Chociaż o pompach ciepła mówi się, że to „płytka geotermia”, warto zaznaczyć, że  ciepło w gruncie pochodzi głównie z energii słonecznej, która promieniuje na powierzchnię Ziemi. Grunt jest magazynem tej energii i kompensuje zmienność natężenia jej promieniowania. Jak podaje Polska Organizacja Technologii Pomp Ciepła, w zależności od lokalnych warunków z gruntu można pozyskać od 10 W (z gruntu suchego) do 40 W mocy cieplnej (z gruntu bardzo wilgotnego) na 1 m2 powierzchni gruntu w najzimniejszych dniach roku. Jak widać, również energia, która niesiona jest przez przepływającą czy infiltrującą wodę, jest istotna i zarówno od jej ilości, jak i temperatury zależy, jaki uzysk energetyczny z gruntu możemy osiągnąć.

Pobieranie rozsądnych ilości ciepła z gruntu nie powoduje szkód, ponieważ jest on „regenerowany” w lecie, dzięki intensywnemu promieniowaniu słonecznemu i ciepłu dostarczanemu przez powietrze i deszcz. Jakkolwiek w przypadku dolnych źródeł ciepła ich odpowiednie zwymiarowanie ma kluczowe znaczenie, ponieważ nadmierna eksploatacja gruntu może doprowadzić do jego wychłodzenia. Instalacja nie może być ani za mała – aby grunt nie przemarzał, ani za duża – aby nie była niepotrzebnie zbyt kosztowna.

Dla pomp ciepła wyróżniamy trzy systemy eksploatacji ciepła z gruntu:

Poziomy gruntowy wymiennik ciepła

Poziomy gruntowy wymiennik ciepła (poziomy GWC) realizowany jest przez zakopanie rurowych przewodów w gruncie, poniżej warstwy zamarzającej. W zależności od lokalnej średniej temperatury zewnętrznej, głębokość ta zazwyczaj waha się od 0,8 do 1,6 m p.p.g. Czynnikiem, który przetłaczany jest przez przewody z tworzywa sztucznego, jest solanka – najczęściej mieszanina wody i glikolu – odbiera ona z gruntu energię, która jest w nim zmagazynowana i oddaje pompie ciepła. Zastosowanie glikolu zabezpiecza przed zamarzaniem czynnika i zapewnia ochronę do -15°C. Pętla układana jest w gruncie bez stosowania połączeń.

Jeśli mielibyśmy do czynienia z niepoprawnie zaprojektowanym poziomym gruntowym wymiennikiem ciepła, problemem może stać się wysadzanie gruntu na mrozie. Przestrzegając zasad rozprowadzania przewodów rurowych i nie przekraczając dopuszczalnego poboru ciepła, zapobiega się znaczącemu wysadzaniu gruntu. Wystąpienie wysadziny jest zawsze sygnałem, że przekroczono dopuszczalny poziom poboru ciepła z gruntu, tj. że zaprojektowane źródło jest za małe. Jest to rzecz szczególnie istotna w krajach o zimnym klimacie, takich jak Polska. Znaczenie ma również rodzaj gleby, w którym kolektor poziomy jest instalowany – np. muł sprzyja powstawaniu wysadzin. Ich minimalizowanie jest konieczne, aby zapobiec stratom wydajności i możliwym szkodom w fundamentach budynku, w ogrodzie itd. Idealnymi gruntami pod instalację poziomego kolektora są grunty wilgotne i ilaste.

Przy doborze poziomego GWC znaczenie mają:

– przewodność cieplna gruntu,

– temperatura gruntu,

– jednostkowy pobór energii z gruntu,

– lokalny klimat,

– moc chłodnicza pompy ciepła,

– roczne obciążenie energetyczne.

Poprawny projekt uwzględnia również odpowiednie odstępy pomiędzy przewodami rurowymi – generalnie jest to co najmniej 0,7–0,8 m – oraz ograniczoną długość pojedynczej pętli przewodu rurowego, co pozwala uniknąć zbyt dużych strat ciśnienia. Niemniej ważne jest i samo wykonanie instalacji – jej odpowiednie napełnienie przez instalatora, wykonanie próby szczelności oraz jej odpowietrzanie, przede wszystkim na początku pracy, w nowo założonych systemach.

Pionowy gruntowy wymiennik ciepła

Sondy gruntowe (pionowe gruntowe wymienniki ciepła – pionowe GWC) można wykonywać zarówno w twardej skale, jak i w miękkim gruncie. Technika stosowana podczas wiercenia jest taka sama, jak w przypadku studni głębinowych. Głębokość odwiertu do instalacji solankowej wynosi od 40 do 200 m. W miarę możliwości próbuje się nie przekraczać głębokości 100 m dla pojedynczego odwiertu, ponieważ poniżej tej głębokości wymagane są dodatkowe pozwolenia na wiercenie (poza obszarami górniczymi, gdzie obowiązują jeszcze inne przepisy).

W miarę możliwości należy unikać złączy usytuowanych w gruncie i korzystać z materiałów antykorozyjnych, które odporne są np. na wysokozmineralizowaną wodę. Złącza, których nie udało się uniknąć, muszą być zgrzane i poddane próbie ciśnieniowej, która potwierdzi ich szczelność, a co za tym idzie, szczelność całego wymiennika pionowego.

Pionowy Gruntowy Wymiennik Ciepła

Podobnie jak poziome, pionowe GWC są zwykle systemami pośrednimi – przewody z tworzywa sztucznego w kształcie U-rurek (pojedynczych lub podwójnych) napełnione solanką są opuszczane do wcześniej przygotowanego odwiertu. Później odwiert jest wypełniany, najczęściej mieszaniną cementowo-bentonitową, w sposób dokładny, bez pozostawiania jakichkolwiek szczelin, które wpływałyby na obniżenie przewodności cieplnej gruntu i mniejsze uzyski ciepła. Solanka przygotowana jest w taki sam sposób, jak w przypadku kolektora poziomego. Średnio, z typowego gruntu, pobór mocy na 1 m bieżący odwiertu wynosi 40 W. W gruntach z dużym natężeniem przepływu wody gruntowej z 1 m bieżącego odwiertu można uzyskać pobór nawet do 100 W.

Wymiarowanie dolnego źródła powinna przeprowadzić doświadczona firma wiertnicza. Jego dokładność mocno zależy od warunków geologicznych i hydrogeologicznych, które zazwyczaj nie są znane instalatorowi systemu ogrzewania.

Ważnymi parametrami przy wymiarowaniu odwiertów są:

– pobór energii,

– średnia temperatura skały,

– przewodność cieplna skały,

– odległość od powierzchni do poziomu wody gruntowej.

Gnejs i granit charakteryzują się szczególnie dobrą przewodnością cieplną i są najczęściej spotykanymi rodzajami skały na północy Europy, zaraz obok wapienia. Z punktu widzenia kosztów wiercenia bardzo istotna jest znajomość grubości warstwy gruntu nad skałą macierzystą. Wiercenie przez nią jest o wiele bardziej kosztowne niż przez litą skałę, dlatego że wymaga zabezpieczenia odwiertu rurą osłonową, aby się nie zapadł.

Rozmieszczenie sond pionowych należy zaplanować jeszcze staranniej, gdyż oprócz zachowania odpowiedniej odległości, należy uwzględnić też kierunek przepływu wody gruntowej. Sondy należy umieścić wzdłuż frontu przepływu wody tak, aby nie dopuścić do sytuacji, w której ochłodzona woda ze strefy pierwszego odwiertu przedostaje się w pobliże drugiego. Wykonanie instalacji – zapewnienie szczelności, jej napełnienie i odpowietrzenie – jest tak samo ważne jak w przypadku wymiennika poziomego.

Woda gruntowa

Mniej popularnym, ale możliwym, sposobem odbioru energii z gruntu jest bezpośrednie przetłaczanie wody gruntowej przez parownik pompy ciepła lub przez pośredni wymiennik ciepła, w którym woda oddaje ciepło najpierw do solanki. Wodę gruntową pobiera się ze studni czerpalnej, a następnie zawraca do gruntu drugą studnią – zrzutową, która usytuowana jest za pompą ciepła. Zaletą tej technologii jest to, że woda gruntowa utrzymuje wyższą temperaturę, co skutkuje wyższą mocą i lepszym wskaźnikiem efektywności pracy pompy ciepła. Jeśli dysponuje się wodą gruntową o wystarczającej ilości oraz jakości, która usytuowana jest na rozsądnej głębokości, takie źródło ciepła jest szczególnie dobre, jeśli chodzi o charakterystyki termiczne. Dostępność wody musi być jednak duża i niezmienna, poziom wodonośny musi być stabilny. Im niższa temperatura wody gruntowej, tym więcej jej potrzebujemy, aby uzyskać oczekiwaną ilość ciepła i moc. Źródło wody nie może zawierać zanieczyszczeń, które powodowałyby korozję i powinno cechować się niską zawartością żelaza i manganu, które mogą utleniać się w obecności powietrza i przyspieszać ryzyko zablokowania studni czerpalnej.

Podsumowanie

We wszystkich trzech systemach tak samo ważny jest poprawny projekt, który uwzględni zarówno zapotrzebowanie na ciepło, jak i możliwości jego odbioru z gruntu czy z wody. Inwestycja w dolne źródło to inwestycja droga, warto jednak zadbać nie tylko o jej poprawne zaplanowanie, ale i o odpowiednie wykonanie, co pozwoli nam spokojnie cieszyć się ciepłem domowego ogniska w mroźne, zimowe dni.

Opracowanie na podstawie materiałów EHPA/PORT PC.

Katarzyna Cieplińska

Redaktor GLOBEnergia