Jak działa pompa ciepła gruntowa?
Skąd pompa ciepła gruntowa czerpie energię?
Energia z gruntu
Pompa ciepła gruntowa to urządzenie, które pobiera energię cieplną z gruntu. Pobrane z tego źródła ciepło służy do ogrzewania domu lub ciepłej wody użytkowej. Większość montowanych aktualnie pomp ciepła służy do zasilania w ciepło zarówno wody w zbiorniku ciepłej wody użytkowej jak i buforze. Bufor to zbiornik, stanowiący sprzęgło hydrauliczne dla wody pomiędzy układem pompy ciepła, a wewnętrzną instalacją hydrauliczną. Praca gruntowej pompy ciepła jest w zasadzie podobna do pompy ciepła powietrznej. Element, który różni zasadniczo te dwa układy to rodzaj dolnego źródła ciepła. Nie jest to w tym przypadku powietrze, a właśnie grunt. Na układ gruntowej pompy ciepła składają się pionowe bardzo głębokie odwierty w ziemi, zwane również sondami lub kolektorami.
Obieg energii w układzie
Pompa ciepła gruntowa przenosi ciepło kolektora zewnętrznego do wewnątrz przy pomocy czynnika, którym wypełnione są sondy. Ze względu na to, że płyn nie może zamarznąć najczęściej jest to glikol lub alkohol. Na dużej głębokości gruntu temperatura jest dodatnia, niezależnie od pory roku. Dzięki temu płyn ulega ogrzaniu i w takiej formie jest transportowany do modułu wymiennika ciepła pompy. Następnie ciepło jest odbierane przez czynnik chłodniczy, który pod wpływem ciepła zmienia swój stan skupienia na gazowy. Kolejną fazą cyklu jest podniesienie temperatury gazu poprzez jego sprężenie. Ostatecznie dochodzi do oddania energii cieplnej do wody, która znajduje się w wewnętrznej instalacji hydraulicznej domu.
Podzespoły gruntowej pompy ciepła
Główne elementy składowe instalacja pompy ciepła gruntowej to:
- sprężarka – zwiększa ciśnienie gazu (czynnika chłodniczego). Powoduje to podniesienie jego temperatury i efektywniejsze przekazanie energii cieplnej do wody.
- skraplacz – służy do zmiany stanu skupienia czynnika chłodniczego z gazowego na ciecz.
- zawór rozprężny – obniża ciśnienie gazu (czynnika chłodniczego). Efektem tego jest obniżenie jego temperatury, aby ponownie przyjąć energię cieplną z kolektora.
- parownik – kolejny element składowy pompy ciepła, który odpowiada za zmianę stanu skupienia czynnika. W tym przypadku chodzi o przejście ze stanu ciekłego na gazowy.
Najczęściej zadawane pytania
Pompy ciepła typu gruntowego to urządzenia droższe niż odpowiedniki pobierające energię cieplną z powietrza atmosferycznego. Na koszt wyższy koszt inwestycji wpływa cena samego urządzenia, ale również koszt przygotowania odwiertów pod sondy gruntowe. Przyjmuje się, że średni sumaryczny koszt inwestycji wynosi ok. 70 000 - 80 000 zł.
Głównym minusem pompy ciepła gruntowej stanowi niestety koszt początkowy inwestycji, wynoszący w niektórych przypadkach nawet dwa razy więcej niż instalacja powietrznej pompy ciepła. W przypadku decyzji o poziomego kolektora gruntowego w orientacji poziomej, minusem będzie też konieczność zagospodarowana na te potrzeby dość dużej powierzchni działki.
Koszt odwiertu pod gruntową pompę ciepła różni się zależności od regionu Polski. Ważna jest też struktura gruntu i związane z tym potencjalne trudności dla firmy, zajmującej się realizacją odwiertów. Przyjmuje się, że koszt realizacji jednego metra bieżącego odwiertu wynosi od 120 do 160 zł brutto.
Decyzja o montażu gruntowej pompy ciepła opłaca się pod warunkiem poprawnej realizacji inwestycji. Czas zwrotu inwestycji może wynieść w zależności od nieruchomości i kosztu początkowego od 8 do 15 lat. Okres, w którym inwestycja będzie się zwracać jest też zależny od dynamiki cen surowców energetycznych (np. gaz), które były zużywane w przypadku montażu kotła gazowego.
Nie istnieje uniwersalny przelicznik, który pozwoliłby na dokładne oszacowanie zużycia prądu tylko w stosunku do danego rodzaju pompy ciepła. Przy mocy urządzenia i zużycia prądu potrzebne są też m.in. łączne zapotrzebowanie budynku na ciepło i sprawność energetyczna urządzenia.
Rodzaje kolektorów pompy ciepła gruntowej
Gruntowe pompy ciepła z kolektorami poziomymi
Zasada działania
Nieodłącznym elementem schematu podłączenia pompy ciepła typu gruntowego jest kolektor zewnętrzny. W zależności od lokalnych uwarunkowań, w ramach instalacji gruntowej pompy ciepła używa się kolektorów pionowych lub poziomych. Instalacja kolektora jest zwykle bardzo kosztowna i może wynosić nawet 30-40% całej inwestycji. Pomyłka może okazać się bolesna w skutkach. Dlatego przed przystąpieniem do prac instalacyjnych warto zasięgnąć opinii fachowców ze sprawdzonej firmy instalatorskiej. W ramach konsultacji fachowiec określi jakie rozwiązanie będzie najlepsze w Twoim przypadku. Innymi słowy, dostaniesz pełny zalet i wad poszczególnych rozwiązań, a to pomoże Ci podjąć lepszą decyzję.
Wykonanie kolektora
Należy pamiętać, że po położeniu rur powierzchnia ziemi powinna pozostać w naturalnym stanie. Rzecz jasna nie powinna być ona np. zabetonowana lub pokryta kostką brukową. Powodowałoby to, że pompa ciepła gruntowa pracowałaby z niższą sprawnością, co za tym idzie jej eksploatacja byłaby droższa. Na potrzeby ogólnych kalkulacji można przyjąć, że powierzchnia kolektora poziomego powinna być od trzech do pięciu razy większa niż powierzchnia samego domu. Łatwo zatem policzyć, że powierzchnia, którą należy zarezerwować na kolektor dla domu 120 m2 może wynieść nawet 600 m2.
Zalety i wady
Jako główne zalety kolektora poziomego można wymienić:
- możliwość samodzielnej instalacji kolektora – pamiętaj, że będzie to wymagało to sporo wysiłku fizycznego. W tym przypadku będziesz musiał przekopać stosunkowo dużą powierzchnię działki na głębokość 1-1,5 m.
- niższy koszt instalacji – nawet jeżeli zdecydujesz się na realizację inwestycji w pełni przez firmę instalatorską. Instalacja kolektora poziomego nie wymaga skomplikowanych i kosztownych maszyn do wiercenia głębinowego, a najczęściej jedynie koparki.
O tych wadach kolektora poziomego powinieneś pamiętać:
- konieczność przeznaczenia pod kolektor dużej powierzchni działki – w konsekwencji rozwiązanie może stać się mało interesujące dla właścicieli małych działek.
- brak dowolności w adaptacji działki po wkopaniu kolektora poziomego – ze względu na to, że niewskazane jest utrudnianie penetracji energii słonecznej, nie będziesz mógł zabetonować powierzchni nad kolektorem.
Gruntowe pompy ciepła z kolektorami pionowymi
Głębokość odwiertów
Kolektory pionowe sprawdzą się lepiej w przypadku działek o mniejszych powierzchniach. Właściwie to kolektor pionowy może zostać zainstalowany nawet pod samą powierzchnią domu. Należy to jednak przewidzieć już na bardzo wstępnym etapie realizacji inwestycji budowlanej. Na kolektor pionowy składają się najczęściej rury wkopane pionowo na głębokość ok. 100 m. Instalatorzy często stosują odwierty nawet na większą głębokość. Należy pamiętać, że wraz ze wzrostem głębokości sondy pionowej rośnie efektywność pracy całego układu. W przypadku zasilania pompą ciepłą dużych budynków, zostanie wykonanych kilka odwiertów. Oczywiście wykonanie tak skomplikowanych prac wiąże się z otrzymaniem odpowiedniego zezwolenia. Najczęściej jednak dokumentację i wnioski realizuje sam wykonawca. Rzecz jasna realizacja odwiertów o takiej głębokości wiąże się z wykorzystaniem specjalistycznego sprzętu i nie będziesz w stanie zrealizować prac sam.
Wymogi dla odwiertów pionowych
Należy pamiętać, że normy budowlane stawiają też konkretne wymogi dotyczące rozmieszczenia odwiertów:
- odległość odwiertu od fundamentu budynku nie może być mniejsza niż 1,5 m.
- odległość odwiertu od sieci zaopatrzenia w media (np. woda, gaz, prąd) również nie może być mniejsza niż 1,5 m.
- odległość odwiertu od granicy sąsiedniej działki nie może być mniejsza niż 3 m.
- odległość poszczególnych odwiertów od siebie nie może być mniejsza od 6 m (w przypadku odwiertów do głębokości 70 m), 8 m (w przypadku odwiertów o głębokości od 70 do 100 m), minimum 8% długości odwiertu (w przypadku odwiertów o głębokości powyżej 100 m).
Zalety i wady
Główne zalety kolektora pionowego to:
- mała powierzchnia działki konieczna do przeznaczenia pod inwestycję – rury kolektora biegną w dół, dlatego w zależności od ilości odwiertów, zużyjesz tylko niewiele z powierzchni swojej nieruchomości.
- absolutna odporność kolektora pionowego na porę roku i warunki atmosferyczne – poniżej pewnej granicy głębokości odwiertu, temperatura ziemi jest stała. Nie rośnie i nie maleje w zależności od temperatury powyżej powierzchni ziemi. Dzięki temu efektywność pracy pompy ciepła gruntowej jest stała przez cały sezon.
Do podstawowych wad kolektorów pionowych można zaliczyć:
- bardzo duży koszt inwestycji – wynika on z konieczności zlecenia prac od początku do końca specjalistycznej firmie instalatorskiej. Ze względu na niedostępność sprzętu do odwiertów część instalatorów korzysta z usług podwykonawców, którzy specjalizują się konkretnie w instalacji sond pionowych.
- konieczność realizacji kilku odwiertów, jeżeli zapotrzebowania na energię cieplną jest większe – oczywiście odpowiednio podnosi to koszt całej inwestycji.
Ile kosztuje pompa ciepła gruntowa?
Początkowy koszt inwestycji w pompę gruntową
Do podstawowych wad kolektorów pionowych można zaliczyć:
- rodzaj, moc i producent pompy ciepła
- rodzaj i długość kolektorów
Koszt zakupu samego urządzenia w zależności od mocy waha się w granicach od 20 000 do 50 000 zł. Do ceny urządzenia należy doliczyć instalacji kolektora. W przypadku droższego rozwiązania, zakładającego realizację odwiertów, wynosi on dla średniej wielkości nieruchomości ok. 15 000 – 25 000 zł. Sumaryczny koszt instalacji pompy ciepła w domu jednorodzinnym może zatem oscylować w granicach 70 000 – 80 000 zł. Rzecz jasna jest to więcej, aniżeli w przypadku pomp ciepła powietrze woda lub pomp ciepła powietrze powietrze i wielokrotnie więcej niż w przypadku tradycyjnych źródeł ciepła (np. kocioł gazowy). Przykładem producenta, specjalizującego się w produkcji gruntowych pompa ciepła jest skandynawski Nibe.
Sumaryczny koszt instalacji pompy ciepła może wynieść 70 000 – 80 000 zł. Od sezonowego zapotrzebowania na ciepło będzie zależeć, jak długo będzie amortyzowała się inwestycja.
Amortyzacja inwestycji w gruntową pompę ciepła
Należy pamiętać, że wyższy koszt początkowy może przełożyć się na oszczędności wynikające z miesięcznych rachunków za ogrzewanie. Pompa ciepła gruntowa jest zwykle dużo bardziej wydajna niż pompy powietrzne. Koszty użytkowania takiej pompy będą w zasadzie minimalne. To, kiedy nastąpi zwrot inwestycji początkowej powinieneś obliczyć sam na podstawie:
- konkretnego zapotrzebowania na ciepło Twojego budynku
- ostatecznego kosztu inwestycji w instalację urządzenia
- poziomu możliwego do uzyskania dofinansowania do pompy ciepła
Pamiętaj, że przy obliczeniu amortyzacji może pomóc Ci przedstawiciel firmy, która oferuje montaż takich instalacji. Nie powinieneś mu jednak bezgranicznie ufać. W jego interesie będzie przestawienie Ci najbardziej optymistycznego scenariusza, który niekoniecznie zawsze się sprawdzi. Warto zweryfikować otrzymane obliczenia samodzielnie, a udział instalatora ograniczyć do przedstawienia szczegółowego kosztu inwestycji.
Ile prądu zużywa pompa ciepła gruntowa?
Zapotrzebowanie na ciepło
Statystyki podają, że aktualne średnie zapotrzebowanie na ciepło w polskim domu to aż 140 kWh/m2 na rok. Przepisy unijne już od 2014 roku nakładają obowiązek ograniczenia zapotrzebowania dla nowych budynków do 70 kWh / m2 na rok. Trzeba zaznaczyć, że wg aktualnej charakterystyki, dom energooszczędny to taki, którego roczne zapotrzebowanie na ciepło mieści się w zakresie 30-70 kWh / m2. Dom niskoenergetyczny to taki, którego roczne zapotrzebowanie jest w zakresie 15 – 30 kWh / m2. Dla domów pasywnych roczne zapotrzebowanie na energię może wynosić maksymalnie 15 kWh / m2.
Prosty, ale skuteczny kalkulator zużycia energii uwzględniający m.in. standard energetyczny budynku, jak i jego powierzchnię użytkową możesz znaleźć na stronie Urzędu Miasta Bydgoszcz.
Instalacja hydrauliczna do pompy ciepła gruntowej
Podobnie jak w przypadku pompy ciepła powietrznej, pompa gruntowa działa efektywniej, jeśli woda w instalacji hydraulicznej nie musi być podgrzewana do bardzo wysokich temperatur. Oczywiście większość gruntowych pomp ciepła poradzi sobie z podgrzaniem wody do temperatury nawet 60-65 stopni, ale efektywność zużycia energii elektrycznej będzie niska. Pompy ciepła współpracują najbardziej wydajnie z instalacjami hydraulicznymi wyposażonymi w ogrzewanie podłogowe. Maksymalna temperatura wody w takich instalacjach to 40-45 stopni. W tym przypadku temperatura wody zużywanej na ogrzewanie domu będzie mogła być o wiele niższa od tej w zwykłych grzejnikach. To zaś przełoży się na oszczędności w zużyciu prądu przez urządzenie.
Zwróć uwagę, że niektóre pomieszczenia w domu powinny być ogrzewane do wyższych temperatur (np. łazienki do ok. 24 stopni). W przypadku tych pomieszczeń również staraj się nie instalować tradycyjnych grzejników. Uwagę powinieneś skierować na grzejniki o zwiększonej powierzchni grzania. Działają one efektywnie przy niższej temperaturze wody.
Efektywność kolektorów dolnego źródła ciepła
Zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła jest również zależne od rodzaju zastosowanych kolektorów. Przy wydajności kolektorów poziomych istotny jest rodzaj gruntu, w którym zostały zainstalowane. Najbardziej odpowiedni rodzaj gruntu to taki, który zawiera glinę i jest mocno nasączony. Tego rodzaju podłoże może przełożyć się na wydajność cieplną od 25 do nawet 40 W na m. Jeżeli grunt jest kruchy, sypki i słabiej zespolony to wydajność kolektora poziomego może spaść do poziomu poniżej 10 W na m.
W przypadku kolektorów pionowych rodzaj gruntu nie ma większego znaczenia. Struktura gruntu na głębokości 100 – 150 m jest podobna. Temperatura oscyluje tam w granicach od 0 do 10 stopni. Dzięki temu kolektor pionowy może działać z wysoką wydajnością. Podczas instalacji sond pionowych warto zadbać o poprawną jakość wykonania prac. Wykonawca powinien zadbać, by pomiędzy sondą a gruntem nie występowały puste przestrzenie. Powoduje to wytworzenie warstwy izolacyjnej między kolektorem a gruntem, co nie jest wskazane.