częściej stosowane są pompy powietrzne. Ich zasada działania opiera się na pobieraniu ciepła z zewnętrznego powietrza. Pompy powietrzne są najtańsze, ale zarazem mają najmniejszą skuteczność. Co więcej im zimniej, tym gorzej działają. Najczęściej stosowane są tylko do podgrzewania ciepłej wody użytkowej i to w dodatku wtedy kiedy nie ma mrozów. W niższych temperaturach muszą wspomagać się grzałkami elektrycznymi co znacznie podraża koszt ich funkcjonowania. W dodatku poniżej minus 20 stopni Celsjusza przestają działać w ogóle.

Jak obliczyć moc i sprawność pompy

Do określenia efektywności pracy pompy czyli sprawności używa się równania COP. Sprawność to iloraz temperatury źródła górnego (jeśli jest to ogrzewanie podłogowe a tylko takie ma praktyczny sens przy montażu pompy ciepła wskaźnik T2 to 30 do 40 stopni) oraz dolnego. W przypadku pomp gruntowych będzie to około 7 stopni. Wynik ilorazu w naszym modelowym przypadku mieści się w przedziale 4 do 5.

Ile watów na metr kwadratowy?

Ilość energii potrzebnej do ogrzania domu wylicza się w watach na metr kwadratowy. Uzależniona jest ona od prawidłowego ocieplenia domu. W dobrze zaizolowanych, nowych domach wynosi ona około 50 W/m2. W domach energooszczędnych wartość ta spada do 30 W/m2. Aby obliczyć konieczną do ogrzewania ilość ciepła trzeba przemnożyć ilość metrów do ogrzania przez zapotrzebowanie. W przypadku domu o powierzchni mieszkalnej (taką przyjmujemy, bo najczęściej nie ogrzewamy garaży) 160 metrów, dobrze zaizolowany dom to wartość 6400 W/m2. Warto to przeliczyć zanim zaczniemy szukać zarówno konkretnych rozwiązań jak i modeli poszczególnych producentów.

Wady i zalety:

Oprócz ekologii najważniejsze dla wszystkich użytkowników są koszty montażu pompy oraz jej eksploatacji. Podstawowy dylemat to wybór między ogrzewaniem gazowym a pompą gruntową. Tu średnio przyjmuje się, że ogrzewanie pompą będzie tańsze o mniej więcej 20 do 30 procent. Dużo korzystniej wygląda to w porównaniu z innymi źródłami ciepła. Pompa wygrywa z ogrzewaniem elektrycznym i tu oszczędności mogą wynieść nawet 70 procent. Jest też dwa razy tańsza niż ogrzewanie olejem opałowym. Zaletą są mniejsze koszty ogrzewania, wadą koszt urządzeń. Prześledźmy to na przykładzie naszego domu 160 metrów powierzchni ogrzewanej. Zakładając, że cena prądu to jakieś 0,6 zł ogrzewanie pompą glikolową przy kolektorze poziomym będzie nas kosztować podobnie jak przy pionowym około 1700 zł (zakładamy, że jest to nowy, dobrze ocieplony dom). Koszt kompletnej instalacji, pracy i urządzenia to w przypadku kolektora poziomego nie mniej niż 40 – 45 tysięcy złotych, w przypadku pionowego 45 – 50 tysięcy złotych. Jeżeli pomimo złych parametrów zastosujemy do ogrzewania pompę powietrzną to za roczne zużycie prądu zapłacimy około 2 700 zł. Koszt montażu całego zestawu z taką pompą jest na pewno najniższy, bo około 30 tysięcy złotych.