Gruntowe pompy ciepła – błędy montażowe

Motorem napędowym każdej pompy ciepła jest energia pobrana z naszego otoczenia poprzez dolne źródło ciepła. Obserwowany z roku na rok coraz większy wzrost instalacji z pompami ciepła, świadczy tylko o bardzo dużym potencjale, jaki tkwi w tym niekonwencjonalnym źródle energii.

Stabilną pozycję na rynku posiadają gruntowe pompy ciepła solanka/woda, które osiągnęły ją dzięki wysokiej wydajności urządzeń oraz stabilności uzyskiwanych parametrów cieplnych.

Fundamentalną rolę w działaniu pompy ciepła odgrywa dolne źródło ciepła, którym w przypadku pomp solanka/woda jest grunt. Ciepło przekazywane do dalszego obiegu pochodzi z promieniowania słonecznego oraz cieplnego wnętrza Ziemi. Moc pompy ciepła dobierana jest na podstawie obliczeniowego zapotrzebowania na ciepło, a do niej w następnej kolejności dobierane jest dolne źródło ciepła – jego rodzaj oraz wielkość.

W praktyce pobór energii geotermalnej odbywa się za pomocą systemów kolektorów w połączeniu,
z którymi dobrana pompa ciepła stanowi efektywny system grzewczy. Dobór dolnego źródła ciepła
w pierwszej kolejności odbywa się na podstawie uwarunkowań środowiskowych. Przeważa tutaj aspekt wielkości działki oraz rodzaj powierzchni terenu. W przypadku, kiedy działka jest o dużej powierzchni zalecany jest kolektor poziomy płaski natomiast, gdy powierzchnia jest mała a jednocześnie nierówna dobierane są odwierty pionowe.

Kolektor gruntowy poziomy składa się z pętli polietylenowych wypełnionych w środku glikolem. Układany on jest zazwyczaj na głębokości poniżej 120 cm tak, aby utrzymywana była stała temperatura gruntu. Wielkość kolektora poziomego a przy tym ilość jego pętli uzależniona jest od mocy pompy ciepła. Wadą tego rozwiązania jest fakt, że działka przeznaczona pod inwestycję musi mieć dużą powierzchnię. Przyjmuje się, że w przypadku pomp ciepła glikol/woda stosunek powierzchni użytkowej domu do powierzchni terenu przeznaczonej pod kolektor wynosi 1:4. Zatem jeżeli chcemy ogrzać dom o powierzchni użytkowej 150 m2, to pod dolne źródło ciepła musimy przeznaczyć ok. 600 m2 działki. Wyjątkiem w tym przypadku jest pompa ciepła Natea (bezpośrednie parowanie/bezpośrednie skraplanie), w której powierzchnia poziomego kolektora gruntowego będzie równa powierzchni użytkowej ogrzewanego budynku.

Drugą alternatywę do czerpania darmowej energii stanowią pionowe kolektory gruntowe w skład, których wchodzi jedna lub więcej sond pionowych wypełnionych glikolem. Głębokość odwiertu uzależniona jest rodzaju gruntu a ich ilość od mocy pompy ciepła. Zgodnie z Prawem Geologicznym i Górniczym odwierty wykonywane do 30 m nie wymagają pozwolenia oraz zgłoszenia, poniże tej głębokości istnieje wymóg projektu geologicznego. Wydłuża się przez to nie tylko czas realizacji inwestycji, ale i również wiąże się to z dodatkowym kosztem inwestycyjnym.

Istotne jest w przypadku wykonywania odwiertów pionowych odpowiednie ich rozmieszczenie a przy tym określenie ich głębokości. Energia pobierana z gruntu przez sondy pionowe odnawia się wolniej niż w przypadku kolektora poziomego. Stąd, aby nie dopuścić do wyczerpania tych zapasów sondy muszą być umieszczone w odstępach przynajmniej 10 m. Jeżeli odwiertów jest więcej niż 3 stosuje się zasadę, że każdy z nich nie może mieć w sąsiedztwie więcej niż dwa odwierty w promieniu 10 m od siebie.

W przeciwieństwie do kolektorów gruntowych poziomych odwierty pionowe wymagają mniej miejsca na działce, ale niestety dużą ich wadą są koszty inwestycyjne. Koszt wykonania jednego metra odwiertu waha się od 80 do 120 zł. W połączeniu z materiałami, pompą ciepła wychodzi suma, która z pewnością może odstraszyć inwestora.

Nie tylko odpowiednio dobrana moc pompy ciepła, ale i również dobrze zwymiarowane dolne źródło stanowi podstawę do efektywnego działania pompy ciepła. To od rodzaju materiału oraz prawidłowego wypełnienia odwiertu zależy przekazywanie ciepła do cieczy znajdującej się w dolnym źródle. Niestety bardzo często stosowaną obecnie praktyką jest wypełnienie odwiertu pionowego urobkiem uprzednio wydobytym. Jest to bardzo duży błąd, gdyż materiał ten nie gwarantuje dobrego wypełnienia oraz odpowiedniego kontaktu termicznego gruntu z sondą zwłaszcza, gdy budowa geologiczna danego regionu wskazuje na obecność twardych oraz sztywnych warstw. Po wypełnieniu odwiertu następnym krokiem jest wyciągnięcie rur osłonowych oraz uzupełnienie odwiertu wypełniaczem. Jeden odwiert wykonany na głębokości 100 m może zaspokoić potrzeby grzewcze od ok. 2 kW (suchy piasek) do ok. 7 kW (granit lub gneiss). Różnica jest spora a przede wszystkim zwraca uwagę na to jak bardzo można się pomylić przy wymiarowaniu dolnego źródła ciepła.

Przypadki błędnego zwymiarowania dolnego źródła ciepła zdarzają się coraz częściej, czego efektem końcowym jest zamrożenie dolnego źródła ciepła. Sytuacja ta miała miejsce przy ogrzewaniu budynku, do którego dobrana została pompa ciepła o mocy 10 kW zasilana przez trzy odwierty pionowe o głębokości 70 m każdy. W drugim okresie grzewczym użytkowania pompy sprężarka chodziła w sposób ciągły przez kilka dni. Doprowadziło to do gwałtownego wzrostu ciśnienia roztworu glikolu a następnie do wyrzutu ok. 1,5 l tego czynnika do zbiornika zrzutowego na ciecz niezamarzającą. Stało się tak, dlatego, że temperatura glikolu wychodzącego z dolnego źródła ciepła była poniżej - 3° C, natomiast temperatura czynnika niezamarzającego podawana z pompy wynosiła poniżej -7° C. Doszło wówczas do zamarznięcia wody znajdującej się w przestrzeni pomiędzy gruntem a wymiennikiem. Lód ma większą objętość w stosunku do wody, przez co może doprowadzić do miejscowego zgniecenia rury a w konsekwencji do zgniecenia wymiennika.
Normalną rzeczą jest zmiana temperatury dolnego źródła nie tylko w trakcie sezonu grzewczego,
ale i w całym okresie eksploatacji. Różnice w temperaturach dolnego źródła ciepła będą na pewno widoczne w okresie zimowym, gdzie znacznie rośnie zapotrzebowanie na ciepło. Najwyższa temperatura będzie odnotowana na początku sezonu grzewczego, a najniższa oczywiście na koniec. Dodatkowo zauważalna będzie tendencja spadkowa temperatury w kolejnych latach eksploatacji. Trzeba mieć na uwadze, że grunt przy odwiertach pionowych nie odnawia się tak jak przy kolektorze poziomym. W trakcie jego eksploatacji będzie następowało sukcesywne jego ochładzanie stąd spadek temperatur. Największa różnica zauważalna będzie w drugim roku eksploatacji (spadek rzędu kilku °C). W latach późniejszych spadki temperatury będą, co raz mniejsze, ale niestety będzie się to przekładało na efektywność pompy ciepła, czyli wyższe, choć nieznaczne koszty eksploatacji.

Każdy popełniony błąd na etapie projektu, oceny zapotrzebowania na ciepło, oceny geologicznej, wykonania i wypełnienia odwiertu, doboru mocy pompy ciepła, itd. przyczynia się do mało efektywnej pracy całego systemu grzewczego. Niezadowolenie inwestora oraz wadliwa instalacja z pompą ciepła nie jest pochlebne dla instalatora. Aby jednak ustrzec się tych błędów należy bardzo dokładnie przeanalizować wszystkie uwarunkowania a dopiero później zaprojektować dobrze działający a zarazem efektywny system grzewczy. Wszystkie te czynności firma Dumarch-Went wykonuje bezpłatnie ponosząc przy tym pełną odpowiedzialność za wykonaną pracę.

Opracował:
Dumarch-Went