Jak działa gruntowa pompa ciepła? Zasada działania urządzenia

Gruntowa pompa ciepła pobiera energię z ziemi i przekazuje ją do instalacji ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej. Nie produkuje ciepła przez spalanie paliwa, lecz przenosi je za pomocą zamkniętego obiegu termodynamicznego, czynnika chłodniczego i sprężarki.

Czym jest gruntowa pompa ciepła?

To urządzenie grzewcze wykorzystujące grunt jako dolne źródło ciepła. Ziemia przechowuje energię dostarczaną przez promieniowanie słoneczne, a na większej głębokości jej temperatura zmienia się znacznie wolniej niż temperatura powietrza. Dzięki temu grunt działa jak stabilna bateria termiczna.

Odebrane ciepło trafia do górnego źródła, czyli instalacji wewnątrz budynku. Może nim być ogrzewanie podłogowe, grzejniki niskotemperaturowe albo wymiennik przygotowujący ciepłą wodę użytkową. Do pracy pompa potrzebuje energii elektrycznej, przede wszystkim do zasilania sprężarki.

Jak działa obieg termodynamiczny?

Wewnątrz pompy krąży czynnik chłodniczy. Jest to substancja, która przy niskim ciśnieniu może odparować w temperaturze niższej niż temperatura gruntu. Dzięki przemianie ze stanu ciekłego w gazowy odbiera energię, a następnie oddaje ją po zwiększeniu ciśnienia i temperatury.

Najważniejsze elementy obiegu to:

• Parownik – odbiera ciepło od obiegu dolnego źródła i doprowadza do odparowania czynnika chłodniczego.
• Sprężarka – zwiększa ciśnienie gazowego czynnika, przez co rośnie jego temperatura.
• Skraplacz – przekazuje ciepło do instalacji grzewczej, a czynnik przechodzi z gazu w ciecz.
• Zawór rozprężny – obniża ciśnienie i temperaturę czynnika przed jego powrotem do parownika.

Cykl przebiega w czterech etapach:

1. Parowanie – solanka krążąca w wymienniku gruntowym odbiera energię z ziemi. W parowniku przekazuje ją czynnikowi chłodniczemu, który odparowuje.
2. Sprężanie – gaz trafia do sprężarki. Podniesienie jego ciśnienia powoduje wzrost temperatury, dzięki czemu może on oddać ciepło do instalacji budynku.
3. Skraplanie – w skraplaczu gorący czynnik przekazuje energię wodzie grzewczej. Po oddaniu ciepła skrapla się i wraca do postaci ciekłej.
4. Rozprężanie – zawór rozprężny obniża ciśnienie czynnika. Jego temperatura spada, więc jest on ponownie gotowy do pobrania energii w parowniku.

Sprężarka jest często nazywana sercem pompy ciepła, ale sama nie ogrzewa budynku. Jej zadaniem jest dostarczenie pracy potrzebnej do podniesienia ciśnienia czynnika. To właśnie dzięki temu ciepło pobrane z gruntu może zostać przekazane do instalacji o wyższej temperaturze.

Solanka a czynnik chłodniczy – to nie ten sam obieg

Wymiennik gruntowy jest wypełniony solanką, czyli wodnym roztworem z dodatkiem substancji obniżającej temperaturę zamarzania. Solanka krąży w rurach zakopanych w ziemi i transportuje energię do pompy ciepła.

W drugim, odrębnym obiegu znajduje się czynnik chłodniczy. Nie płynie on przez rury w gruncie. Krąży wewnątrz pompy, przechodząc przez parownik, sprężarkę, skraplacz i zawór rozprężny. Solanka przekazuje mu ciepło w parowniku, a czynnik chłodniczy przekazuje je dalej wodzie instalacyjnej w skraplaczu.

Dlaczego grunt jest stabilnym źródłem ciepła?

Temperatura powietrza może zmieniać się w ciągu kilku godzin od dodatniej do ujemnej. Grunt reaguje na takie zmiany dużo wolniej. Poniżej strefy przemarzania jego temperatura jest bardziej wyrównana, choć dokładna wartość zależy między innymi od głębokości, rodzaju podłoża, wilgotności i lokalnych warunków.

Ta stabilność ułatwia pracę pompy, ponieważ temperatura dolnego źródła nie spada gwałtownie podczas mroźnych dni. Nie oznacza to, że gruntowa pompa ciepła zawsze ma taką samą moc lub sprawność. Znaczenie ma także temperatura zasilania budynku, wielkość wymiennika i poprawność projektu. Współczynnik COP opisuje stosunek dostarczonego ciepła do zużytej energii elektrycznej w określonych warunkach.

Stabilne dolne źródło nie oznacza całkowitej niezależności od energii elektrycznej. Pompa nadal potrzebuje prądu do napędu sprężarki i pomp obiegowych. Korzystniejsze warunki po stronie gruntu mogą jednak poprawiać przewidywalność pracy w sezonie grzewczym.

Jak wymiennik pobiera ciepło z ziemi?

Wymiennik gruntowy tworzą rury, w których krąży solanka. W zależności od dostępnej powierzchni i warunków geologicznych stosuje się dwa podstawowe rozwiązania.

Wymiennik poziomy układa się na niewielkiej głębokości, zwykle około 1–1,5 m, na dużej powierzchni działki. Rury pobierają ciepło z warstw gruntu ogrzewanych przez słońce i opady. Po wykonaniu kolektora teren musi pozostać dostępny dla wymiany ciepła, dlatego nie powinno się nad nim wznosić budynków ani wykonywać szczelnych nawierzchni.

Wymiennik pionowy tworzą sondy umieszczone w odwiertach. Zajmuje mniej powierzchni, ponieważ wykorzystuje głębsze warstwy gruntu, ale jego wykonanie wymaga prac wiertniczych i uwzględnienia warunków geologicznych. W obu przypadkach wielkość wymiennika musi odpowiadać zapotrzebowaniu budynku oraz właściwościom podłoża.

Zbyt mały lub źle zaprojektowany wymiennik może nadmiernie wychładzać grunt wokół rur. Z czasem ogranicza to przepływ energii i pogarsza działanie instalacji. Dlatego projekt dolnego źródła powinien uwzględniać między innymi zapotrzebowanie na ciepło, wilgotność gruntu i sposób ułożenia rur.

Czy gruntowa pompa ciepła może chłodzić budynek?

Tak, jeśli instalacja została wyposażona w funkcję chłodzenia. W przypadku chłodzenia pasywnego energia z budynku może być przekazywana do chłodniejszego gruntu z pominięciem intensywnej pracy sprężarki. Do odbioru chłodu wykorzystuje się najczęściej ogrzewanie płaszczyznowe albo instalację wyposażoną w odpowiednie odbiorniki.

Zakres tej funkcji zależy od projektu całego systemu. Chłodzenie podłogowe wymaga kontroli wilgotności, aby na powierzchni nie pojawiła się kondensacja.

Gruntowa pompa ciepła jest zamkniętym układem, który przenosi energię z gruntu do budynku. O jej działaniu decydują trzy elementy: stabilne dolne źródło, przemiany fazowe czynnika chłodniczego oraz sprężarka podnosząca jego temperaturę. Poprawnie dobrany wymiennik gruntowy jest warunkiem utrzymania wydajnej i przewidywalnej pracy całego systemu.