Pompy ciepła – grunt jako dolne źródło ciepła

W tekście przedstawiono wymagania prawne, które należy spełnić przed instalacją pompy ciepła. Opisano zasady wyboru rodzaju kolektora, przedstawiono elementy układu pompy znajdującego się w budynku i jej sterowanie. Artykuł wskazuje także czynniki, które należy brać pod uwagę przy analizie kosztów zastosowania pompy ciepła.

Zgodnie z art. 29 ust. 2 pkt 16 ustawy z 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (tekst jedn.: Dz.U. z 2013 r. poz.1409 – aktualizowany na bieżąco tekst ustawy jest dostępny na stronie Głównego Urzędu Nadzoru Budowlanego www.gunb.gov.pl) na wykonanie montażu pompy ciepła o mocy do 40 kW nie potrzeba pozwolenia na budowę. Natomiast zgodnie z art. 30 ust. 1 pkt 1 niezbędne jest zgłoszenie tego typu robót w starostwie. Wprawdzie w ustawie Prawo budowlane o tym nie ma mowy, jednak należy pamiętać, że jeżeli pionowe kolektory dolnego źródła miałyby sięgać poniżej 30 metrów w stosunku do powierzchni terenu, to tego typu prace podlegają ustawie z 9 czerwca 2011 r. Prawo geologiczne i górnicze (Dz.U. z 2015 r. poz. 196, 1272, 1505, z 2016 r. poz. 266, 542, 544, 566). Zgodnie z art. 3 ustawy tej nie stosuje się do wykonywania wykopów oraz otworów wiertniczych o głębokości do 30 m, jeżeli są wykonywane w celu wykorzystania ciepła ziemi. Przepis ten nie dotyczy obszarów górniczych. Wykonywanie głębszych otworów wiertniczych w celu umieszczania w nich pionowych gruntowych wymienników ciepła jest tzw. robotą geologiczną podlegającą Prawu geologicznemu i górniczemu i wymaga odpowiedniego zgłoszenia w starostwie.

Dla wykorzystania energii z gruntu można zastosować jeden z trzech rodzajów kolektorów. Mogą to być kolektory płaskie lub spiralne albo pionowe.

Kolektor płaski składa się z rur PE o średnicy jednego cala, układanych w wykopie o głębokości ok. 1,5 m, czyli poniżej strefy przemarzania, ale nie głębiej niż 2 m. Jest to zwykle kilka odcinków rur o łącznej długości ok. 100 m. Rury układa się w odstępach od 0,5 do 0,8 m. W zależności od rodzaju gleby z jednego metra kwadratowego gruntu można uzyskać od 10 do 40 W. Gliniasty i wilgotny grunt oddaje więcej ciepła niż suchy piaszczysty. Stąd przy założeniu, że do ogrzewania domu potrzeba ok. 50 W/m², kolektor płaski powinien zajmować powierzchnię 1,5 do 5 razy większą niż powierzchnia domu. Dlatego zastosowanie kolektora płaskiego jest możliwe wtedy, gdy dysponuje się dużą powierzchnią terenu. W przypadku gruntu piaszczystego dla domu o powierzchni 200 m² potrzeba ok. 800 m² terenu. Kolektor spiralny wymaga takiej samej powierzchni działki, jak kolektor płaski, gdyż odległości między rowami nie powinny być mniejsze niż 3 m, a rury układa się spiralnie w wykopie o szerokości co najmniej 80 cm.

W przypadku ograniczonej ilości miejsca niezbędne jest zainstalowanie kolektora pionowego. Do odwiertów o głębokości od 30 do 150 m (uwaga – konieczne jest zezwolenie) wkłada się rury zgięte w kształcie litery U. Z jednego metra odwiertu można uzyskiwać 30 ÷ 100 W energii cieplnej.Odległość między odwiertami nie powinna być mniejsza niż 5 m.

Oprócz „dolnego źródła” pozostałe elementy pompy ciepła umieszczane są w budynku. Poszczególne elementy mogą być rozmieszczone oddzielnie albo, jako rozwiązanie kompaktowe, stanowić wyposażenie sporej szafy (rys. 1.). Układ wyposażany jest w sterownik pozwalający na odpowiednie programowanie pompy i dostosowanie jej do konkretnych potrzeb.

W wersji przedstawionej na rysunku 1. w jednej obudowie znajduje się kompletne urządzenie grzewcze zapewniające ciepło dla celów CO (centralnego ogrzewania) i przygotowanie CWU (ciepłej wody dla celów użytkowych, np. w łazience) oraz sprężarka. Przykładowy zestaw pompy ciepła składa się z:

- zasobnika CWU z płaszczem wodnym o pojemności 165 dm3,

- sprężarki,

- centrali sterującej,

- panelu sterowania,

- trójstopniowego dogrzewacza elektrycznego 9kW (3 x 3kW),

- pomp obiegowych dolnego i górnego źródła,

- trójdrogowego zaworu przełączającego pomiędzy CO a CWU,

- zabezpieczeń elektrycznych dla sprężarki i dogrzewacza,

- czujnika zewnętrznego,

- naczynia wyrównawczego instalacji dolnego źródła ciepła o pojemności 5 dm3.

Zestaw taki może mieć moc cieplną 6, 7, 9 lub 11 kW. Innym rozwiązaniem jest umieszczenie zbiornika CWU oddzielnie, dzięki czemu szafka samej pompy może mieć mniejsze wymiary. Schemat działania pompy ciepła czerpiącej energię cieplną z ziemi ilustruje rys. 2.

Rys. 1. Schemat działania pompy ciepła, z lewej część „chłodna”, z prawej „ciepła”: 1 – sprężarka, 2 – skraplacz, 3 – zawór rozprężny, 4 – parownik (wymiennik ciepła dolnego źródła), 5 – dolne źródło gruntowe, 6 – pompa obiegowa dolnego źródła, 7 – górne źródło, 8 – pompa obiegowa górnego

Najczęściej stosowanym układem jest sterowanie oparte na współpracy z czujnikiem temperatury umieszczonym na zewnętrznej ścianie budynku i współpracującym ze sterownikiem pompy. Czujnik ten umożliwia automatyczne dostosowywanie wydajności układu do temperatury otoczenia. Innym rozwiązaniem jest układ wzbogacony o dodatkowy czujnik umieszczony wewnątrz budynku i mierzący także temperaturę w pomieszczeniu, w którym się znajduje. W obu systemach możliwe jest programowanie temperatury wewnętrznej, np. obniżanie jej o kilka stopni na czas dłuższej nieobecności domowników. Układ z dodatkowym wewnętrznym pomiarem temperatury należy stosować wtedy, gdy w pokoju jest kominek lub inne dodatkowe źródło ciepła. Należy przy tym liczyć się z faktem, że pomiar temperatury wewnętrznej w jednym z pokojów wpłynie na ogrzewanie wszystkich pozostałych pomieszczeń.

Nie w każdej sytuacji pompa ciepła jest w stanie zapewnić odpowiednią do potrzeb ilość energii cieplnej. Z tego względu stosuje się układy, w których pompa współpracuje z panelami słonecznymi lub z kotłem centralnego ogrzewania opalanym węglem, olejem opałowym lub gazem.

Również energia elektryczna wytwarzana w panelach FV może stanowić źródło zasilania dla urządzeń wchodzących w skład systemu pompy cieplnej i wymagających zasilania energią elektryczną (pompy, grzejniki elektryczne itp.). Ponadto energia wytworzona w panelach FV i zgromadzona w akumulatorach może służyć do rezerwowego zasilania elektrycznych elementów pompy w przypadku zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej.

Analizy kosztów zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych przedstawiane przez różne firmy różnią się w szczegółach, ale generalnie pompa ciepła jest zawsze droższa na etapie inwestycji od konwencjonalnej kotłowni, natomiast charakteryzują ją niskie koszty eksploatacyjne. Pompa ciepła o mocy 7÷10 kW dla domu o powierzchni 200 m² kosztuje ok. 35.000 zł. W zależności od rodzaju systemu na wykonanie dolnego źródła należy dodać od 10.000 do 25.000 zł. Koszt pozostałych części tzw. węzła (pompy obiegowe, armatura instalacyjna) wraz z montażem wynosi ok. 2.000 zł i jest porównywalny z analogicznymi kosztami tego typu aparatury instalowanej przy ogrzewaniu gazowym. Natomiast piec gazowy dla tej wielkości budynku kosztuje 4.000–5.000 złotych.

Tryb pracy pompy ciepła ma znaczący wpływ na efektywność instalacji:

• ·      monowalentny –tylko pompa cieplna – polecany jest przy wykorzystaniu ciepła gruntu i wody gruntowej,
• ·      monoenergetyczny –pompa cieplna jest wspomagana w szczególnie zimne dni przez grzałkę elektryczną – polecany jest przy wykorzystaniu powietrza jako dolnego źródła ciepła,
• biwalentny –oprócz pompy cieplnej w instalacji działa drugie źródło ciepła, np. kocioł c.o. lub kolektor słoneczny – w bardzo chłodne dni oba źródła ciepła pracują razem – polecany jest przy modernizacji istniejących instalacji grzewczych.

Przed wyborem jednego z wielu oferowanych rozwiązań należy zapoznać się z kalkulacjami przedstawianymi przez oferentów. Decyzję o instalacji pompy ciepła w nowym budynku należy podjąć już w fazie projektowania, w trakcie sporządzania projektu budowlanego. Pozwala to zaoszczędzić na niektórych rozwiązaniach budowlanych. Przykładowo pompa ciepła wspomagana tylko kolektorem słonecznym i zintegrowanymi z nią grzejnikami elektrycznymi bez instalowania kotła c.o. umożliwia rezygnację z budowy komina oraz pomieszczenia na skład opału lub zbiornika oleju lub gazu. Niestety, takie rozwiązanie, jak również inne nowoczesne systemy oparte na zasilaniu energią elektryczną, jest uzależnione od dostawy energii elektrycznej, co przy ostatnio nasilających się anomaliach pogodowych często jest zawodne i wymaga stosowania środków zaradczych. Przy stosowaniu pompy ciepła do ogrzewania pomieszczeń należy brać pod uwagę fakt, że najlepiej współpracuje ona z systemami niskotemperaturowymi, do jakich zalicza się ogrzewanie podłogowe. Decyzja na temat wyboru sposobu ogrzewania domu oraz przygotowywania CWU musi być poprzedzona dogłębną analizą wszystkich uwarunkowań, a przyjęte rozwiązania powinny być kompleksowe. Błędem jest poszukiwanie za wszelką cenę rozwiązań najtańszych. Bardzo niska cena powinna wzbudzać nieufność.