Pompy ciepła pobierające ciepło z gruntu nazywane są „solanka-woda”. W ziemi umieszcza się rury z tworzywa: pionowo lub poziomo, które tworzą tzw. wymiennik gruntowy. „Solanka” (płyn na bazie glikolu) płynąc rurami odbiera ciepło od gruntu i transportuje do pompy ciepła.
Grunt ma równomierną temperaturę w ciągu całego roku. Na głębokości 2 m jego temperatura wynosi od 7 do 13°C, im głębiej tym jest wyższa.
Po odebraniu ciepła z gruntu musi się on zregenerować, czyli ponownie zgromadzić zapas ciepła. Na głębokości do 2 m regeneracja gruntu odbywa się głównie przez promieniowanie słoneczne, opady deszczu itp. Regeneracja gruntu na dużych głębokościach odbywa się głównie ciepłem dopływającym z głębszych warstw Ziemi.
Ciepło z gruntu może być pobierana przez wymiennik poziomy (kolektor gruntowy) lub przez wymiennik pionowy (tzw. sondy gruntowe). Solanka – mieszanina wody i glikolu o temperaturze zamarzania: -15°C, przepływając przez wymiennik gruntowy odbiera od niego ciepło i transportuje do parownika pompy ciepła.
Sondy gruntowe (wymiennik pionowy), rury wprowadzane są pionowo w głąb ziemi, zwykle na głębokość do 100 metrów, czasami jeszcze głębiej. W odwiert wpuszcza się prefabrykowaną sondę, a następnie wolna przestrzeń zasypywana jest materiałem wypełniającym.
Sondy wykonuje się w formie pojedynczej lub podwójnej U-rury (rury PE). Podwójna U-rura jest o tyle pewniejsza, że w przypadku uszkodzenia jednej pętli, nie dyskwalifikuje to całego odwiertu. Przy normalnych warunkach hydrogeologicznych można przyjąć orientacyjną średnią moc jednostkową sondy gruntowej 50 W/m długości sondy.
Odległość pomiędzy sodami gruntowymi nie może być mniejsza niż 6 m.
Najczęściej po wykonaniu pierwszego odwiertu można dokładnie określić rodzaj i strukturę gruntu – na tej podstawie można określić czy obliczeniowa długość sondy będzie wystarczająca, czy też konieczne będzie wykonanie głębszego odwiertu.
Przykład: pompa ciepła o mocy grzewczej 10 kW, przy średniej wydajności 50 W/m długości sondy – dwie sondy gruntowe (dwa odwierty), każda o głębokości 85 m.
Wymiennik pionowy nie zajmuje dużej powierzchni działki, którą można swobodnie zagospodarować. Jego wykonanie jest droższe niż wymiennika poziomego. Ale, z sond pionowych uzyskuje się wyższą temperaturę solanki, co wpływa korzystnie na efektywność pracy pompy ciepła w całym okresie grzewczym.
Kolektor gruntowy (wymiennik poziomy), jest to ułożony na głębokości ok. 1,5 m system rur z tworzyw sztucznych (poniżej strefy przemarzania gruntu). Poszczególne pętle powinny mieć jednakową długość nie przekraczającą 100 m, ponieważ opory przepływu a tym samym potrzebna moc pompy solanki będą zbyt duże. Odstępy pomiędzy pętlami zależą od średnicy przewodów i wynoszą zazwyczaj od 50 do 100 cm.
Z kolektora gruntowego najintensywniej pobierane jest ciepło w okresie zimowym, natomiast regeneruje się on przede wszystkim w okresach cieplejszych, tj. wiosną i latem. Regeneracja gruntu odbywa się dzięki promieniowaniu słonecznemu oraz opadom atmosferycznym, co zapewnia że grunt zakumuluje znowu ciepło na następny sezon grzewczy.
Właściwości akumulacyjne i przewodność cieplna są tym większe im bardziej grunt jest nasycony wodą, im więcej występuje w nim składników mineralnych i im mniejsza jest jego porowatość. Czyli, im grunt jest bardziej nasycony wodą tym lepiej – więcej ciepła możemy z niego pozyskać.
Możliwe do pobrania z gruntu moce jednostkowe mieszczą się w zakresie od ok. 10 do 35 W/m2 powierzchni gruntu (grunt piaszczysty, suchy: 10 do 15 W/m2; piaszczysty, wilgotny: 15 do 20 W/m2; grunt ilasty, suchy: 20 do 25 W/m2; ilasty, wilgotny: 25 do 30 W/m2; grunt wodonośny: 30 do 35 W/m2).
Przykład: Pompa ciepła o mocy grzewczej 10 kW, przy średniej wydajności poboru ciepła z gruntu 25 W/m2 – potrzebna powierzchnia gruntu dla ułożenia kolektora gruntowego wyniesie ok. 340 m2.
Wymiennik poziomy jest tańszy od pionowego, ale zajmuje sporą powierzchnię terenu, na której najlepiej posadzić trawę.
Kolektor gruntowy – schemat pompy ciepła z wymiennikiem poziomym
| Zalety | Wady |
|---|---|
| Wysokie wskaźniki efektywności pracy pompy ciepła – COP do ok. 5 | Wysoki koszt inwestycji |
| Niskie koszty ogrzewania | Wymiennik gruntowy zajmuje część działki, co trzeba uwzględnić przy jej zagospodarowaniu |
| Pompa ciepła może być jedynym źródłem ciepła do ogrzewania domu, nawet przy skrajnie niskich temperaturach zewnętrznych | |
| Pompa ciepła ogrzewa budynek, ale może również chłodzić pomieszczenia w lecie |
Zobacz również:
