Pompa ciepła – jaką wybrać?

Wybór odpowiedniego urządzenia będzie zależał między innymi od tego skąd pompa ciepła będzie pobierać ciepło: z gruntu (typ solnaka/woda), wody (typ woda/woda) czy powietrza (np. typ powietrze/woda)? Czym charakteryzują się poszczególne urządzenia grzewcze. Co warto o nich wiedzieć?

W zależności od rodzaju źródła ciepła pompy ciepła możemy podzielić na pompy typu solanka/woda (gruntowe pompy ciepła), pompy typu woda/woda (wodne pompy ciepła), pompy typu powietrze/woda (powietrzne pompy ciepła ). Pierwszy człon określa właśnie źródło ciepła (tzw. dolne źródło ciepła), np. „solanka” – pompa pobiera ciepło z gruntu. Natomiast drugi człon „woda” określa rodzaj instalacji grzewczej w budynku – instalacja wodna (grzejniki, ogrzewanie podłogowe, ścienne).

Najczęściej stosowane są pompy ciepła solanka/woda i woda/woda, które mogą być jedynym źródłem ciepła do ogrzewania budynku nawet w zimie przy maksymalnie niskich temperaturach zewnętrznych. Coraz większe znaczenie zyskują również pompy ciepła powietrze/woda ponieważ ich instalacja jest prostsza i tańsza, mimo że muszą współpracować z dodatkowym źródłem ciepła.

Gruntowe pompy ciepła (solanka/woda)

W ciągu całego roku temperatury gruntu są równomierne i na głębokości 2 m wynoszą od 7 do 13°C. Im głębiej tym temperatura gruntu jest wyższa. Po odebraniu ciepła z gruntu musi się on zregenerować (ogrzać się). Na głębokości do 1,8 m regeneracja odbywa się głównie przez promieniowanie słoneczne, opady deszczu, wody roztopowe itd. Natomiast regeneracja gruntu ciepłem dopływającym z głębszych warstw jest na tyle mała, że można ją pominąć.

Rozkład temperatur w gruncie

W przypadku gruntowej pompy ciepła energia z gruntu może być pobierana przez wymiennik poziomy (kolektor gruntowy) lub przez wymiennik pionowy (tzw. sondy gruntowe). Przez kolektor lub sondy gruntowe przepływa „solanka” (mieszanina wody i glikolu o temperaturze zamarzania: -15°C), która odbiera ciepło z gruntu i transportuje do parownika pompy ciepła.

Kolektor gruntowy jest to ułożony na dużej powierzchni, poniżej strefy przemarzania gruntu system rur z tworzywa sztucznego. Rury układa się w gruncie na głębokości 1,2 do 1,5 m. Poszczególne pętle powinny mieć jednakową długość nie przekraczającą 100 m, ponieważ opory przepływu a tym samym potrzebna moc pompy obiegowej będą zbyt duże. Odstępy pomiędzy pętlami zależą od średnicy przewodów i wynoszą zazwyczaj od 50 do 100 cm. Z kolektora gruntowego najintensywniej pobierane jest ciepło w okresie zimowym, natomiast regeneruje się on przede wszystkim w okresach cieplejszych, tj. wiosną i latem. Regeneracja gruntu następuje przede wszystkim dzięki promieniowaniu słonecznemu oraz opadom atmosferycznym, co zapewnia że grunt zakumuluje znowu ciepło na następny sezon grzewczy.
Właściwości akumulacyjne i przewodność cieplna są tym większe im bardziej grunt jest nasycony wodą, im więcej jest składników mineralnych i im mniejsza jest jego porowatość. Możliwe do pobrania z gruntu moce jednostkowe mieszczą się w zakresie od ok. 10 do 35 W/m² powierzchni gruntu (grunt piaszczysty, suchy: 10 do 15 W/m²; piaszczysty, wilgotny: 15 do 20 W/m²; grunt ilasty, suchy: 20 do 25 W/m²; ilasty, wilgotny: 25 do 30 W/m²; grunt wodonośny: 30 do 35 W/m²).

Dla przykładu: dla pompy ciepła o mocy grzewczej 10 kW, przy średniej wydajności poboru ciepła z gruntu 25 W/m² – powierzchnia gruntu dla ułożenia kolektora gruntowego wyniesie ok. 340 m².

Sondy gruntowe nie wymagają dużej powierzchni ponieważ rury wprowadzane są pionowo w głąb ziemi, zwykle na głębokość do 100 metrów – wówczas należy uzyskać pozwolenie Urzędu Gospodarki Wodnej, powyżej 100 m potrzebne będzie pozwolenie Urzędu Górniczego.
W odwiert wpuszcza się prefabrykowaną sondę, a następnie wolna przestrzeń zasypywana jest materiałem wypełniającym. Sondy wykonuje się w formie pojedynczej lub podwójnej U-rury (rury PE). Podwójna U-rura jest o tyle pewniejsza, że w przypadku uszkodzenia jednej pętli, nie dyskwalifikuje to całego odwiertu. Przy normalnych warunkach hydrogeologicznych można przyjąć orientacyjną średnią moc jednostkową sondy gruntowej 50 W/m długości sondy. Odległość pomiędzy sodami gruntowymi nie może być mniejsza niż 6 m.
Najczęściej po wykonaniu pierwszego odwiertu można dokładnie określić rodzaj i strukturę gruntu – na tej podstawie określa się czy obliczeniowa długość sondy będzie wystarczająca, czy też konieczne będzie wykonanie głębszego odwiertu.

Dla przykładu: dla pompy o mocy grzewczej 10 kW, przy średniej wydajności 50 W/m długości sondy – dwie sondy gruntowe (dwa odwierty), każda o głębokości 85 m.

Wodna pompa ciepła (woda/woda)

Woda gruntowa również jest dobrym akumulatorem ciepła słonecznego. Nawet w zimne, zimowe dni utrzymuje stałą temperaturę od 7 do 12ºC. Woda gruntowa pobierana jest ze studni czerpalnej i tłoczona do parownika pompy ciepła woda/woda. Następnie schłodzona woda odprowadzana jest do studni chłonnej – zrzutowej.
Woda gruntowa może być złej jakości. Dlatego, aby ochronić parownik w pompie ciepła należy zawsze stosować dodatkowy wymiennik ciepła tzw. pośredni. Nawet jeśli przy badaniu wody gruntowej okaże się że nie są przekroczone określone przez producenta składniki, to nie mamy pewności że skład ten nie zmieni się w przyszłości. Czynnikiem, który również należy uwzględnić przewidując głębokość studni współpracujących z pompą ciepła jest poziom zwierciadła wód gruntowych, który może się zmieniać.

Dla przykładu: minimalny przepływ wody gruntowej przez pompę ciepła o mocy grzewczej 10 kW wynosi 2100 litrów/h.

Powietrzna pompa ciepła (powietrze/woda)

Najmniejsze koszty wykonania dolnego źródła ciepła są w przypadku powietrza zewnętrznego. Zasysane jest ono kanałem, schładzane bezpośrednio w parowniku pompy ciepła i ponownie odprowadzane na zewnątrz. Nowoczesne pompy ciepła mogą wytwarzać ciepło grzewcze nawet przy temperaturze zewnętrznej –20ºC. Jednak przy tak niskiej temperaturze pompa ciepła może nie pokryć całkowitego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku. W mroźne dni konieczne będzie dogrzewanie wody grzewczej do wymaganej temperatury. Pompa powietrze/woda w naszych warunkach klimatycznych wymaga wspomagania dodatkowym źródłem ciepła: grzałką elektryczną, kotłem gazowym, olejowym czy na paliwo stałe.
Projektując wyrzutnię powietrza, należy wykonać to w taki sposób, aby strumień odprowadzanego na zewnątrz powietrza i efekty akustyczne z tym związane nie były uciążliwe dla sąsiednich budynków.

Inne źródła ciepła dla pompy ciepła

Poza standardowymi rozwiązaniami, jak sondy i kolektory, ciepło z gruntu możemy pobierać na wiele innych sposobów. Ciekawym rozwiązaniem jest również pobieranie ciepła z lodu – z „zasobnika lodu” – w którym pompa pobiera ciepło z zamarzającej wody.