Dolne źródło jest naturalnym rezerwuarem energii, która może pochodzić z powietrza, wody lub z gruntu. W przypadku powietrznych pomp ciepła energia pochodzi z powietrza zewnętrznego i wraz z jego ochładzaniem, powietrzna pompa ciepła traci na sprawności (w szczególności spada realny współczynnik COP, który przy skrajnie niskich temperaturach może spaść do wartości bliskiej 1, czyli ogrzewanie realizowane będzie wyłącznie energią elektryczną).
W przypadku gruntowych pomp ciepła wykorzystywana jest naturalne ciepło ziemi (na głębokości poniżej 1,5 metra grunt nie przemarza, dzięki czemu gruntowa pompa ciepła osiąga wyższe sprawności od pompy powietrznej).
Tak więc podstawowa różnica między powietrzną i gruntową pompą ciepła sprowadza się do źródła pochodzenia ciepła służącego do ogrzewania czynnika roboczego w pompie.
W zależności od sposobu wykonania dolnego źródła mamy możliwość wyboru między wymiennikiem poziomym lub pionowym, które różnią się przede wszystkim powierzchnią miejsca niezbędnego na nieruchomości, wielkością budżetu oraz warunkami geologicznymi.
Ponieważ energia geotermalna w przeciwieństwie do innych odnawialnych źródeł energii, jest dostępna przez całą dobę w każdych warunkach pogodowych, dlatego ma ona zdecydowaną przewagę nad energią wiatrową i słoneczną. Jednocześnie energetyka geotermalna nie emituje gazów cieplarnianych, jest wyjątkowo niskoemisyjna i posiada wysoką sprawność.
Gruntowa pompa ciepła pobiera ciepło w górnych warstw gruntu, gdzie temperatury utrzymują się na w miarę stałym poziomie od 7 do 8°C przez cały rok (na 100 metrach sięgają one nawet ponad 10°C). Ciepło to jest następnie przetwarzane w ciepło do ogrzewania domu za pośrednictwem czynnika roboczego.
Środkiem roboczym krążącym w rurach wymiennika gruntowego jest solanka, czyli ciecz posiadająca takie właściwości aby była odporna na mróz, dobrze pochłaniała ciepło otoczenia z gruntu i transportowała je do pompy ciepła za pośrednictwem systemu rur ułożonych w gruncie (pod ziemią).
Ciepło zawarte w solance przekazywane jest przez wymiennik ciepła do czynnika chłodniczego krążącego w rurach pompy ciepła. Czynnik ten przechodzi w stan gazowy w parowniku, a następnie jest sprężany w sprężarce, zwiększając zarówno ciśnienie, jak i temperaturę, podobnie jak to jest w powietrznej pompie ciepła.
Tak więc gruntowa pompa ciepła działa podobnie jak pompa powietrzna z tą różnicą, że nie mamy do czynienia z ujemnymi temperami powierza, co znacząco podnosi efektywność takiego rozwiązania.
Planując wykonanie dolnego źródła w gruntowej pompie ciepła musimy zwrócić na szereg elementów podczas takiej inwestycji, w szczególności:
-> sprawdzić wielkość zapotrzebowania na energię cieplną (ogrzewanie nieruchomości i ogrzewanie ciepłej wody),
W przypadku gruntowych pomp ciepła możemy przyjąć do obliczeń stosunkowo wysoki współczynnik COP, który może osiągać wartości 4 – 5 w szerokim zakresie występowania temperatur zewnętrznych. Jest to możliwe w związku z w miarę stabilnymi parametrami energii pochodzącej z gruntu.
-> obliczyć zapotrzebowanie na energię i wielkość dolnego źródła (uwzględniając warunki geologiczne)
Jeśli niezbędna moc pompy ciepła wynosi 10 kW, to przy współczynniku COP wynoszącym 5 musimy przewidzieć zabudowę dolnego źródła o mocy 8 kW (pompa wykorzystująca moc energii elektrycznej 2 kW, przy współczynniku COP 5 da nam moc cieplną 10 kW. W przypadku wymienników pionowych typowe uzyski energii dla różnych rodzajów gruntów wynoszą:
> Żwir i piasek suchy: 20 – 30 W/m (bardzo niska wydajność)
> Żwir i piasek wilgotny: 50 – 60 W/m
> Gliny, iły wilgotne: 50 – 60 W/m
> Piasek, żwir z wodą gruntową: 60 – 70 W/m (bardzo wysoka wydajność)
-> wybrać technologię wykonania dolnego źródła (pionowe lub poziome) uwzględniając ,
W zależności od charakterystyki gruntu i rodzaju wymiennika (poziomy, pionowy), możemy uzyskać różne wielkości mocy wymiennika z metra zastosowanej rury (od 10 – 70 W/m). Przy czym wymienniki poziome dają możliwość osiągnięcia 20 – 40 W/m, natomiast wymienniki pionowe pozwalają na osiągnięcie uzysku w wysokości 30 – 60 W/m. Co jest równie ważne, to wymienniki poziome wymagają stosunkowo dużej powierzchni działki oraz występują ograniczenia w zakresie zagospodarowania terenu znajdującego się nad rurami wymiennika ciepła (brak możliwość wykonywania nasadzeń w miejscu montażu wymiennika). Głębokość posadowienia rur wymiennika min 1,5 metra, co odpowiada głębokości poniżej strefy zamarzania.
-> dopasować parametry wymiennika (średnica i długość rur HDPE, liczba sond lub kolektorów),
Aby uzyskać określoną moc dolnego źródła musimy obliczyć liczbę sond (kolektorów) oraz długość rur wymiennika. Jednym z kluczowych parametrów, które musimy określić podczas obliczeń jest współczynnik tarcia solanki w rurach HDPE, do czego pomocnym będzie diagram Moody’ego.
Warunkiem pojawienia się przepływu turbulentnego jest osiągnięcie wartości liczby Reynoldsa nie mniejszej niż 2500 (w pełni przepływ turbulentny występuje przy Re > 4000).
Przepływ laminarny jest dopuszczalny w przypadku rurociągów poziomych, czemu towarzyszy mniejszy spadek ciśnienia.
Jeśli moc dolnego źródła ma wynosić 8 kW i charakterystyka gruntu daje nam możliwość uzysku 30 W/m, to długość rur wymiennika wyniesie 267 m. Biorąc pod uwagę fakt, że w praktyce stosuje się sondy nie przekraczające długość 100 m (z uwagi na wymagania proceduralne przy dłuższych odwiertach), to dla naszego budynku zastosujemy 2 sondy o długości 70 – 80 metrów.
Rury i kształtki zastosowane do wykonania dolnego źródła powinny spełniać następujące normy:
> EN 12201-1:2011, Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do zaopatrzenia w wodę oraz do odprowadzania i kanalizacji pod ciśnieniem – Polietylen (PE) – Część 1: Ogólne,
> EN 12201-2, Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do zaopatrzenia w wodę oraz do odprowadzania i kanalizacji pod ciśnieniem – Polietylen (PE) – Część 2: Rury,
> EN 12201-3, Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do zaopatrzenia w wodę oraz do odprowadzania i kanalizacji pod ciśnieniem – Polietylen (PE) – Część 3: Kształtki,
> EN 12201-5, Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do zaopatrzenia w wodę oraz do odprowadzania i kanalizacji pod ciśnieniem – Polietylen (PE) – Część 5: Przydatność systemu do zamierzonego celu.
-> dobrać wielkość rozdzielacza (średnica, liczba króćców)
W zależności od liczby sekcji (sond) wymiennika dolnego źródła musimy dopasować wykonanie kolektora (rozdzielacza), który ma zapewnić turbulentny przepływ występującej w nim solanki. Dlatego jeśli mamy 2 sekcje o średnicy DN40, wtedy musimy dobrać taką średnicę kolektora, aby zachować właściwe parametry jego pracy (zapewnić przepływ turbulentny solanki dla wymienników pionowych). Należy wziąć pod uwagę fakt, że w układzie obiegowym solanki musi ona cały czas krążyć w dolnym źródle i przepływ musi spełniać określone warunki (szybkość przepływu oraz parametry takie jak mieszanie się strumienia solanki). Niewłaściwy przepływ solanki będzie prowadził do pogorszenia skuteczności wymiany ciepła między gruntem i solanką.
-> ustalić miejsce montażu kolektora (wewnętrzne, zewnętrzne)
Kolektor (rozdzielacz) wraz z orurowaniem wymiennika dolnego źródła może być umieszczony w specjalnej studni zlokalizowanej na zewnątrz budynku lub można przewidzieć jego zabudowę wewnątrz budynku. W pierwszym przypadku ze studni będą wyprowadzone tylko rury kolektora (rozdzielacza) do budynku, natomiast w drugim przypadku kolektor (rozdzielacz) będzie zabudowany w budynku i do budynku muszą zostać wprowadzone rury wszystkich sekcji dolnego źródła (w przypadku poziomych wymienników liczba sekcji może wynosić 5 i więcej).
-> dobrać parametry solanki (mieszanka wody i glikolu propylenowego)
Zwykle jako solankę stosuje się glikol propylenowy, który ma dobre właściwości przewodnictwa cieplnego oraz co jest niezwykle ważne, jest neutralny dla środowiska (nie jest niebezpieczny w przypadku rozszczelnienia układu dolnego źródła). Jednocześnie glikol propylenowy ma stosunkowo wysoką lepkość i wymaga przeprowadzenia bardzo skrupulatnych obliczeń parametrów dolnego źródła, aby zagwarantować turubulentny jego przepływ w dolnym źródle. Tylko wtedy, gdy mamy zapewniony przepływ turbulentny solanki występuje właściwa wymiana ciepła między gruntem a wymiennikiem dolnego źródła. Najczęściej stosuje się mieszaninę o stężeniu ok. 33 %, co daje odporność na mróz co najmniej -15°C, przy czym różne mieszanki glikolu mają następujące parametry temperaturowe::
> 10% glikolu: temperatura zamarzania -3°C do -4°C
> 20% glikolu::temperatura zamarzania -7°C do -9°C
> 30% glikolu: temperatura zamarzania -13°C do -16°C
> 40% glikolu::temperatura zamarzania -20°C do -23°C
> 50% glikolu::temperatura zamarzania -33°C do -37°C
> 60% glikolu: zamarza w ok. -48°C do -55°C
Poniższy kalkulator umożliwia przeprowadzenie obliczeń parametrów pracy dolnego źródła w zależności od rodzaju wymiennika dolnego źródła ciepła:
-> przeprowadzić montaż dolnego źródła
W przypadku wymienników pionowych niezbędne jest zastosowanie rur HDPE posiadających charakterystykę RC (crack resistance) co oznacza, że mają one podwyższoną odporność na powstawanie mikropęknięć na powierzchni rury. Jest to niezbędne podczas wprowadzania sondy do gruntu (zwykle w tym przypadku stosuje się rury o zwiększonej grubości ścianek SDR11). W przypadku wymienników poziomych rury nie muszą posiadać takich właściwości i mogą mieć nieco mniejsze grubości ścianek ((zwykle stosuje się SDR17 lub SDR13,6). Zarówno rury posiadające SDR11, jak i SDR 17, SDR 13,6 posiadają parametry wystarczające do przenoszenia ciśnień występujących w okładać dolnego źródła (ciśnienie robocze wynoszące min. 10 bar), przy czym zwykle w układach dolnego źródła ciśnienie robocze nie przekracza wartości 4 – 5 bara. Ponadto przy układaniu rur wymiennika dolnego źródła należy unikać dużych zagięć rur, z uwagi na ryzyko ich przyspieszonego uszkodzenia (płynący w nich glikol będzie wpływał na ścieranie się ścianek wymiennika, szczególnie na łukach wymiennika). Natomiast otwór wymiennika pionowego (sondy gruntowej) wypełnia się specjalną mieszanką (termocementem lub zawiesiną bentonitową).
-> przeprowadzić prace rozruchowe dolnego źródła
W pierwszej kolejności po zakończeniu zalewania układu solanką należy cały układ odpowietrzyć, tak aby w obiegu nie występowały bąbelki powietrza. Ponadto z uwagi na dosyć wymagające reżim utrzymywania parametrów pracy okładu dolnego źródła zaleca się stosowanie przepływomierzy, zabudowanych na każdej sekcji dolnego źródła. Są one niezbędne z uwagi na konieczność zapewnienia stabilnego przepływu na wszystkich sekcjach (aby utrzymywać podobne pracy wszystkich sekcji), oraz dodatkowo aby kontrolować parametry przepływu solanki (zalecanie parametry to 1,0 – 1,2 m/s (2,5 – 3,0 lity na minutę na każdy kW energii cieplnej pompy). Źle odpowietrzony lub pracujący przy niewłaściwych parametrach układ może pracować nieprawidłowo i dodatkowo może prowadzić do nadmiernego zużycia elementów dolnego źródła lub do degradacji solanki.
Na zakończenie prac wykonawczych należy przeprowadzić testy i badania instalacji zgodnie z wymaganiami opisanymi w normie PN-EN 17522 „Projektowanie i budowa otworowych wymienników ciepła wypełnianych zasypką i cementowanych”
Tak więc montaż gruntowych pomp ciepła wymaga zdecydowanie większej wiedzy i przygotowania w porównaniu do powietrznych pomp ciepła, ale dla klienta końcowego jest zdecydowanie lepszym rozwiązaniem, nawet pomimo zdecydowanie wyższych kosztów inwestycji. Biorąc pod uwagę zdecydowanie większe oszczędności energii elektrycznej podczas pracy gruntowej pompy ciepła, pomimo wyższych kosztów inwestycji, mogą się one zwrócić dużo szybciej niż w przypadku powietrznej pompy ciepła.
Przy tej okazji warto wspomnieć, że gruntowe pompy ciepła pracują na niższych parametrach temperaturowych, dlatego najlepiej nadają się do instalacji grzewczych wykorzystujących systemy ogrzewania podłogowego (w górnym źródle energii, czyli w instalacji grzewczej domu mieszkalnego lub innej nieruchomości).
