Dolne źródła ciepła

Dolnym źródłem ciepła dla pompy ciepła może być grunt, powietrze albo woda. To klasyczne rozwiązania. Coraz częściej jednak wykorzystywane są alternatywne źródła ciepła.

 

 

Powietrze jako dolne źródło ciepła

 

 

Powietrze zewnętrzne

Pompę ciepła typu powietrze-woda można umieścić wewnątrz budynku, na zewnątrz lub w wersji split – zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz. Zajmuje bardzo mało miejsca w budynku i / lub na nieruchomości.

W pompie ciepła zamontowanej na zewnątrz cała jednostka znajduje się w ogrodzie właściciela domu. Pompę taką należy usytuować przy zachowaniu pewnych minimalnych odległości do budynku i granicy działki. Rozwiązanie to stosunkowo często wybierają właściciele modernizowanych budynków, w których nie ma możliwości dokonania zmian strukturalnych.

W przypadku pomp ciepła typu split jedna część pompy ciepła znajduje się poza domem, a druga wewnątrz budynku. To rozwiązanie jest odpowiednie zarówno dla starszych, jak i nowych budynków. Cieszy się coraz większą popularnością, ponieważ jest stosunkowo tanie, nadaje się również do wyższej temperatury zasilania (grzejniki) i oferuje funkcję chłodzenia latem.

Pompy ciepła powietrze-woda pracują szczególnie efektywnie, gdy temperatura zewnętrzna jest nie niższa niż 5oC. Ale także, gdy spada ona poniżej zera, można je wykorzystywać do ogrzewania pomieszczeń lub przygotowania ciepłej wody. Dopóki temperatura zewnętrzna jest wyższa niż temperatura wrzenia zastosowanego czynnika chłodniczego, system może bowiem dostarczać ciepło.

W porównaniu z pompami gruntowymi, pompy ciepła powietrze-woda działają jednak trochę mniej efektywnie w zimie, gdy zapotrzebowanie na ogrzewanie jest największe i potrzeba więcej energii napędowej. W zamian za to koszty inwestycji w pompy ciepła powietrze-woda są niższe niż w pompy gruntowe i nie jest potrzebne dodatkowe miejsce na działce.

 

Powietrze wyrzutowe

Podobnie jak woda gruntowa i grunt, powietrze wyrzutowe jest źródłem ciepła dostępnym przez cały rok na niezmiennie wysokim poziomie temperatury. Pompy ciepła powietrza wyrzutowego wykorzystują energię cieplną absorbowaną przez powietrze w pomieszczeniu, w którym znajduje się system dystrybucji ciepła (grzejniki, systemy ogrzewania powierzchniowego), ale także ciepło generowane przez oświetlenie, urządzenia elektryczne lub ludzi. Zwykle traci się je podczas otwierania okien. Jeśli w budynku znajduje się system kontrolowanej wentylacji, również można zastosować pompy ciepła z odzyskiem ciepła z powietrza wyrzutowego. Ponadto występuje proporcjonalne zużycie energii z powietrza zewnętrznego, ponieważ temperatura wychodzącego powietrza wylotowego jest średnio niższa niż temperatura powietrza zewnętrznego wpływającego do budynku.

Jeśli jedynym sterowanym źródłem ciepła jest system kontrolowanej wentylacji domowej oraz pompa ciepła z odzyskiem ciepła z powietrza (wyrzutowego) wywiewanego, budynek powinien mieć szczególnie wysoki standard efektywności energetycznej. Może to być dom pasywny lub niskoenergetyczny.

 

Grunt jako dolne źródło ciepła

 

 

Energia geotermalna

Używając energii geotermalnej, w tym energii geotermalnej płytkiej, wykorzystuje się ciepło zmagazynowane w ziemi oraz naturalny poziom temperatury w gruncie. Zależy on od warunków klimatycznych i geologicznych. Różnica temperatury między źródłem ciepła a temperaturą zasilania podgrzewacza jest wówczas mała nawet w zimie, co pozwala na bardzo efektywną pracę pompy ciepła. Dostępne są dwa różne systemy źródła ciepła: pionowe sondy gruntowe lub poziome kolektory gruntowe. Oba systemy należą do tzw. systemów zamkniętych.

 

Skąd pochodzi energia geotermalna?

 

 

Energia zgromadzona w gruncie pochodzi z różnych źródeł. Płynne jądro naszej planety ma temperaturę około 6000°C – energia ta jest reliktem fazy formowania Ziemi i pochodzi z niewyobrażalnych ilości energii, które przyczyniły się do powstania naszego układu słonecznego. Naturalny rozpad pierwiastków promieniotwórczych w jądrze Ziemi również powoduje powstawanie ciepła w ilości niewyczerpalnej dla ludzkich potrzeb. W wyniku przewodzenia ciepła, ale także przepływu gazów i cieczy, ciepło to przenika na powierzchnię. W sumie Ziemia traci około 2,5-krotności światowych potrzeb energetycznych ludzkości codziennie. Ponadto dostępna jest energia promieniowania słonecznego o średniej mocy 180 W / m2, co jest około 5000 razy więcej niż światowe zapotrzebowanie na energię.

Do głębokości około 15-20 m temperatura wód gruntowych różni się w zależności od temperatury zewnętrznej, poniżej jest ona niezależna od temperatury powietrza. Temperatura gruntu wzrasta średnio o około 2-3°C na każde 100 m głębokości.

 

Jak korzystać z energii geotermalnej?

Kolektory geotermalne, czyli poziome gruntowe wymienniki ciepła
Sondy geotermalne, czyli pionowe gruntowe wymienniki ciepła

Energię geotermalną można podzielić na energię geotermalną płytką (do 400 m głębokości) i głęboką. Tę z płytkiej powierzchni można wykorzystać za pomocą pompy ciepła:

• w systemie zamkniętym (wykonując kolektory geotermalne albo sondy geotermalne);
• w systemie otwartym (stosując układ dwóch studni wodnych).

 

Kolektory poziome

Kolektory poziome to system rur układanych pod ziemią, podobnie jak układ ogrzewania podłogowego w budynku. Znajduje się on poniżej granicy przemarzania, na głębokości około 1-1,5 m poniżej powierzchni gruntu lub trawnika. Wielkość obszaru pod zabudowę kolektora zależy głównie od wielkości i standardu budynku, który będziemy ogrzewać i deszczowej przepuszczalności gleby. Zwykle obszar ten zajmuje od 1,5 do 2 powierzchni ogrzewanej budynku.

Obszar powyżej kolektora nie może być uszczelniony, czyli pokryty asfaltem czy kostką brukową. Chodzi o to, aby grunt mógł uzupełnić zapas energii przez oddziaływanie słońca i przepływ wody deszczowej. Nie należy tam również sadzić głęboko ukorzenionych roślin, takich jak drzewa, ponieważ mogą uszkodzić system rur.

W przeciwieństwie do sond pionowych, wykonanie kolektorów poziomych nie wymaga zgłoszenia do właściwego urzędu. Ponadto kolektory poziome są tańsze niż sondy. Są więc dobrą alternatywą, jeśli wykonanie sond nie jest możliwe.

 

Sondy gruntowe

W sondach gruntowych, wykonanych zwykle z rur z tworzywa sztucznego (np. PE), które tworzą obieg zamknięty, krąży ciecz niskokrzepliwa, najczęściej wodny roztwór glikolu. Absorbuje ona ciepło z dolnego źródła i transportuje je do pompy ciepła. Pobrana energia dopływa do środowiska poprzez procesy konwekcji (transport ciepła przez płynącą wodę gruntową) i przewodzenie (przekazywanie ciepła z cieplejszego do zimnego w zależności od przewodności cieplnej skały). Ponieważ na głębokości 15-20 m temperatura jest prawie stała przez cały rok i wynosi około 10°C niezależnie od sezonu, sonda geotermalna jest szczególnie skuteczna zimą w niskiej temperaturze zewnętrznej i bardzo dobrze nadaje się do pracy monowalentnej (bez pracy grzałki elektrycznej). Niezbędna długość sondy, a tym samym głębokość otworu, zależy od zapotrzebowania budynku na ciepło i przewodności cieplnej gruntu. W przeciętnym, małym domu jednorodzinnym jest to około 100 m. Latem sondy geotermalne są idealne do realizacji chłodzenia pasywnego.

Głębokie sondy geotermalne, które wykorzystują energię z głębokości większej niż 400 m, stosuje się do ogrzewania całych dzielnic i okolic. W niektórych przypadkach generują one nawet energię elektryczną. Źródłem ciepła są wody termalne na dużej głębokości lub potencjał energetyczny skał. Jednak wykorzystanie tych zasobów jest technicznie znacznie bardziej złożone niż w geotermalnej energii płytkiej i zasadniczo dotyczy dużych projektów.

Wykorzystanie energii geotermalnej jest energooszczędne i przyjazne dla klimatu. Zasoby energii zmagazynowanej w ziemi stale się odnawiają dzięki energii promieniowania słonecznego oraz dzięki ciepłu pochodzącemu z jądra Ziemi. Dzięki pompie ciepła energię tę można wykorzystać we własnym domu. Żaden inny system grzewczy nie przynosi tak wielu korzyści:

1. Najwyższy komfort ogrzewania i chłodzenia
2. Źródło energii na własnej posesji
3. Energia geotermalna jest przyjazna dla klimatu i ogranicza emisję dwutlenku węgla
4. Wartość dodana pozostaje w regionie
5. Inwestując w sondę gruntową jako źródła ciepła, możemy mieć pewność, że nawet nasze wnuki będą jej używać
6. Energia geotermalna jest czysta i cicha
7. Energia geotermalna jest dostępna niemal wszędzie i jest niewyczerpana

Wykorzystanie energii geotermalnej to wyrafinowane technologie, dlatego wykonaniem robót musi się zająć doświadczona firma.

 

Woda jako dolne źródło ciepła

 

 

Wody gruntowe

Nawet w najzimniejsze dni temperatura wód gruntowych jest stała i wynosi około 10°C, co pozwala na niezwykle efektywną pracę pompy ciepła. Jeśli woda gruntowa jest dostępna w wystarczającej ilości, ma odpowiednią temperaturę i jakość oraz nie występuje zbyt głęboko, to z powodzeniem można ją wykorzystać jako źródło ciepła dla pompy ciepła woda-woda.

W układzie tym woda jest pompowana na powierzchnię ze studni czerpalnej z pompą głębinową. Pompa ciepła pobiera z wody część energii cieplnej. Po schłodzeniu woda wraca do podziemnego zasobu wód podziemnych przez studzienkę zrzutową. Efektywność takich instalacji jest wysoka dzięki stałej temperaturze źródła.

Przy wykorzystaniu tej technologii latem można w sposób energooszczędny pasywnie chłodzić dom. Pompa ciepła wówczas nie pracuje. Odprowadzanie ciepła z budynku zapewnia pompa obiegowa. Dzięki jej pracy trafia ono przez studnię zrzutową do wody gruntowej. Pozwala to na schłodzenie budynku o kilka stopni.

Wykorzystanie wód podziemnych jako źródła ciepła podlega zatwierdzeniu w ramach tzw. operatu geologicznego, a pozwolenie trzeba uzyskać od lokalnych władz. Ze względu na stosunkowo wysokie nakłady związane z projektowaniem i poszukiwaniem – w przypadku pozyskiwania wiedzy na temat warunków hydrogeologicznych i hydrochemicznych, które są kluczowe – oraz ze względu na stosunkowo duży udział energii pomocniczej w pompie wodnej, wykorzystanie ogrzewania z wód podziemnych jest opłacalne szczególnie w przypadku większych obiektów o wysokim zapotrzebowaniu na ogrzewanie i chłodzenie.

Oprócz klasycznych źródeł ciepła, czyli geotermii, wód gruntowych i powietrza, do pracy pomp ciepła coraz częściej wykorzystuje się alternatywne źródła ciepła.

 

Zbiorniki lodowe jako dolne źródło

 

 

Zbiorniki lodu zakopuje się w ziemi. Mają one postać betonowej cysterny, do której doprowadzone są rury. Przepływa przez nie ciecz mrozoodporna, która wydobywa ciepło z wody w zbiorniku. Nawet jeśli temperatura wody spadnie poniżej zera, system może nadal oddawać energię.

W trakcie procesu zamrażania, podczas którego temperatura wody jest stała na poziomie 0°C, uwalniane jest tzw. ciepło krystalizacji. Energia uwalniająca wodę w tej fazie jest ogromna. Korzystając z ciepła, które woda wydziela podczas procesu zamrażania, można by ogrzać taką samą ilość wody od 0 do 80°C.

Zbiornik ciepła zasobnika lodu jest stale ładowany przez prosty system solarny umieszczony na dachu. Również z ziemi magazyn jest stale ogrzewany. Oprócz ogrzewania budynku i podgrzewania wody użytkowej przez cały rok, system szczególnie dobrze nadaje się do chłodzenia budynku latem. W tym celu ciepło z wnętrza budynku przechowuje się w zbiorniku, a następnie ponownie udostępnia się je do celów grzewczych.

 

 

Ścieki jako dolne źródło

 

Temperatura ścieków w ciągu roku wynosi od 10 do 20°C, jest to więc doskonałe źródło ciepła. Ponieważ latem temperatura ścieków jest niższa niż temperatura powietrza zewnętrznego, a zimą znacznie wyższa, można je wykorzystywać zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia. Poprzez wymiennik ciepła ścieki oddadzą energię, która zostanie następnie wykorzystana przez pompę ciepła.

Warunki są szczególnie korzystne, gdy w pobliżu dużych kanałów ściekowych lub oczyszczalni ścieków znajdują się budynki o dużym zapotrzebowaniu na ciepło, takie jak budynki użyteczności publicznej, budynki handlowe lub osiedla mieszkaniowe. Ze względu na stale wysoką temperaturę ścieków, system jest szczególnie efektywny. Wymienniki ciepła można instalować np. podczas budowy nowego kanału ściekowego lub podczas renowacji.