Gruntowe pompy ciepła w dylematach inwestorów

Z racji wykonywanej pracy (dział techniczny pomp ciepła) i codziennemu kontaktowi z klientami, zarówno potencjalnymi inwestorami, jak i instalatorami mam swoisty przegląd problemów i pytań jakie najczęściej nurtują te dwie grupy. Tym razem więc proponuję pokazanie tematu gruntowych pomp ciepła od strony aspektów, o które najczęściej pytają inwestorzy. Mam nadzieję, że artykuł ten posłuży głównie instalatorom, zapewni argumenty w rozmowach z inwestorami, da wskazówki do właściwej interpretacji działania instalacji z gruntowymi pompami ciepła.

Rynek gruntowych pomp ciepła w Polsce

W ostatnich latach sprzedaż pomp ciepła w Polsce systematycznie rośnie. Największe wzrosty są obserwowane w pompach odbierających ciepło z powietrza zewnętrznego, jednak należy zauważyć, że cały czas pod względem liczby sprzedawanych pomp ciepła do ogrzewania budynków to właśnie pompy gruntowe przeważają. Jest to rezultat większej stabilności pracy w ciągu całego roku, ale również  przekonania o niezawodności samego urządzenia – wynikającej z długości czasu pracy urządzeń w rzeczywistych instalacjach (pompy gruntowe powszechnie są stosowane w Polsce od 20-30 lat, powietrzne ok. 10-15 lat).

(Dane: PORT PC)

Koszty ogrzewania domu

Porównując koszty eksploatacji pompy ciepła z innymi urządzeniami grzewczymi musimy zawsze  rozpatrywać je poprzez pryzmat zapotrzebowania na ciepło budynku oraz temperatury zasilania instalacji grzewczej (ogrzewanie podłogowe w całym budynku czy łączone z grzejnikami).
Poniższe porównanie pokazuje, że koszt ogrzewania pompą ciepła zależy od sezonowego współczynnika efektywności osiągniętego przez urządzenie pracujące w konkretnej, przykładowej instalacji. Wyższy sezonowy współczynnik efektywności zostanie osiągnięty dla instalacji z temperaturą zasilania instalacji grzewczej o niskim parametrze (max. 30-35°C) przy zewnętrznej temperaturze powietrza -20°C, automatycznej pracy z wykorzystaniem krzywych grzania oraz z prawidłowo zbudowaną instalacją grzewczą i dolnym źródłem (możliwie małe opory przepływu, relatywnie wysoka temperatura uzyskiwana z gruntu – zastosowane raczej wymienniki pionowe, grunt dobrze przewodzący ciepło).

Niestety koszty inwestycji są największym problemem gruntowych pomp ciepła. Statystycznie inwestycja jest droższa nawet 2 razy  w porównaniu do innych źródeł grzewczych (również w porównaniu do powietrznych pomp ciepła). Wynika ona głównie z pracochłonnej i drogiej technologii wykonania dolnego źródła, często przekraczającego wartościowo samą pompę ciepła.

Pompa powietrzna czy gruntowa

Sama decyzja zależy od inwestora i oczekiwanych rezultatów i należy ją rozpatrywać w kilku aspektach. Głównym elementem skłaniającym do gruntowej pompy jest zdecydowanie wyższa efektywność chłodzenia w okresie letnim, co przyspiesza czas zwrotu dolnego źródła.

Dolne źródło

Najbardziej popularnymi układami są wymienniki poziome i pionowe. Oczywiście istnieją również rozwiązania pośrednie (np. wymienniki koszowe).
Z punktu widzenia efektywności pracy urządzenia lepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie wymiennika pionowego ze względu na relatywnie wyższe temperatury otrzymywane w skali sezonu grzewczego. Wymaga on jednak poniesienia wysokich kosztów odwiertów. Przed wykonaniem wiercenia warto uszczegółowić kontrakt z firmą wiertniczą odnośnie wypełnienia odwiertów masą bentonitową polepszającą przewodność z gruntu do glikolu oraz uniemożliwiającą przemieszczanie się wody gruntowej w inne warstwy geologiczne. Należy zwrócić uwagę również na lokalne aspekty prawne odwiertów – np. w gminie Muszyna zostały one zakazane.
Osoby zainteresowane wykonaniem dolnego źródła odsyłam do „Wytycznych projektowych PORT PC: Dolne źródła ciepła”, gdzie można znaleźć wszystkie niezbędne wskazówki i współczynniki techniczne w celu poprawnego obliczenia wymiennika.

Instalacja – z buforem czy  bez?

Moc grzewcza gruntowych pomp ciepła jest dużo bardziej stabilna niż pomp wykorzystujących ciepło z powietrza. Wynika to oczywiście ze stabilności temperaturowej dolnego źródła. Jednakże budynek w okresach przejściowych (wiosna i jesień) potrzebuje mniejszą moc cieplną niż znamionowa pompy ciepła – w przypadku urządzeń stałej mocy występować może pulsacyjna praca urządzenia, co bardzo skraca jej żywotność. Istnieją więc dwa rozwiązania – zastosowanie bufora zwiększającego zład wody grzewczej i wydłużającego czas pracy pompy ciepła w jednym cyklu do przynajmniej 10-15 min. w okresach przejściowych lub zastosowanie sprężarki z modulowaną mocą grzewczą (tzw. sprężarki inwerterowej).

Coraz częściej producenci jako standard w swoich urządzeniach stosują sprężarki inwerterowe, co pozwala jednocześnie na obniżenie kosztów instalacji. Oczywiście praca bez bufora wiąże się jeszcze z innymi wymogami instalacji – przez skraplacz musi przepływać odpowiednia ilość wody grzewczej (stąd ilość równolegle podpiętych pętli w ogrzewaniu podłogowym musi być wyliczona w taki sposób, aby przepływ przez pompę ciepła był co najmniej znamionowy).

Pompa ciepła i fotowoltaika

Pompa ciepła jako urządzenie pobierające do swojej pracy energię elektryczną może współpracować z instalacją fotowoltaiczną. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest wspólna praca w systemie on-grid z wykorzystaniem net meteringu. Użytkownik oddaje nadwyżki latem do swojego dostawcy energii elektrycznej, natomiast zimą odbiera wcześniej oddaną energię elektryczną opłacając wyłącznie opłatę przesyłową i koszty stałe.  Drugim rozwiązaniem jest praca pompy ciepła w układzie magazynowania ciepła, gdy mamy odpowiedni uzysk energii z instalacji fotowoltaicznej. Przy odpowiedniej mocy energii elektrycznej wysyłany jest sygnał do pompy ciepła, aby wytwarzała energię cieplną. Oczywiście pompa ciepła musi być wpięta również do sieci energetycznej dla okresów, gdy nie ma odpowiedniej mocy z ogniw fotowoltaicznych. Współpraca pompy ciepła z instalacją fotowoltaiczną jest zwłaszcza opłacalna dla układów chłodzenia, ponieważ na bieżąco wykorzystujemy energię elektryczną do wytworzenia chłodu.

Pompa gruntowa i kolektory słoneczne

Gruntowe pompy ciepła często są również wykorzystywane do współpracy z kolektorami słonecznymi. Współpraca ta może opierać się na kilku poziomach:

1)      W okresie letnim bateria kolektorów słonecznych podgrzewa wodę użytkową, a nadwyżka jest skierowana do regeneracji dolnego źródła. Takie zastosowanie jest możliwe wyłącznie w przypadku dolnego źródła wykonanego w skałach. Jeśli wysoką temperaturę glikolu podgrzanego przez kolektory słoneczne wpuścilibyśmy bezpośrednio do gruntu wilgotnego spowodowalibyśmy jego osuszenie, co powodowałoby zmniejszenie o 30-50% współczynnika przenikania ciepła gruntu (najlepszy do przewodzenia jest grunt zwarty i wilgotny). To rozwiązanie jest stosowane np. w krajach skandynawskich, gdzie odwierty są wykonywane często w skałach.

2)      Kolektory słoneczne podgrzewają wodę użytkową lub łącznie – wodę użytkową oraz wspomaganie ogrzewania budynku. Dolne źródło w trakcie całego sezonu jest mniej eksploatowane (ważne: dla poprawnej pracy dolnego źródła nie patrzymy wyłącznie na współczynnik przewodzenia ciepła danego gruntu, ale również na ilość energii pobranej z gruntu w ciągu całego sezonu i jego regenerację). W tym przypadku można pokusić się o zrobienie korekty na długość wymiennika dolnego źródła lub liczyć na wyższą efektywność całoroczną instalacji z pompą ciepła ze względu na mniejsze wychłodzenie dolnego źródła.

3)      Układ tzw. „ogrzewanie lodem” który był opisywany w jednym z poprzednich numerów InstalReportera. Kolektory słoneczne dostarczają ciepło niskotemperaturowe do bufora wielkości kilku m³ i doprowadzają do roztopienia najczęściej wody, która skrystalizowała się na skutek odbioru ciepła poprzez pompę ciepła.

4)      Kolektory słoneczne podgrzewają bufor, z którego następnie ciepło poprzez wymiennik jest czerpane do instalacji grzewczej. Jeśli temperatura w buforze nie spełnia wymaganej temperatury włącza się pompa ciepła, która schładza bufor do niższej temperatury, wydłużając czas pracy i efektywność kolektorów słonecznych. W takim przypadku zawsze trzeba zastosować dodatkowe źródło ciepła typu automatycznego.

Jako przykład instalacji można podać hotel „Dom turysty” w Sanoku, gdzie zastosowano 100 kolektorów słonecznych, pompę ciepła gruntową do schładzania buforów z energią uzyskaną z kolektorów słonecznych i kocioł gazowy na dogrzewanie instalacji w okresach zachmurzenia.

Pompa gruntowa ogrzewająca basen

W przypadku instalacji, które mają za zadanie łączne ogrzanie kilku odbiorników ciepła (np. domu, wody użytkowej i basenu) należy zwrócić uwagę na wielkość sezonowego zużycia energii cieplnej każdego odbiornika oraz szczytową moc grzewczą wszystkich odbiorników. W przypadku powietrznych pomp ciepła wystarczy, że zwracamy uwagę wyłącznie na moc szczytową odbiorników ciepła. Sytuacja jest szczególnie trudna dla pomp gruntowych w przypadku basenów sezonowych, które użytkownik chciałby ogrzewać tą samą pompą co w sezonie zimowym budynek. W tym przypadku dolne źródło nie ma możliwości się zregenerować, co może doprowadzić do jego całkowitego zmrożenia i wyłączenia z pracy.

Najczęstsze problemy, czyli na co zwrócić uwagę

1. Źle dobrana pompa ciepła do mocy budynku. Instalator lub projektant musi wybrać odpowiednią moc urządzenia dla parametrów wynikających z instalacji. Bardzo często spotykałem się z faktem doboru pompy ciepła do budynku, gdzie zupełnie pomijano kwestie temperatury zasilania instalacji lub średniej temperatury uzyskiwanej z dolnego źródła (moc grzewcza pompy ciepła podana dla ogrzewania podłogowego była porównywana z zapotrzebowaniem na moc grzewczą budynku w przypadku, gdy rzeczywiście zainstalowane w nim były grzejniki – skutkowało to niedoborem mocy grzewczej w okresach niskiej temperatury).
2. Źle dobrane i wykonane dolne źródło ciepła. Jest to jeden z najdroższych elementów całej instalacji, dlatego warto korzystać ze sprawdzonych firm wykonawczych. Odwierty powinny mieć wypełnienie i być odpowiednio wyliczone w stosunku do zapotrzebowania na energię cieplną oraz współczynnika przewodności gruntu.
3. Brak przeliczenia dolnego źródła na ilość rocznie pobieranej energii cieplnej – przykład: inwestor po pewnym czasie, będąc zadowolony z pracy pompy ciepła do ogrzewania budynku w okresie zimowym, postanowił zakupić basen ogrodowy używany w okresie poza grzewczym. Zlecił on hydraulikowi rozdzielenie ogrzewania, tak żeby w lecie ogrzewać wodę użytkową i basen. Już w pierwszym sezonie grzewczym pojawiły się błędy ciśnienia oraz niskiej temperatury zasilania z gruntu (wymiennik przez całe lato był eksploatowany). Ostatecznie wymiennik przed końcem sezonu zimowego uległ zmrożeniu. Czas samoczynnego rozmrożenia wymiennika może potrwać nawet kilka lat.
4. Instalacja grzewcza budynku jest nieprzemyślana lub niedostosowana do pompy ciepła. Należy unikać wysokiej temperatury produkowanej w pompie ciepła. Jeśli już taką musimy produkować (np. woda użytkowa) należy starać robić się to rozłącznie i szybko (pompa ciepła przesterowuje się na wodę użytkową zaprzestając w tym czasie ogrzewanie budynku. Po nagrzaniu wody użytkowej wraca na niższą temperaturę zasilania instalacji grzewczej.). Błędem jest stosowanie zasobników typu zbiornik w zbiorniku lub tzw. podgrzewczy przepływowych. Brak dostosowania się do tych wskazań będzie skutkowało znacznie podwyższonymi kosztami rocznymi.

W powyższym artykule starałem się opisać najczęstsze pytania dotyczące pomp ciepła, które codziennie zadają mi osoby zainteresowane zainstalowaniem u siebie pompy ciepła. Jeśli jest jeszcze jakieś pytanie, na które tutaj nie padała odpowiedź – proszę o wiadomość mailową: szymon.piwowarczyk@hewalex.pl Wszystkie zdjęcia i grafiki pochodzą ze zbiorów szkoleniowych firmy Hewalex.