Gruntowa pompa ciepła to urządzenie typu solanka–woda, które pobiera energię cieplną z gruntu i przekazuje ją do instalacji centralnego ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Działa dzięki zamkniętemu obiegowi termodynamicznemu, a stabilna temperatura ziemi pozwala jej pracować wydajnie niezależnie od pogody.
Jak działa gruntowa pompa ciepła?
Grunt jest dolnym źródłem ciepła, czyli miejscem, z którego urządzenie odbiera energię. Górnym źródłem jest instalacja grzewcza w budynku, na przykład ogrzewanie podłogowe, grzejniki niskotemperaturowe albo zasobnik ciepłej wody użytkowej.
Ciepło z ziemi trafia do pompy za pośrednictwem wymiennika gruntowego. W rurach wymiennika krąży solanka, czyli roztwór wody i glikolu o obniżonej temperaturze zamarzania. Solanka nie jest czynnikiem chłodniczym. Przenosi energię z gruntu do parownika znajdującego się wewnątrz pompy, gdzie rozpoczyna się właściwy obieg termodynamiczny.
Temperatura gruntu poniżej strefy przemarzania zmienia się znacznie wolniej niż temperatura powietrza. Dzięki temu pompa nie musi reagować na każde ochłodzenie, a jej roczna efektywność, określana wskaźnikiem SCOP, może być wysoka. Dokładny wynik zależy jednak od projektu dolnego źródła, temperatury zasilania instalacji i charakterystyki budynku.
Obieg termodynamiczny krok po kroku
W zamkniętym obiegu pompy krąży czynnik chłodniczy. Jego właściwości pozwalają odbierać ciepło przy niskiej temperaturze, a następnie oddawać je po podniesieniu ciśnienia i temperatury. Proces obejmuje cztery podstawowe etapy:
- Parowanie – solanka ogrzana w gruncie przepływa przez wymiennik i oddaje energię czynnikowi chłodniczemu w parowniku. Czynnik pobiera ciepło i odparowuje.
- Sprężanie – sprężarka zasysa gazowy czynnik i zwiększa jego ciśnienie. W wyniku sprężania rośnie również jego temperatura, dzięki czemu może on ogrzać wodę w instalacji budynku.
- Skraplanie – gorący czynnik trafia do skraplacza. Oddaje tam ciepło wodzie grzewczej, która zasila ogrzewanie pomieszczeń lub podgrzewa wodę użytkową. Czynnik skrapla się i wraca do postaci ciekłej.
- Rozprężanie – ciekły czynnik przepływa przez zawór rozprężny. Spada jego ciśnienie i temperatura, więc ponownie może przyjąć energię w parowniku.
Prąd elektryczny zasila przede wszystkim sprężarkę, pompy obiegowe i automatykę. Urządzenie nie wytwarza całego ciepła wyłącznie z energii elektrycznej. Energia zasilająca napędza proces, który umożliwia przeniesienie ciepła z gruntu do budynku.
Dolne źródło – kolektor pionowy czy poziomy?
Dolne źródło składa się z rur umieszczonych w gruncie. Ich zadaniem jest odebranie energii z ziemi i przekazanie jej solance. Stosuje się przede wszystkim dwa rozwiązania: kolektor pionowy z sondami w odwiertach oraz kolektor poziomy ułożony płytko pod powierzchnią terenu.
Poniżej strefy przemarzania temperatura gruntu jest względnie stabilna, ponieważ ziemia przewodzi i magazynuje energię inaczej niż powietrze. Na głębokości wymiennika znaczenie krótkotrwałych zmian pogody jest ograniczone. Nie oznacza to jednak, że źródło jest niewyczerpane. Zbyt intensywna praca przy źle dobranym wymienniku może prowadzić do nadmiernego wychłodzenia gruntu, dlatego jego wielkość dobiera się do zapotrzebowania budynku i właściwości podłoża.
| Typ kolektora | Wymagana powierzchnia | Inwazyjność prac | Stabilność temperatury | Koszt inwestycji |
|---|---|---|---|---|
| Kolektor pionowy | Mała, ponieważ rury znajdują się w odwiertach | Odwierty są skoncentrowane na niewielkim obszarze | Wysoka dzięki większej głębokości | Zwykle wyższy przez koszt odwiertów |
| Kolektor poziomy | Duża, często obejmująca znaczną część działki | Wymaga wykonania rozległych prac ziemnych | Zależna między innymi od wilgotności i rodzaju gruntu | Zwykle niższy niż przy odwiertach, ale zależny od zakresu robót |
Kolektor pionowy sprawdza się na małych lub już częściowo zagospodarowanych działkach. Sondy umieszcza się w głębokich odwiertach, często sięgających około 100–150 m, choć rzeczywiste parametry wynikają z projektu i warunków geologicznych. Po wykonaniu odwiertów powierzchnia terenu może być ponownie wykorzystana.
Kolektor poziomy układa się na głębokości zwykle około 1–1,5 m. Wymaga większej powierzchni wolnego gruntu, ponieważ rury zajmują rozległy obszar. Nad wymiennikiem nie powinno się później stawiać budynków ani wykonywać nawierzchni ograniczających wymianę energii z gruntem. Na działce mogą też występować ograniczenia dotyczące głębokiego systemu korzeniowego roślin.
Rola solanki i automatyki
Solanka jest pośrednim nośnikiem energii między gruntem a parownikiem. Krąży w zamkniętym obiegu dolnego źródła, odbiera ciepło z rur zakopanych w ziemi i przekazuje je w wymienniku pompy. Dodatek glikolu obniża temperaturę zamarzania cieczy, co chroni instalację podczas zimnej pracy i postoju.
Obieg solanki i obieg czynnika chłodniczego są od siebie oddzielone. Nie mieszają się, lecz wymieniają energię przez powierzchnie wymienników. Za przepływ solanki odpowiada pompa obiegowa, a automatyka kontroluje między innymi temperaturę, ciśnienie, pracę sprężarki i zapotrzebowanie instalacji. Dzięki temu urządzenie może ograniczać moc, gdy budynek potrzebuje mniej ciepła, oraz kierować energię do ogrzewania albo zasobnika c.w.u.
Dlaczego gruntowa pompa ciepła pracuje stabilnie?
Najważniejszą cechą tego rozwiązania jest stabilne dolne źródło. Pompa nie pobiera energii bezpośrednio z mroźnego powietrza, lecz z gruntu, którego temperatura na odpowiedniej głębokości zmienia się powoli. Zmniejsza to różnicę temperatur między źródłem a instalacją grzewczą, a tym samym sprzyja pracy sprężarki z wysoką efektywnością.
Gruntowa pompa ciepła wymaga jednak starannie zaprojektowanego wymiennika. O wydajności całego układu decydują nie tylko parametry samego urządzenia, lecz także rodzaj gruntu, długość rur, sposób ich ułożenia, temperatura zasilania ogrzewania i izolacja budynku. Właściwie dobrany system może ogrzewać dom, przygotowywać ciepłą wodę użytkową, a w niektórych konfiguracjach także wspierać chłodzenie pasywne.
Jeśli najważniejsza jest przewidywalna praca niezależna od chwilowej temperatury powietrza, gruntowa pompa ciepła zapewnia tę przewagę dzięki stabilnemu dolnemu źródłu. Jej działanie opiera się na prostym przepływie energii: grunt ogrzewa solankę, solanka ogrzewa czynnik chłodniczy, a czynnik chłodniczy przekazuje ciepło instalacji budynku.
