Dolne źródła ciepła dla pomp ciepła - kolektor gruntowy pionowy

Ciepło z gruntu stanowi najpowszechniej wykorzystywane źródło energii dla pomp ciepła.
W skład kolektora gruntowego pionowego wchodzą rury polietylenowe, ułożone pionowo, które umieszcza się w odwiertach i łączy na dole u-kształtką. Odwierty owe tworzą pętlę. Stosuje się również, choć rzadziej, kolektory pionowe z przepływem przeciwbieżnym i koncentrycznym oraz wymienniki spiralne. Rury kolektora wypełnia się roztworem glikolu, czerpiącym ciepło z  gruntu. Dalej, przez parownik, ciepło dociera do instalacji pompy ciepła, gdzie zamienia cię w gaz, stając się tym samym nośnikiem energii cieplnej. W parowniku ciśnienie czynnika roboczego (płyn wrzący w niskich temperaturach) ulega obniżeniu, co pociąga za sobą spadek jego temperatury, poniżej temperatury dolnego źródła ciepła. Proces taki umożliwia czerpanie ciepła, zakumulowanego w gruncie. W parowniku czynnik roboczy ulega odparowaniu, a para ta zostaje później sprężona w sprężarce spiralnej, wskutek czego zaczyna się skraplać w skraplaczu pompy ciepła. Kondensacja następuje w temperaturze wyższej od tej, jaką ma czynnik płynący przez wymiennik po przeciwnej stronie przesłony, gdzie ciepło jest oddawane do wody, która następnie płynie do grzejników, zaś schłodzony płyn, przepływając przez rozprężony zawór do parownika, pozwala na przejście czynnika roboczego z wysokiego ciśnienia na niskie, umożliwiające wrzenie w temperaturze dolnego źródła ciepła.

Czym jest kolektor gruntowy pionowy?

Odwiertami pod pionowe odcinki rur polietylenowych powinna zajmować się wyspecjalizowana firma wiertnicza, przestrzegając warunków wykonania, określonych przez prawo geologiczne i górnicze. Odwierty takie mogą mieć głębokość do 100 m, a ich koszt zależy m.in. od budowy geologicznej danego obszaru. W przypadku odwiertów do 50 m dzieląca je odległość winna wynosić 4-5 m. Dla głębszych odwiertów odległość ta rośnie do 6-8 m. Pojedyncze odwierty łączy się ze sobą w pętlę, poprzez zamontowanie poziomych odcinków rur, na głębokości ok. 1,5 m. Ich końce doprowadza się do rozdzielaczy w studzience rozdzielczej lub węźle cieplnym. Cały ten układ jest dodatkowo jest dodatkowo opatrzony oddzielnym zaworem bezpieczeństwa, zabezpieczającym instalację w całości. Najlepszym źródłem pod instalację jest strumień wody gruntowej. Najtrudniej pozyskać energię z suchego, piaszczystego gruntu. Wydajność gruntu, jako dolnego źródła ciepła, zależy bowiem od jego składu i jakości: im wilgotniejszy grunt, tym stanowi efektywniejsze źródło energii; im więcej zawiera pierwiastków mineralnych, tym efektywniejszym staje się proces.

Metodyka obliczeń długości kolektora gruntowego pionowego

Z tego typu kolektorem można połączyć jedynie pompę typu solanka/woda. Pod uwagę bierze się najpierw energochłonność i przeznaczenie danego budynku. Po określeniu zapotrzebowania danej budowli na ciepło, dobiera się pompę o odpowiedniej mocy
i, w oparciu o tę moc, właściwe dolne źródło ciepła.
Pierwszych obliczeń, dotyczących kolektora gruntowego pionowego, można dokonać, wykorzystując poniższy wzór (należy jednak pamiętać, iż w przypadku realizacji projektu konieczne będą szczegółowe obliczenia).
(K. Kempkiewicz, 2008 )



Przyjmuje się, że moc chłodniczą 1 kW, uzyska się z długości kolektora ok. 18-22 m, zależnie od budowy geologicznej terenu. Przy tego typu kolektorach wykorzystuje się rury polietylenowe, o dopuszczalnym ciśnieniu roboczym co najmniej 1 MPa. Wykonuje się dwie próby szczelności: pierwszą pod ciśnieniem1,2 MPa (po umieszczeniu rur w odwiercie), drugą pod ciśnieniem 0,8 MPa (po przyłączeniu pompy ciepła do dolnego źródła). Próby te są wykonywane z użyciem wody. Dopiero po ukończeniu całego układu hydraulicznego, kolektor wypełnia się wodnym roztworem glikolu, o ciśnieniu roboczym 0,2-0,3 MPa (po uprzednim dokładnym odpowietrzeniu instalacji).



Akty prawne regulujące czynności towarzyszące wykonaniu kolektora gruntowego pionowego:

• Prawo geologiczne i górnicze – ustawa z dnia 4 lutego 1994 roku ( Dz.U. 1994 nr 27, poz. 96)
• Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 18 sierpnia 1994 roku w sprawie gromadzenia informacji i próbek uzyskanych  w wyniku prowadzenia prac geologicznych i sposobu postępowania z próbkami i dokumentacjami geologicznymi (Dz.U.1994 nr 91, poz. 425)
• Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 18 sierpnia 1994 roku w sprawie projektu prac geologicznych (Dz.U.1994 nr 91, poz. 426)
• Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 26 sierpnia 1994 w sprawie właściwości organów państwowej administracji geologicznej i państwowego nadzoru górniczego (Dz.U.1994 nr 92, poz. 433)
• Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 23 sierpnia 1994 w sprawie szczegółowych wymagań, jakim powinna odpowiadać dokumentacja hydrogeologiczna i geologiczno-inżynierska(Dz.U.1994 nr 93, poz. 444)
• Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia 26 sierpnia 1994 w sprawie kwalifikacji do wykonywania, dozorowania i kierowania pracami geologicznymi(Dz.U.1994 nr 93, poz. 445)
• Prawo wodne – ustawa z dnia 24 października 1974 roku (Dz.U.1974 nr 38, poz. 230)
• Ustawa z dnia 31 stycznia 1980 roku o ochronie i kształtowaniu środowiska (Dz.U.1980 nr 3, poz. 6)