Jak pozyskiwać energię z gruntu?

Aby zmniejszyć wysokie koszty utrzymania budynków mieszkalnych z tytułu ich ogrzania w sezonie grzewczym, można zastosować znane już od wielu dziesiątków lat urządzenia, nazywane pompami ciepła. O ich funkcjonowaniu i zaletach mówi Robert Stefaniak, Szef Serwisu Techniki Systemowej w firmie Stiebel Eltron.

„Pompa ciepła jest to ekologiczne urządzenie grzewcze, które pozyskuje energię cieplną ze środowiska. Może być to powietrze lub woda, jednak najczęściej stosowanym i najbardziej stabilnym źródłem ciepła jest grunt. Istnieje co najmniej kilka rozwiązań i sposobów ułożenia kolektora gruntowego, z których najczęściej wykonywane to układ kolektora spiralnego, płaskiego lub sond pionowych. Warunkiem zastosowania systemu gruntowego w układzie kolektora spiralnego lub płaskiego jest posiadanie odpowiedniej powierzchni gruntu do ułożenia kolektora. W bardzo dużym uproszczeniu można przyjąć, iż do ułożenia kolektorów w układzie poziomym potrzebujemy 3 razy większą powierzchnie niż chcemy ogrzać. W przypadku posiadania małej działki możemy zastosować sondy pionowe.

Jak pozyskujemy energię z gruntu?

W zależności od zapotrzebowania na energię, wykonuje się odwiert na głębokość od 50-100 m nad ziemią. Następnie w odwiercie umieszczamy sondę, która jest odpowiedzialna za pobór energii dla pompy ciepła. Pobrana z ziemi energia cieplna jest oddawana w pompie ciepła do systemu ciepłej wody użytkowej oraz rozdzielona do systemu grzewczego domu – jest to najprostszy sposób opisania działania, pozyskiwania energii gruntu. Jednak, żeby poznać zasadę, według której można ogrzać budynek z wykorzystaniem ciepła pozyskanego z gruntu trzeba przejść kolejno przez zagadnienia od spraw ogólnych do kwestii szczegółowych. Pompa ciepła składa się z czterech elementów, połączonych ze sobą rurami, tworzących obieg zamknięty, w którym znajduje się substancja, która w zależności od warunków jest cieczą lub gazem.

Ta substancja, nazywana w technice czynnikiem chłodniczym, ma ciekawą właściwość - gotuje się, czyli wrze w niskich temperaturach na przykład nawet przy -20°C. Jeśli tak jest, to nasz czynnik chłodniczy wtryskiwany do dolnego naczynia ogrzewanego do +10°C natychmiast się zagotuje i zamieni w parę o temperaturze na przykład +4°C. Para taka podobnie jak w maszynie parowej ma określone ciśnienie więc stara się wydostać z naczynia dolnego, które od tej pory będziemy nazywać parownikiem. Wychodząc z parownika para dostaje się do sprężarki, gdzie zostaje sprężona do wysokiego ciśnienia. To sprężenie daje dwie korzyści: podnosi znacznie temperaturę gazu ze sprężarki (a o to przecież chodzi) oraz pozwala na to, aby schłodzona para zamieniła się z powrotem w ciecz, która potem odparuje i tak dalej.

Czytaj również: Kotły idealnie dopasowujące się do nowoczesnych kuchni i łazienek

Górny pojemnik (nazwijmy go skraplaczem), do którego przypływa gaz pod wysokim ciśnieniem i temperaturze +75°C może bez przeszkód oddać ciepło do ogrzewanego pomieszczenia, bowiem ma ono temperaturę niższą. Skoro skraplacz ciepło oddaje to sam się schładza, czyli powstają warunki do skroplenia czynnika chłodniczego. Czynnik chłodniczy będący już cieczą transportowany jest z powrotem do parownika. Dochodzimy tutaj do ostatniego, ale bardzo ważnego elementu pompy ciepła. Jest nim tak zwany zawór rozprężny, który właściwie powinien się nazywać zaworem dławiącym. Jego rolą jest nie tylko sterowanie wtryskiwania cieczy do parownika, jego obecność jest niezbędna do tego, aby ciecz była blokowana, gdyż w przeciwnym wypadku nie dochodziłoby do sprężenia gazu.

Teraz można nieco dokładniej przeanalizować schemat pompy ciepła. Ciecz wrząca w parowniku zabiera ciepło ze źródła na skutek parowania. Zabieranie ciepła jest pobieraniem energii. Szkopuł w tym, że tak pobrana energia jeszcze nie jest przydatna do ogrzewania i trzeba podnieść jej temperaturę. Dzieje się to za pomocą sprężarki, która musi być zasilana energią pomocniczą. Najczęściej do tego celu używana jest energia elektryczna. Przy tej okazji powinniśmy poruszyć zagadnienie sprawności pompy ciepła. Sprawność ta wyznaczana jest z proporcji ilości energii grzewczej do ilości energii pomocniczej. Średnia sprawność pomp ciepła wynosi około 400%. Do określania sprawności przyjęło się stosować tak zwany współczynnik efektywności energetycznej nazywany jako COP. Jest on ilorazem energii  użytecznej i energii elektrycznej, czyli w naszym przypadku COP = 4.

Czytaj również: Pompa ciepła dla budynków mieszkalnych i komercyjnych

Trzeba zawsze pamiętać, że COP samej pompy i COP kompletnego systemu grzewczego to mogą być dwa różne światy. Tutaj ogromną rolę odgrywa idealne dopasowanie wszystkich składników systemu począwszy od źródła ciepła a skończywszy na całej instalacji grzewczej w budynku. Zapewnienie takiego dopasowania jest zadaniem projektanta i wykonawcy instalacji. Ich wiedza i doświadczenie decyduje o parametrach instalacji czyli o komforcie i kosztach eksploatacji. W przypadku pozyskiwania ciepła z gruntu nie jest konieczne zastosowanie ogrzewania niskotemperaturowego. Pompy ciepła wysokiej jakości nie mają problemów z pracą z temperaturami maksymalnymi na poziomie 60°C, co umożliwia projektantowi swobodny dobór grzejników dla parametrów 55/45°C.

Czy warto inwestować w odzyskiwanie energii z gruntu?

"Obecnie pompy ciepła odzyskujące energię z odnawialnych źródeł – jak np. z gruntu, stały się, przy bardzo wysokich kosztach ogrzewania budynków (szybki i wysoki wzrost cen paliw), atrakcyjnym źródłem ciepła. Są urządzeniami ekologicznymi, nowoczesnymi, coraz bardziej przystępnymi inwestycyjnie i co najważniejsze, mają niskie koszty eksploatacyjne. Sięganie po odnawialne źródła energii to dobra inwestycja na długie lata” – wyjaśnia ekspert z firmy Stiebel Eltron.