Odnawialne źródła energii, a gruntowa pompa ciepła

Powietrze, woda, ziemia oraz ogień… Cztery potężne żywioły, które stanowią odnawialne źródła energii, a zarazem są coraz częściej wykorzystywane w instalacjach grzewczych i chłodniczych. Jednym z najbardziej popularnych obecnie urządzeń, które wykorzystuje dobrodziejstwa takich energię jest pompa ciepła i chyba nie muszę dodawać, że to właśnie tym tematem zajmiemy się w niniejszym artykule. 🙂

Ale nie wszystko naraz… Chciałbym abyśmy przeanalizowali tutaj energię geotermalną, czyli energią pochodzącą z wnętrza ziemi, która zaraz po powietrzu jest najczęściej wykorzystywana w Polsce. Oczywiście prześledzimy sobie tutaj bardzo dokładnie możliwości wykorzystania takiej energii na przykładzie konkretnych rozwiązań.

Kiedy mówimy o tym jak ważne są odnawialne źródła energii, w zdecydowanej większości przypadków od razu przechodzimy do tematów związanych ze zmianami klimatycznymi, rosnącymi cenami prądu czy też spodziewanymi brakami gazu. Oczywiście podobnych rzeczy moglibyśmy wymienić zdecydowanie więcej, jednak chciałbym, abyśmy nie na tym się teraz skupili. Tak jak wspomniałem na samym początku chciałbym, abyśmy wspólnie przeanalizowali jak można wykorzystać odnawialne źródła energii na przykładzie pompy ciepła.

Pompa ciepła i dolne źródło

Zasada działania pompy ciepła, która często jest określana mianem standardowej jest bardzo prosta. Wykorzystuje ona powietrze atmosferyczne, z którego pobiera energię, a następnie przekazuje ją np. do instalacji grzewczej. Oczywiście jest to możliwe dzięki odpowiednim przemianom termodynamicznym i więcej na ten temat możesz przeczytać tutaj.

Zatem jak łatwo się domyślić, kiedy większość osób mówi o standardowej pompie ciepła, tak naprawdę ma na myśli powietrzną pompę ciepła, a mówiąc bardziej precyzyjnie – pompę ciepła powietrze – woda. Ale oczywiście nie jest to jedyny typ takiego urządzenia. Zamiast wykorzystywać energię z powietrza, możemy wykorzystać ciepło zgromadzone w ziemi lub np. w wodach gruntowych, które również stanowią odnawialne źródła energii. Jest jeszcze coś takiego jak ciepło odpadowe, ale to już stanowi odrębny temat.

Oczywiście takie podejście do sprawy, wymusza na nas zastosowanie odpowiedniej instalacji po stronie dolnego źródła pompy ciepła. W przypadku pobierania energii z powietrza, w tej części systemu nie musieliśmy mieć żadnej, specjalnej instalacji hydraulicznej. Ciepłe powietrze było bezpośrednio zasysane do parownika, gdzie pompa ciepła pobierała z niego energię, a następnie wyrzucała je na zewnątrz. Natomiast w przypadku korzystania z energii geotermalnej, takie rozwiązanie jest oczywiście niemożliwe i w jakiś sposób, trzeba taką energię pobrać z ziemi, a następnie dostarczyć do urządzenia. 🙂

Co to jest solanka?

W tym celu stosuje się odrębną instalację hydrauliczną, składającą się z przewodów oraz niezbędnej armatury. Jaka to armatura? Przede wszystkim pompa, która zapewnia wymagany przepływ, zawory, manometry, itp. Co więcej, w takich przewodach stosuje się zazwyczaj czynnik, który jest jakże dumnie nazwany solankę. 🙂 Ale spokojnie… Tak naprawdę jest to woda zmieszana z czynnikiem przeciwzamarzającym, takim jak np. glikol etylenowy lub propylenowy.

Przykładowo, stosując wodę z glikolem etylenowym, którego zawartość w całym roztworze będzie wynosić 35% mamy pewność, że czynnik w instalacji nie zamarznie nawet w temperaturze -20°C. Oczywiście im stężenie glikolu będzie większe w całym roztworze, tym instalacja będzie mogła pracować w niższych temperaturach – pod warunkiem, że sama pompa ciepła również będzie mogła działać w takich warunkach. Z drugiej jednak strony, im wyższe będzie jego stężenie, tym większa będzie gęstość całego roztworu oraz większe będą opory. Dodatkowo wraz ze wzrostem zawartości glikolu w roztworze, obniża się jego zdolność do wymiany ciepła (glikol etylenowy posiada nieznacznie lepszą wymianę ciepła niż glikol propylenowy).

Energia geotermalna jako odnawialne źródła energii

Ok, skoro powiedzieliśmy sobie już co nieco na temat dolnego źródła ciepła oraz solanki, pora abyśmy przeszli do energii geotermalnej. Jak łatwo się domyślić, w tym przypadku instalacja dolnego źródła musi pobrać ciepło z wnętrza ziemi, a następnie przekazać je do parownika. Ale… dlaczego w ogóle ktokolwiek miałbym pobierać energię z wnętrza ziemi?

Już Ci spieszę z wytłumaczeniem. Po pierwsze, ziemia stanowi odnawialne źródła energii. Po drugie, ziemia jest bardzo stabilnym nośnikiem ciepła przez cały rok. Mam tutaj namyśli fakt, że temperatura ziemi, już na głębokości dwóch metrów utrzymuje się mniej więcej na równym poziomie przez 12 miesięcy i wynosi ona od +7°C do +12°C. Co więcej, wraz ze wzrostem głębokości, parametry te są jeszcze bardziej stabilne, ale więcej o tym będzie nieco później. Prawda, że fajnie? 🙂

No dobra, ale możesz się teraz jeszcze zastanawiać, w jaki dokładnie sposób możemy odebrać ciepło z ziemi, aby później przekazać je do parownika pompy ciepła. Możemy w tym celu wykorzystać, albo kolektory poziome, albo sondy pionowe. Oczywiście omówimy sobie teraz obydwie metody.

Kolektory poziome

Będę z Tobą szczery – nie ma tutaj większej filozofii. Kolektory poziome, które są wykorzystywane do odbioru ciepła z ziemi to nic innego jak… pętle ogrzewania podłogowego. 🙂 Umieszcza się je pod strefą przemarzania gruntu – zazwyczaj na głębokości ok. 1,5 m. Jeżeli chodzi o przewody, to ze względu na swoje właściwości najczęściej stosuje się tutaj rury z tworzywa sztucznego.

Zasada działania takiej instalacji jest bardzo prosta. Czynnik, który przepływa od parownika w kierunku kolektorów poziomych posiada na początku niską temperaturę. Następnie, ponieważ przewody układane są w gruncie, którego temperatura jest wyższa od temperatury solanki, pobiera ona z niego ciepło i tym samym jej temperatura zaczyna rosnąć. Na samym końcu, ogrzany czynnik ponownie trafia do parownika, gdzie oddaje energię pobraną z wnętrza ziemi.

A czy można zaprojektować kilka kolektorów poziomych podłączonych do jednego rozdzielacza hydraulicznego, tak jak ma to miejsce w przypadku standardowej instalacji ogrzewania podłogowego? Oczywiście, że tak! W takim celu, na zewnątrz należy zaprojektować tzw. studzienkę rozdzielaczową dolnego źródła. W takiej studni umieszcza się rozdzielacz, do którego następnie podłącza się poszczególne kolektory poziome. Dzięki temu, łączna powierzchnia efektywna wszystkich kolektorów będzie większa, a tym samym ilość pobranego ciepła z ziemi również się zwiększy.

Ciepło z ziemi do ogrzewania

No dobra, ale ile tak naprawdę ciepła jest wstanie oddać do instalacji grunt przy wykorzystaniu kolektorów poziomych? Oczywiście jest to zależne od jego budowy, niemniej jednak, szacunkowe wartości zostały przedstawione w poniższej tabeli[1]VDI 4640 Blatt 1, Thermal use of the underground – Fundamentals, approvals, environmental aspects, wydanie 10.2016.[2]VDI 4640 Blatt 2, Thermal use of the underground – Ground source heat pump systems, wydanie 06.2019..

Rodzaj podłożaWydajność [ W/m2 ]
Podłoże suche i piaszczyste15 – 20
Podłoże wilgotne i piaszczyste15 – 20
Podłoże suche i gliniaste20 – 25
Podłoże wilgotne i gliniaste25 – 30
Podłoże z obecnością wód gruntowych30 – 35

Projektowanie kolektorów poziomych

Chciałbym Ci tutaj jeszcze powiedzieć o kilku rzeczach, które należy uwzględnić podczas projektowania kolektorów poziomych. Po pierwsze, dobrą praktyką jest projektowanie poszczególnych pętli tak, aby długość każdego kolektora była w miarę równa. Dzięki temu instalacja będzie dużo łatwiejsza do zrównoważona. Po drugie, długość pojedynczej pętli nie powinna przekraczać ok. 120 metrów, aby jej opory nie były zbyt wysokie.

Jeżeli tylko interesują Cię konkretne obliczenia dotyczące doboru kolektorów poziomych w celu wykorzystania odnawialnych źródeł energii, zachęcam Cię do zapisania się na moją listę mailową, dzięki czemu będę mógł Ci je przesłać. Oczywiście jeżeli jesteś już na nią zapisany, to w ciągu najbliższych dni otrzymasz takie materiały. Jeżeli natomiast jeszcze się do niej nie zapisałeś to możesz to zrobić poniżej.

Pamiętaj, że lista ta służy mi tylko po to, aby dostarczyć Ci maksymalną ilość dodatkowej wiedzy i materiałów, których nie publikuję na stronie. Nie wysyłam na maila żadnych reklam, i nikomu nie udostępniam Twojego adresu e-mail więc możesz być o jego bezpieczeństwo całkowicie spokojny.

Sondy pionowe

Ok, skoro powiedzieliśmy już sobie co nieco na temat kolektorów poziomych, przejdźmy teraz do kolejnego sposobu wykorzystania odnawialnych źródeł energii, czyli do sond pionowych, które naturalnie posiadają zarówno swoje zalety jak i wady w odniesieniu do kolektorów poziomych.

Zacznijmy na początek od ich zalet. Przede wszystkim montaż sond pionowych jest możliwy nawet na niewielkiej powierzchni, dzięki czemu Inwestor nie potrzebuje tutaj tak dużej działki jak ma to miejsce w przypadku kolektorów poziomych. Po drugie, ponieważ sondy pionowe są lokalizowane na dużych głębokościach, które często sięgają nawet 100 metrów, warunki ich pracy są bardziej korzystne. Dlaczego? Ponieważ grunt zlokalizowany już na głębokości ok. 15 metrów pod powierzchnią ziemi posiada bardzo stabilne właściwości, które są niezmienne praktycznie przez cały rok, np. temperatura cały czas wynosi tutaj ok. +10°C.

No dobra, skoro powiedzieliśmy sobie o zaletach takiego rozwiązania, przyszła teraz pora, abyśmy zajęli się ich wadami. Są to przede wszystkim koszty. Cena montażu sond pionowych do wykorzystania energii geotermalnej jest znacznie wyższa niż w przypadku kolektorów poziomych. Związane jest to przede wszystkim z wysokim kosztem odwiertów, które są tutaj niezbędne. Dodatkowo, wykonanie sond pionowych często wymusza spełnienie kilku wymagań prawnych, które są związane z Prawem Geologicznym i Górniczym, ale tym tematem może zajmiemy się kiedy indziej.

Zasada działania i montaż sond pionowych

Przejdźmy teraz do samych sond pionowych, ich zasady działania oraz montażu. Jak już powiedziałem wcześniej, aby sondy mogły wykorzystywać odnawialne źródła energii pochodzące z dużych głębokości, wszystko musi się zacząć od odwiertów. Następnie, wprowadza się w nie specjalne przewody, które mogą mieć różne kształty. Najczęściej stosuje się rury przypominające swoim wyglądem literę “U” natomiast można jeszcze wykorzystać przewody o kształcie cylindra lub stożka, zwiększając jednocześnie powierzchnię efektywną wymiany ciepła.

Po wprowadzeniu przewodu do pojedynczego odwiertu, zalewa się go specjalnym materiałem wypełniającym, którego skład dobiera się indywidualnie, w zależności od potrzeb oraz rodzaju gruntu. Jednak bardzo ważny jest tutaj współczynnik przewodności cieplnej takiego materiału. Oczywiście im będzie on wyższy tym lepiej, bo dzięki temu instalacja odbierze więcej energii. A ile tej energii można szacunkowo przyjąć do obliczeń w odniesieniu do pojedynczego metra? Odpowiedź na to pytanie przedstawia poniższa tabela[3]VDI 4640 Blatt 1, Thermal use of the underground – Fundamentals, approvals, environmental aspects, wydanie 10.2016.[4]VDI 4640 Blatt 2, Thermal use of the underground – Ground source heat pump systems, wydanie 06.2019..

Rodzaj podłożaWydajność [ W/m ]
Podłoże suche i żwirowo - piaszczyste< 20
Podłoże wilgotne i żwirowo - piaszczyste55 – 65
Podłoże wilgotne i gliniaste30–40
Podłoże wapienne45 - 60
Podłoże z piaskowca55 - 65
Podłoże ze skał granitowych55 - 70
Podłoże ze skał bazaltowych35 - 55
Podłoże ze skał gnejsowych65 - 70

Oczywiście sama zasada działania sond pionowych jest niemalże identyczna jak ma to miejsce w przypadku kolektorów poziomych. Solanka, której początkowa temperatura jest niska przepływa przez ziemię, skąd pobiera ciepło i tym samym zaczyna się ogrzewać. Następnie czynnik grzewczy trafia do parownika, gdzie z kolei oddaje zgromadzoną wcześniej energię. Brzmi znajomo? 🙂

Ok, na zakończenie omawiania sond pionowych chciałbym zwrócić Ci tutaj uwagę na jedną, bardzo ważną rzecz, której nie można tutaj pominąć. Chodzi mi o właściwości stosowanego materiału dla przewodów. Zwróć uwagę, że sondy zalane solanką często sięgają głębokości 100 metrów. A co w związku z tym? Ciśnienie!

Jak zapewne doskonale wiesz, wraz ze wzrostem głębokości wzrasta ciśnienie. Każde 10 metrów zwiększa ciśnienie o jedną atmosferę. Zatem na głębokości 100 metrów, ciśnienie statyczne panujące w instalacji będzie wynosić co najmniej 10 bar. Oczywiście wymusza to na nas zastosowanie materiałów, które wytrzymają takie warunki.

Gruntowa pompa ciepła, a zmarzlina

Omawiając tematy związane z gruntową pompą ciepłą oraz odnawialnymi źródłami energii nie sposób przejść obojętnie obok tematu zmarzliny. Ale o co dokładnie tutaj chodzi?

Zauważ, że w momencie, kiedy pompa ciepła pobiera ciepło z gruntu, ziemia musi oddać swoją energię. Oczywiście taki jednorazowy proces praktycznie nie wpływa na warunki geotermalne ziemi, ale przecież krople drążą skałę latami… Wraz z upływem czasu, grunt może stawać się coraz chłodniejszy, a tym samym, coraz mniej ciepła może z niego pobierać instalacja dolnego źródła. Jaki tego może być efekt? Ano taki, że po dłuższym czasie sprawność instalacji dolnego źródła będzie znacznie mniejsza niż na samym początku.

Ale czy można się przed tym jakoś zabezpieczyć? W pewnym sensie tak, chociaż rozwiązanie, o którym zaraz Ci powiem nie eliminuje tego problemu, a jedynie go łagodzi. Ale co dokładnie mam tutaj na myśli? Mam na myśli wykorzystanie rewersyjnej pompy ciepła.

Rewersyjna pompa ciepła

Rewersyjna pompa ciepła to urządzenie, które może zarówno ogrzewać jak i chłodzić czynnik grzewczy. Oczywiście w zimie, kiedy gruntowa pompa ciepła pracuje w funkcji grzania, ciepło geotermalne jest pobierane, a następnie oddawane do górnego źródła ciepła. Ale zauważ jak taka instalacja może pracować w lecie.

Wyobraźmy sobie, że potrzebujemy schłodzić powietrze np. w centrali wentylacyjnej. Wówczas, gorąca solanka przepływa przez grunt, gdzie tym razem nie pobiera, ale oddaje do niego swoje ciepło, ponieważ jej temperatura jest wyższa. W takim przypadku, czynnik powracający, tym razem do skraplacza będzie miał niższą temperaturę niż na początku, dzięki czemu będzie można go wykorzystać w instalacji chłodniczej górnego źródła, ale przede wszystkim, grunt który w zimie był wychładzany jest teraz ogrzewany. Brzmi sensownie? 🙂

Zatem tak jak widzisz, problemowi zmarzliny można w pewnym sensie zaradzić, ale tak jak powiedziałem na początku – jest to tylko i wyłącznie łagodzenie objawów i nic więcej. Rozwiązanie takie niestety nie eliminuje problemu w stu procentach.

Podsumowanie

Zatem tak jak widzisz, odnawialne źródła energii mogą być wykorzystywane na różne sposoby, chociaż w tym artykule skupiliśmy się przede wszystkim na energii geotermalnej oraz na gruntowej pompie ciepła. Natomiast nic nie stoi na przeszkodzie, abyśmy również wykorzystywali w inny sposób energię wody czy słońca.

Pamiętaj tylko, że każde rozwiązanie powinno być dokładnie przemyślane. Z jednej strony, odnawialne źródła energii nic nas nie kosztują, ale tylko pozornie… Aby wykorzystać taki rodzaj energii musimy zainwestować w technologie czy urządzenia, które będą mogły go wykorzystać. Czasami koszty takich rozwiązań są znacznie wyższe niż zwrot z samej inwestycji. Do tego, niektóre rozwiązania niosą za sobą skutki uboczne, jak choćby nawet problem zmarzliny przy gruntowych pompach ciepła.

Dlatego na pytanie czy zawsze warto wykorzystywać odnawialne źródła energii, z całą stanowczością odpowiem – to zależy. W zdecydowanej większości przypadków, zazwyczaj systemy takie są bardziej przyjazne środowisku oraz nie wykorzystują minerałów, których ilość na ziemi jest ograniczona. Z drugiej strony, czasami koszty takich rozwiązań są znacznie wyższe niż cena jaką musimy zapłacić za tradycyjne technologie.

Zatem tutaj, wybór konkretnego systemu należy przede wszystkim do Inwestora i od jego woli czy preferencji. Aczkolwiek osobiście uważam, że naszym zadaniem jest powiedzieć mu o wszystkich zaletach jak i wadach danego rozwiązania. W końcu to my będziemy je dla niego projektować i dobrze by było, jakby osoba taka była świadoma najważniejszych rzeczy. 🙂

Przypisy

Przypisy
1, 3 VDI 4640 Blatt 1, Thermal use of the underground – Fundamentals, approvals, environmental aspects, wydanie 10.2016.
2, 4 VDI 4640 Blatt 2, Thermal use of the underground – Ground source heat pump systems, wydanie 06.2019.