Budowa pompy ciepła gruntowej. Jakie są elementy pompy ciepła i za co odpowiadają?

Z tekstu dowiesz się:

• z jakich elementów zbudowana jest pompa ciepła,
• jakie rodzaje wymienników wyróżniamy,
• jakie warunki temperaturowe muszą być spełnione do poprawnego działania pompy,
• dlaczego tak ważne jest określenie zapotrzebowania na moc grzewczą,
• do czego można wykorzystywać pompy ciepła.

Na etapie projektu warto zastanowić się, czy mamy możliwość łatwego wykorzystania naturalnych źródeł ciepła dla pompy – gruntu, wody gruntowej czy też powietrza. Decydując się na jedno z tych rozwiązań, należy brać pod uwagę zarówno koszty wykonania instalacji grzewczej, jak i możliwą do uzyskania efektywność systemu. To od niej zależą późniejsze koszty eksploatacji. Na naszym rynku dostępne są zarówno pompy powietrzne, wodne jak i gruntowe. W tym wyjaśnimy, jak działa pompa ciepła gruntowa, a także przybliżymy budowę pompy ciepła.

Jakie są elementy pompy ciepła?

Gruntowa pompa ciepła to urządzenie, które czerpie energię obecną w gruncie za pomocą wymiennika ciepła w postaci rury ułożonej w ziemi. Najczęściej odbywa się to za pomocą wtórnego nośnika ciepła. Krąży on w obiegu zamkniętym przez wymiennik gruntowy. Woda może być nośnikiem ciepła, jednak częściej stosowane są ciecze o niskiej temperaturze krzepnięcia np. wodne roztwory glikoli. Z tego powodu pompy te nazywane są również solankowymi lub glikolowymi. W ich budowie można wyróżnić następujące podstawowe elementy pompy ciepła:

• dolne źródło ciepła z kolektorem odbierającym ciepło z gruntu,
• górne źródło ciepła, czyli instalacja ogrzewania, np. ogrzewanie podłogowe,
• sprężarkę i zawór rozprężny,
• parownik, który odbiera ciepło z obiegu kolektora, a następnie transportuje do obiegu wewnętrznego pompy,
• skraplacz, którego zadaniem jest pobór ciepła z obiegu wewnętrznego pompy i dostarczenie do instalacji grzewczej.

Wymiennik gruntowy pompy ciepła – elementy urządzenia pod powierzchnią ziemi

Na samym wstępie konieczne jest umieszczenie wymiennika gruntowego pod powierzchnią ziemi na odpowiedniej głębokości. Do wyboru są dwa rozwiązania: wymiennik gruntowy pionowy i poziomy.

Sondy pionowe wykorzystują ciepło geotermalne. Poniżej głębokości około 20 m temperatura gruntu utrzymuje się na stałym poziomie +10°C, przy czym im głębiej, tym temperatura jest wyższa o 2-3 K na każde 100 m głębokości. Sondy pionowe zapewniają zatem najbardziej stabilne warunki pracy pompy ciepła. W przypadku kolektorów poziomych wahania temperatury otaczającego je gruntu w ciągu roku są większe. Pomijalny jest strumień ciepła geotermalnego dla wymiennika poziomego, który położony jest pod strefą przemarzania (1,2-1,8 m pod powierzchnią terenu). Korzysta on praktycznie wyłącznie z promieniowania słonecznego, a jego regenerację wspomagają opady atmosferyczne. Dlatego bardzo ważne jest, aby odpowiednio dobrać wymiennik gruntowy. Zastosowanie zbyt małego wymiennika gruntowego może skutkować zbyt niską temperaturą powracającego z gruntu glikolu.

Gruntowa pompa ciepła – schemat instalacji i dobór odpowiednich warunków

Grunt na głębokości około 2 m w miesiącach zimowych ma zazwyczaj temperaturę na poziomie około 5°C. Porównując do pożądanej temperatury wewnątrz budynku – 21-22°C – jest ona niska. Mimo to rozwiązania zastosowane w układzie z gruntową pompą ciepła pozwalają odbierać energię od chłodnego gruntu i wykorzystywać ją do ogrzewania domu oraz podgrzewania wody do mycia.

Ważną rolę w tym procesie pełni obieg czynnika chłodniczego, podłączony poprzez parownik do źródła ciepła, aby pobrać jego energię cieplną. Z drugiej strony jest on podłączony przez taki element pompy ciepła, jak skraplacz, z instalacją grzewczą np. instalacją ogrzewania podłogowego, do której oddaje energię cieplną. Energia cieplna może przejść tylko z ciała o wyższej temperaturze na ciało o niższej temperaturze, zatem czynnik chłodniczy w parowniku musi mieć niższą temperaturę niż źródło ciepła. W skraplaczu natomiast, czynnik chłodniczy musi mieć temperaturę wyższą niż temperatura wody grzewczej, aby oddać jej energię cieplną.

W parowniku następuje wymiana ciepła między dolnym źródłem ciepła (gruntem), a wewnętrznym obiegiem pompy. Czynnik chłodniczy w postaci gazu przepływa od parownika do sprężarki i jest tam sprężany, co powoduje wzrost jego temperatury i ciśnienia. Następnie przepływa przez skraplacz, w którym oddaje energię cieplną do wody grzewczej w wyniku kondensacji. Później czynnik chłodniczy przepływa do zaworu rozprężnego, gdzie jest silnie rozprężany i traci przy tym znacznie temperaturę oraz ciśnienie. Temperatura czynnika jest teraz niższa od temperatury glikolu, dzięki czemu czynnik może przyjąć nową porcję ciepła w parowniku i ponownie trafia do sprężarki. Jest to cykl powtarzający się.

Zapotrzebowanie na moc grzewczą a budowa pompy ciepła

Pompę gruntową zazwyczaj dobiera się do pracy w trybie monowalentnym. Co to oznacza? To założenie, że pompa będzie pracowała samodzielnie i nie będzie wspomagana przez inne urządzenie. Dlatego do jej odpowiedniego doboru bardzo ważne jest określenie zapotrzebowania na moc grzewczą w budynku. Dobór urządzenia o większej mocy niż jest wymagana przełoży się na wyższy koszt inwestycji. Wyższa moc pompy ciepła wiąże się przede wszystkim z koniecznością wykonania większego wymiennika gruntowego, a także zastosowania większego zbiornika buforowego i wymiennika ciepła w zasobniku ciepłej wody użytkowej. Oznacza to niepotrzebny wzrost kosztów inwestycji.

Czy pompy ciepła można używać jedynie do grzania?

Instalację gruntowej pompy ciepła można wykorzystać nie tylko do ogrzewania budynków i przygotowywania ciepłej wody użytkowej, ale również do chłodzenia pomieszczeń latem. Przy chłodzeniu nie pracuje sprężarka pompy, więc nie zużywa się energii elektrycznej.

Chłód pochodzi z ziemi, do której jest transportowany nadmiar ciepła z budynku z instalacji wewnętrznej, np. podłogowej lub klimakonwektorów. Przekazywany jest on do roztworu glikolu wypełniającego rury wymiennika gruntowego – czyli dolnego źródła ciepła. Odbywa się to jedynie dzięki pracy pomp obiegowych i zastosowaniu dodatkowego wymiennika ciepła. Z uwagi na brak potrzeby pracy sprężarki, ten tryb pracy nazywany jest chłodzeniem pasywnym. Dzięki ich budowie, pompy ciepła można podłączyć również do innych instalacji, takich jak wentylacja mechaniczna czy systemy fotowoltaiczne.

Na etapie inwestycji instalacja z gruntową pompą ciepła wymaga wyższych nakładów. Jest to związane z potrzebą wykonania instalacji dolnego źródła ciepła. Wymagany jest w tym przypadku dostęp dla ciężkiego sprzętu do wykonania odwiertów. To sprawia, że nie w każdym przypadku istnieje możliwość wykonania instalacji z gruntową pompą ciepła. Wtedy warto wziąć pod uwagę pompy powietrzne, które oferuje marka Saunier Duval.

Wiesz już, za co odpowiedzialne są poszczególne elementy pompy ciepła, a także dlaczego warto przemyśleć instalację tego urządzenia do zarówno ogrzewania budynku, podgrzewania ciepłej wody, jak i chłodzenia pomieszczeń. Nie bez znaczenia jest także aspekt ekologiczny – połączenie pompy i fotowoltaiki pozwala na osiągnięcie wręcz niezależności energetycznej!

Przeczytaj też: Pompa ciepła z kotłem gazowym – jak działa taka instalacja grzewcza?