Gruntowa Pompa Ciepła: Budowa i Zastosowanie w Przydomowej Oczyszczalni Ścieków
- Szczegóły
Pompy ciepła to nowoczesne i ekologiczne urządzenia grzewcze, które w pełni wykorzystują tanie i odnawialne źródła energii. W przeciwieństwie do tradycyjnych kotłów paliwowych, nie wytwarzają ciepła same, a jedynie pobierają je z otoczenia - powietrza, wody lub ziemi.
Zasada Działania Gruntowej Pompy Ciepła
Gruntowe pompy ciepła pobierają energię z gruntu, przy pomocy wymiennika gruntowego (przewodu cieplnego) odpowiednio zagłębionego pod powierzchnią ziemi lub w przygotowanych odwiertach w gruncie, czy skale macierzystej. Pozyskana w ten sposób energia może być wykorzystana na potrzeby centralnego ogrzewania, ciepłej wody użytkowej i chłodzenia.
Dzięki wykorzystaniu odpowiednich procesów termodynamicznych gruntowa pompa ciepła jest w stanie przetworzyć energię pierwotną i następnie dostarczyć ją do instalacji grzewczej zgodnie z zapotrzebowaniem jej właściciela. Konieczne jest jednak korzystanie z dodatkowego zasilania (najczęściej prądem).
Zalety Gruntowej Pompy Ciepła
Gruntowa pompa ciepła jest idealnym rozwiązaniem dla tych wszystkich, którzy szukają komfortowego i taniego w eksploatacji ogrzewania. Dzięki wykorzystaniu energii odnawialnej w postaci ciepła zgromadzonego w gruncie, pompa wymaga tylko niewielkiej ilości energii elektrycznej dla zasilania sprężarki. Jednocześnie, urządzenia te są przyjazne dla środowiska naturalnego i bezpieczne w użytkowaniu. Ponadto pompa ciepła jest urządzeniem, które nie emituje zanieczyszczeń oraz jest wysoce bezobsługowa, cicha w pracy i wygodna w codziennym użytkowaniu.
Co ważne, podczas pracy nie spala paliw, więc nie emituje spalin ani nie produkuje popiołu czy kurzu. Dzięki temu jest nie tylko wydajna, ale i przyjazna dla środowiska. Dodatkowo pompa zużywa stosunkowo mało energii elektrycznej, co zapewnia jej ciągłą i ekonomiczną pracę.
Przeczytaj także: Oczyszczalnia oksydacyjna: zasady działania
Gruntowe pompy ciepła to jedno z najbardziej efektywnych i ekologicznych rozwiązań grzewczych dostępnych na rynku. Wykorzystują energię zgromadzoną w ziemi, dzięki czemu są niezależne od zmiennych warunków pogodowych i zachowują wysoką sprawność nawet w bardzo niskich temperaturach. Oznacza to mniejsze zużycie energii elektrycznej w porównaniu z tradycyjnymi systemami grzewczymi, co przekłada się na niższe rachunki oraz ograniczenie emisji dwutlenku węgla.
Gruntowa pompa ciepła zapewnia w naszym klimacie o wiele niższy koszt ogrzewania niż konwencjonalne urządzenia grzewcze, takie jak piec olejowy, czy gazowy. Po prawidłowym montażu gruntowa pompa ciepła będzie działać bezobsługowo, bezawaryjnie i nieprzerwanie przez cały rok. Gruntowa pompa ciepła zużywa mało energii elektrycznej, co przekłada się na niskie koszty ogrzewania. Jedną z głównych zalet gruntowych pomp ciepła jest ich cicha praca, co zwiększa komfort użytkowania.
Instalacja gruntowej pompy ciepła nie tylko obniża koszty ogrzewania i chłodzenia, ale również podnosi wartość rynkową nieruchomości. Ze względu na rosnące zainteresowanie ekologicznymi technologiami grzewczymi, domy wyposażone w energooszczędne rozwiązania są postrzegane jako bardziej atrakcyjne i przyszłościowe. Właściciele nieruchomości mogą zatem liczyć na większe zainteresowanie ze strony potencjalnych nabywców i wyższe ceny sprzedaży.
Wybór Pompy Ciepła: Powietrzna czy Gruntowa?
Wiele osób, które chcą zainstalować pompę ciepła zastanawia się, jaki rodzaj pompy ciepła wybrać. Czy lepsza w ich przypadku będzie pompa ciepła powietrzna, czy może gruntowa? W dużej mierze zależy to od tego, jakim budżetem dysponują oraz od strefy klimatycznej, w której urządzenie to ma pracować. Znacznie tańsze i łatwiejsze w zainstalowaniu są powietrzne pompy ciepła.
Są jednak miejsca, w których sprawdzają się one znacznie lepiej niż ich powietrzne odpowiedniki. Mowa tu o chłodniejszych strefach klimatycznych, czy terenach podgórskich i górskich. Dotyczy to również większych obiektów, takich jak szkoły, przedszkola czy obiekty sportowe. Co ważne, pompy ciepła gruntowe mają w naszym klimacie ogromną zaletę w postaci stabilnej temperatury źródła dolnego, a tym samym łatwych do przewidzenia warunków pracy.
Przeczytaj także: Eco 3000l: cena, opinie, montaż
Stabilniejsza od powietrze temperatura gruntu sprawia, że gruntowa pompa ciepła nie musi pracować w szerokim zakresie temperatury parownika, co ma wpływ na koszt jej podzespołów, które mogą być tańsze niż pompy powietrznej o dobrych parametrach.
Rodzaje Wymienników Gruntowych
Gruntowa pompa ciepła wykorzystywać może różne źródła dolne, a wybór tego najlepszego, zależy przede wszystkim od warunków panujących na działce. Chodzi tu przede wszystkim o jej wielkość, akceptowalny rozmiar prac ziemnych oraz rodzaj gruntu. Ostateczny jednak wybór urządzenia najlepiej jest podjąć po ocenie fachowca, który wskaże optymalne rozwiązanie, wykorzystując do tego profesjonalny sprzęt do dokonywania pomiarów przewodności i pojemności cieplnej gruntu.
Wyróżnia się kilka rodzajów wymienników ciepła używanych w przypadku gruntowej pompy ciepła. Zdecydowanie najpopularniejsze są jednak kolektory poziome oraz pionowe. Wybór danego wymiennika ciepła musi być dostosowany do konkretnych potrzeb, a także do ogólnych warunków gruntowych. W tym celu warto zasięgnąć opinii doświadczonych instalatorów, którzy mają dużą wiedzę oraz doświadczenie. Pomogą oni podjąć decyzję, jaki wymiennik ciepła będzie najlepszym rozwiązaniem w danym przypadku.
Kolektor Poziomy
Pompa ciepła gruntowa pozioma jest rozwiązaniem znacznie tańszym od pompy ciepła gruntowej pionowej, jednak warunkiem koniecznym do jej zainstalowania jest sporych rozmiarów działka z odpowiednio zagospodarowaną przestrzenią (najlepiej, aby była ona wolna od zabudowań i innych elementów, które mogłyby spowodować zaciemnianie działki). Instalacja z wymiennikiem poziomym położona jest zdecydowanie płycej niż w przypadku wymiennika pionowego.
kolektora ziemnego w systemie z bezpośrednim odparowaniem, miedziane rury z powłoką z tworzywa sztucznego, przebiegają blisko powierzchni ziemi. Wymiennik powierzchniowy bowiem w znacznym stopniu wykorzystuje energię słońca i wód opadowych.
Przeczytaj także: Oczyszczalnia ścieków krok po kroku
gruntowego kolektora poziomego wężownice z rur, które wypełnione są płynem niezamarzającym odbierają ciepło z gruntu, a następnie przez wymiennik ciepła, przekazują je pompie.
kolektory poziome na dnie zbiornika wodnego, to również wężownice z rur, które ułożone są nie w gruncie, ale na dnie rzeki lub stawu. Taki układ charakteryzuje się dużą wydajnością energetyczną, ponieważ nośnikiem jest woda.
Na zainstalowanie kolektora poziomego niezbędne jest wygospodarowanie kilkuset metrów terenu (jest to zazwyczaj 2-3 krotność powierzchni ogrzewanej). Ważne jest żeby nie był on zabudowany i utwardzony (nie może się na nim znajdować chodnik, czy podjazd). Dobrym rozwiązaniem może być również odprowadzanie w ten rejon wody z rynien lub ułożenie ponad kolektorem ziemnym drenażu rozsączającego przydomowej oczyszczalni ścieków.
Montaż kolektorów poziomych jest bardzo prosty w wykonaniu, ponieważ wymaga tylko wjazdu koparki do wyznaczonej do tego części działki. W przypadku gdy prace budowlane uniemożliwiają manewry ciężkim sprzętem, to wówczas wskazane jest, aby prace ziemne związane z wymiennikiem, wykonać jeszcze przed ich rozpoczęciem. Poziome wymienniki wykonuje się w dwóch konfiguracjach: spiralnym lub meandrycznym.
Drugą bardzo ważną kwestią są odstępy między rurami kolektora poziomego, dostosowane do rodzaju gruntu, z którego wynika jego zdolność do „regeneracji” (uzupełniania ciepła). Im powierzchnia gruntu jest dłużej zamarznięta, tym te odstępy powinny być większe. Nie powinny być one jednak mniejsze niż 0,4 m i większe niż 1,2 m.
Na uwadze trzeba mieć również to, że nie rury, ale sam grunt jest źródłem ciepła. Tak więc, ich zbyt duże zagęszczenie nie spowoduje zwiększenia wydajności dolnego źródła, a może jedynie przynieść fatalne w konsekwencjach skutki. Ponieważ grunt wokół rur zamarznie, tworząc podziemną lodową tarczę, która może nie odmarznąć pomiędzy sezonami. Ponadto rury kolektora należy ułożyć poniżej strefy przemarzania gruntu, co będzie chronić wymiennik przed zamarzaniem w okresie zimy.
Jeśli jednak na stosunkowo niewielkiej głębokości znajduje się akurat ciek wodny, to najlepszym wyjściem jest umieszczenie rur właśnie tam.
Moc z jaką wymiennik gruntowy poziomy przekazuje ciepło, zależy od rodzaju gleby, a dokładnie od jej wilgotności. Najlepsze właściwości ma grunt gliniasty mocno nasączony, którego 1 m2 ma wydajność 30 - 40 W/m2.
Powyższe wartości opracowane zostały przez Związek Inżynierów Niemieckich (wytyczna VDI 4640). Jednak z powodu znacznie chłodniejszego klimatu, który panuje w Polsce, lepiej jest przyjąć, że w naszych warunkach czas pracy pompy będzie dłuższy, a więc wyniesie 2.400 h/rok.
Biorąc pod uwagę to, że działka nie może być wyłożona kostką i nie mogą rosnąć na niej krzaki i drzewa, to naprawdę całkiem sporo. Ponadto, w przypadku gruntu wodonośnego wymiennik mógłby być o blisko połowę mniejszy.
Kolektory poziome montuje się na głębokości około 0,2-0,5 m poniżej punktu przemarzania. Istnieje możliwość umieszczenia ich na mniejszej głębokości, ale tylko wtedy, gdy powyżej zlokalizowany jest ciek wodny. Przed rozłożeniem rur niezbędne jest wykonanie wykopu o odpowiedniej głębokości oraz szerokości. Rozkłada się je w formie meandrów. Bardzo ważne jest zachowanie odpowiednich odstępów między nimi - powinny wynosić od 0,4 do 1,2 m. Należy wziąć pod uwagę specyfikę gruntu oraz warunki panujące na konkretnym obszarze.
Kolektor Pionowy
Zainstalowanie kolektora pionowego jest znacznie trudniejsze niż w przypadku prac związanych z montażem kolektora poziomego. Pompa ciepła osiąga jednak wyższy współczynnik wydajności COP, gdy rury wymiennika umieszczone są w ziemi pionowo, w odwiertach o głębokości 40 - 100 m. Dlaczego? Ponieważ na głębokości poniżej 10 m temperatura gruntu wynosi przez cały rok więcej niż 10°C.
Podczas miesięcy zimowych jest to zatem o kilka stopni więcej niż na głębokości 1,5 m, na której instalowane są wymienniki poziome. Ponadto, sporym udogodnieniem jest możliwość utwardzenia terenu znajdującego się nad odwiertami (można go nawet zabudować, stawiając wiatę czy garaż). W przypadku wykonania odwiertów pionowych, w odróżnieniu od kolektora poziomego, na zamieszkałej i zagospodarowanej posesji nie dochodzi do rujnacji tego co się tam już znajduje. Prowadzone prace ziemne są bowiem mało inwazyjne i po ich zakończeniu nie ma prawie śladu.
Wykonanie tak głębokich odwiertów wiąże się jednak z wysokimi kosztami, na co wpływ ma rodzaj budowy geologicznej gruntu. Do ich wykonania niezbędny jest specjalny sprzęt do drążenia głębokich na kilkadziesiąt metrów otworów. Tego rodzaju prace są szczególnie trudne w kamienistym i skalistym gruncie, co oczywiście wiążę się ze wzrostem kosztów inwestycji. Całą inwestycję poprzedza zawsze przeprowadzenie odwiertu próbnego, dzięki któremu możliwe jest zgromadzenie i przeanalizowanie niezbędnych informacji o pojemności cieplnej gruntu i jej budowie hydrogeologicznej.
W wykonanych odwiertach umieszcza się następnie po jednej albo po dwie pary rur (sondy typu U lub podwójne U) wypełnione roztworem glikolu, który krążąc w nich odbiera ciepło od gruntu. Tworząca pętle rura biegnie w dół odwiertu, gdzie na dnie zawraca ku górze. Wprowadzenie tych sond geotermalnych do odwiertu ułatwia głowica, która wraz z nimi zostaje zalana mieszanką betonowo-cementową.
min. Najmniej korzystne parametry do odbioru ciepła ma przede wszystkim suchy i piaszczysty grunt, najlepsze zaś uzyskuje wymiennik ciepła umieszczony w strumieniu wody gruntowej.
W przypadku sond geotermalnych oblicza się nie powierzchnię, ale łączną długość wymiennika składającego się zwykle z więcej niż jednej sondy. Aby mieć pewność, że wymiennik pionowy będzie działał prawidłowo konieczne jest zlecenie badanie gruntu. Wydajność cieplna zależy bowiem od jego rodzaju.
Łączna powierzchnia kolektorów poziomych lub długość pionowych, zależy od mocy chłodniczej oraz uzysku ciepła z dolnego źródła (jednostkowego poboru ciepła z gruntu). Przy czym, średni uzysk w przypadku odwiertów pionowych, przy zastosowaniu sond typu podwójne U (cztery rury w odwiercie), w których są zarówno warstwy suche, jak i wodonośne, wynosi ok. 50 W/m (uzysk ten rośnie wraz ze wzrostem gęstości i wilgotności gruntu).
Tak więc, w przypadku pompy ciepła, rozpatrywanej wcześniej przy obliczeniu powierzchni wymiennika pionowego gruntowej pompy ciepła (o mocy chłodniczej 10,9 kW) potrzebne by były odwierty o łącznej długości 218 m (mogłyby to być np.
Rury wymiennika pionowego gruntowej pompy ciepła są prowadzone w głąb ziemi w taki sposób, aby tworzyły pętlę. Nazywa się je sondami geotermalnymi. Muszą zostać umieszczone na dużej głębokości, co wiąże się z koniecznością wykonania odwiertów. Odwierty wykonuje się najczęściej na głębokości od 50 do 150 m. W każdym z otworów umieszcza się jedną lub dwie pary sond (typu „U” lub „podwójne U”). Służy do tego specjalna głowica, która także ułatwia przeprowadzenie całego procesu. W przypadku sond pojedynczych typu „U” ciecz płynie w dół jedną rurą, a drugą z nich wraca na powierzchnię ziemi.
Montaż gruntowej pompy ciepła z kolektorami pionowymi jest droższy ze względu na konieczność wykonania głębokich odwiertów. Jednak urządzenie to wyróżnia się doskonałym współczynnikiem wydajności COP ze względu na to, że na większych głębokościach przez cały rok panuje podobna temperatura gruntu oscylująca w granicach 10℃.
Łączna długość wymiennika ciepła pionowego musi być dopasowana do jakości oraz rodzaju gruntu. Należy przeanalizować głębokość każdej z warstw, a także średnią wartość współczynnika przewodzenia ciepła obszaru, na którym ma być zamontowana gruntowa pompa ciepła. Przykładowo, w przypadku sond „podwójne U”, które wymagają umieszczenia czterech sond geotermalnych w odwiercie, wydajność cieplna gruntu wynosi średnio 50 W/m. Gruntowa pompa ciepła o mocy 11 kW będzie więc wymagała wykonania otworów w ziemi o łącznej długości 220 m (11 000/50 = 220 m).
Długość każdej pojedynczej pętli wymiennika musi być dopasowana do mocy pompy obiegowej. Trzeba wziąć pod uwagę również średnicę rury, a także rodzaj zastosowanej cieczy. Najczęściej gruntowe pompy ciepła z wymiennikiem poziomym o mocy nieprzekraczającej kilkunastu kilowatów wymagają zastosowania od jednej do czterech pętli o długości od 100 do 400 m. Ich średnica zależy przede wszystkim od materiału, z którego zostały wykonane. Wymienniki poziome bardzo często są wykonane z trwałego i wytrzymałego polietylenu.
Chłodzenie Pasywne
Należy tu podkreślić, że przy odpowiednim doborze odwiertów, inwestor jest także w stanie używać pompy ciepła w układzie chłodzenia pasywnego nazywanego także chłodzeniem naturalnym (natural cooling, free-cooling), który jest ważną zaletą w gruntowych pompach ciepła z wymiennikiem pionowym.
Warto podkreślić, że chłodzenie pasywne odbywa się bez uruchamiania sprężarki, co minimalizuje zużycie energii (pracuje tylko system sterowania oraz pompy obiegowe). W przypadku chłodzenia pasywnego źródłem chłodu w instalacji jest sam grunt, którego temperatura nawet w najcieplejsze dni wynosi około 10°C.
Stanowi to zatem doskonałą podstawę do pracy pompy ciepła nie tylko na potrzeby ogrzewania budynku, ale także podstawę do wykorzystania tego rzędu temperatury do jego chłodzenia latem. Tak więc, jeśli mamy zamiar korzystać z tego rodzaju chłodzenia, to już wcześniej zwróćmy uwagę na to, czy pompa oferuje funkcję chłodzenia pasywnego w standardzie. Może bowiem okazać się że konieczne będzie dokupienie do niej dodatkowego modułu lub też producent pompy ciepła w ogóle nie przewiduje takiej funkcji.
Zarówno w przypadku pompy ciepła gruntowej, jak i pompy ciepła powietrznej możliwe jest odwrócenie obiegu chłodniczego (chłodzenie aktywne). Chłód do pomieszczeń może być wówczas dostarczany przy pomocy klimakonwektorów, które doskonale współpracują z pompą ciepła. Połączenie tych dwóch urządzeń pozwala stworzyć najwydajniejsze tryby grzania i chłodzenia.
Wpływ Warunków Klimatycznych w Polsce
Warto wiedzieć, jaki wpływ na działanie gruntowej pompy ciepła mają warunki klimatyczne panujące w Polsce. Na pewnej głębokości wewnątrz ziemi temperatura nigdy nie spada poniżej 0℃. Polska jest podzielona na cztery różne strefy, w których punkt przemarzania znajduje się na nieco innym poziomie. W IV strefie znajduje się on na głębokości około 1,5 m. Oznacza to, że umieszczenie dolnego źródła ciepła poniżej tego poziomu, zagwarantuje stabilne ogrzewanie.
Polskie warunki klimatyczne doskonale sprawdzają się więc w przypadku gruntowych pomp. Co ważne, temperatura wewnątrz ziemi jest o wiele stabilniejsza niż powietrza, dzięki czemu urządzenie nie musi mieć szerokiego zakresu pracy parownika.
Wymagania Formalne i Prawne
Montaż pompy ciepła nie wymaga zgłaszania takich prac czy uzyskania pozwolenia na budowę. Instalacja poziomego wymiennika gruntowego jest zbliżona do prac związanych z budową przydomowej oczyszczalni ścieków. Na nią też nie trzeba uzyskiwać pozwolenia na budowę. Najlepszym rozwiązaniem jest jednak zasięgnięcie rady w starostwie powiatowym.
Jeśli jednak niezbędna jest instalacja pionowego wymiennika ciepła, to takie prace podlegają ustawie Prawo geologiczne i górnicze. Trzeba również pamiętać o obowiązku zgłoszenia zamiaru przeprowadzenia prac wiertniczych. Należy to zgłosić właściwemu organowi administracji geologicznej, organowi nadzoru górniczego oraz burmistrzowi, wójtowi lub prezydentowi miasta co najmniej 14 dni przed rozpoczęciem montażu.
Ciecze w Kolektorach
W rurach wymiennika ciepła musi znaleźć się ciecz, która nie zamarza w ujemnych temperaturach. Obecnie najczęściej stosuje się roztwór glikolu propylenowego. Najlepiej się sprawdza w różnych warunkach, a do tego jest uznawany za ekologiczny. Jest wydajny, a dodatkowo nie powoduje korozji czy niszczenia tworzyw sztucznych.
Jako ciecz w kolektorach stosuje się również etanol, czyli alkohol etylowy. Ten czynnik roboczy wyróżnia się niską gęstością oraz lepkością. Jego pompowanie przez gruntową pompę ciepła jest więc łatwiejsze oraz mniej energochłonne. Jego wadą jest jednak łatwopalność oraz wysoka lotność. Z tego względu wielu producentów pomp ciepła zakazuje jego stosowania.
Zużycie Energii Elektrycznej
Zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła ma kluczowe znaczenie dla użytkowników. Od tego zależy, jak wysokie rachunki za prąd będą otrzymywać. Aby dowiedzieć się, ile energii zużywa gruntowa pompa ciepła, trzeba na samym początku ustalić zapotrzebowanie cieplne budynku. Dom o powierzchni 100 m2, którego roczne zapotrzebowanie energetyczne wynosi 70 kWh/m2, zużyje około 7 000 kWh energii do ogrzania pomieszczeń.
Należy jednak pamiętać, że im gorzej wykonana izolacja, tym większe zużycie, a tym samym wyższe rachunki za prąd. Gruntowa pompa ciepła służy do ogrzewania domu o powierzchni 100 m2. Współczynnik tego konkretnego modelu wynosi 4. Roczne zapotrzebowanie budynku to 70 kWh/m2 rocznie. Średnie zużycie energii przez pompę to około 1 750 kWh. Tę wartość należy pomnożyć przez cenę prądu (przyjęto wartość wynoszącą 85 gr za 1 kW). Trzeba jednak pamiętać, że jest to tylko przykład, gdyż w przypadku domów o większych powierzchniach oraz z gorszą izolacją, koszty te będą wyższe.
Jeśli chcesz, aby gruntowa pompa ciepła była jeszcze bardziej ekonomiczna, pomyśl o połączeniu jej z instalacją fotowoltaiczną. Wyprodukowany dzięki niej prąd posłuży do zasilenia tego urządzenia, co znacząco wpłynie na obniżenie kosztów eksploatacyjnych.
tags: #wymiennik #gruntowy #poziomy #budowa #przydomowa #oczyszczalnia
