Ogrzewanie i chłodzenie dzięki energii geotermalnej
Technologia instalacji geotermalnej staje się coraz bardziej powszechna w Polsce do celów ogrzewania i przygotowywania ciepłej wody użytkowej.
Niestety wiedza na temat wykorzystania energii geotermalnej jest niezbyt wystarczającą, co wiąże się z obawami przed wykorzystaniem przez inwestorów. A nie powinno się tak dziać, gdyż instalacja ogrzewania i chłodzenia przy wykorzystaniu pompy ciepła, stanowi korzystną oraz przyjaźnie i oszczędnie uwarunkowaną dla środowiska technologię grzewczą. Zastosowanie pompy ciepła daje ponad ¾ ciepła bezpłatnego, jakie można zyskać z otoczenia, czyli przy wykorzystaniu energii ze źródeł odnawialnych.
Dlaczego kwestia ogrzewania i chłodzenia jest tak istotna w budynku? Budując lub remontując dom bardzo często nie poświęca się zbyt dużej uwagi kwestiom ogrzewania i chłodzenia. A dobrze dobrana instalacja grzewczo-chłodząca, dopasowana do potrzeb mieszkańców, pozwala komfortowo funkcjonować, dostarczać przyjemne ciepło i chłód do budynku w efektywny i ekonomiczny sposób.
Energia geotermalna – zalety
- Niewielkie wymagania przestrzenne.
- Długi okres użytkowania – trwała i wytrzymała instalacja, niewymagająca obsługi.
- Sprawdzona i prosta technologia instalacji geotermalnej.
- Obniżone koszty eksploatacji ze względu na mniejszą zależność od niestabilności cen energii.
- Wykorzystanie zasobów energii - niezależność i bezpieczeństwo od importu zagranicznych nośników energii.
- Redukcja emisji dwutlenku węgla aż do 50 procent.
Działanie energii geotermalnej
Pompa ciepła to urządzenie, które można wykorzystać do celów nie tylko grzewczych, ale także do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz chłodzenia. Podczas procesu chłodzenia grunt jest regenerowany w sztuczny sposób, co znaczy, że nadwyżki ciepła zostają odprowadzone na zewnątrz budynku i magazynowane w gruncie. Odbywa się to poprzez zastosowanie systemu ogrzewania sufitowego lub systemu ogrzewania podłogowego. Dzięki aktywnej regeneracji gruntu lub wykorzystaniu ciepła odpadowego następuje zwiększenie efektywności pompy ciepła. Dzięki temu można zredukować głębokość odwiertu oraz obniżyć koszty inwestycyjne instalacji. Powoduje to szybszą amortyzację.
Pompa ciepła – współczynnik efektywności
Gruntowe pompy ciepła uzyskują przeciętnie najwyższe współczynniki efektywności, co oznacza, że zapewniają niższe koszty eksploatacyjne przy takiej samej mocy grzewczej.
Współczynnik efektywności COP to parametr wyrażający efektywność pompy ciepła. Wynika on z ilości energii elektrycznej napędzającej pompę ciepła, niezbędnej do wytworzenia określonej mocy cieplnej. Do czynników wpływających na efektywność zaliczamy następujące parametry:
- uzyskanie dostępu do gruntu,
- optymalne instalacje wewnętrzne,
- niewielka różnica temperatur pomiędzy gruntem a systemem grzewczym.
Typowy współczynnik efektywności dla gruntowych pomp ciepła wynosi 4, co oznacza, że za pomocą 1 kWh energii elektrycznej zużytej do napędu pompy ciepła przekazane zostaje 4 kWh użytecznego ciepła. Czym wyższy współczynnik efektywności, tym niższe koszty eksploatacyjne.
Wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce
Energia geotermalna może być wykorzystywana w następujący sposób:
- systemy otwarte – instalacje oparte na studniach wodnych,
- systemy zamknięte – poziome i pionowe gruntowe wymienniki ciepła.
Działanie instalacji geotermalnej opiera się na wykorzystaniu naturalnego poziomu temperatury gruntu, aby za pomocą pompy ciepła podnieść temperaturę do poziomu wymaganego w instalacji grzewczej. Aby pompa ciepła działała niezbędna jest energia elektryczna, która stanowi jedynie ułamek przekazywanego ciepła do budynku. Proces konwekcji oraz przewodzenia ciepła powodują, że pobrane z gruntu ciepło zostanie uzupełnione przez ciepło wyprodukowane w naturalny sposób.
Konwekcja – proces polegający na transporcie ciepła za pośrednictwem płynących wód gruntowych.
Przewodzenie ciepła – proces polegający na transporcie ciepła z ciał o wyższej temperaturze do ciał o niższej temperaturze w zależności od przewodności cieplnej.
Systemy otwarte
Sposób wykorzystania energii geotermalnej, opierający się na wydobyciu przy użyciu studni zasilającej i przesłaniu do pompy ciepła. Następnie z wody pobierane jest ciepło, a schłodzona woda jest wprowadzana poprzez studnię zrzutową z powrotem do gruntu.
Charakterystyka studni wodnej:
- efektywność działania,
- duże nakłady projektowe związane ze znajomością podłoża gruntowego,
- instalacje obsługowe, podlegające procesom starzenia,
- konieczność kontroli instalacji w regularnych odstępach czasowych,
- konieczność zachowania odstępu pomiędzy studniami zasilającymi i zrzutowymi,
- odpowiednie rozmieszczenie studni zasilającej i zrzutowej w stosunku do kierunku przepływu wód gruntowych.
Systemy zamknięte
System wykorzystujący odpowiedni płyn krążący w rurach ułożonych poziomo lub pionowo w gruncie, docierający do pompy ciepła, która odbiera z przesłanego medium ciepło. Rozróżnia się systemy zamknięte:
- poziome gruntowe wymienniki ciepła,
- pionowe gruntowe wymienniki ciepła,
- koszowe gruntowe wymienniki ciepła.
Poziome gruntowe wymienniki ciepła
System geotermalny polegający na poziomym układaniu rur w gruncie na głębokości około 120 ÷ 150 centymetrów, czyli poniżej poziomu zamarzania gruntu. Zgodnie z prawem budowlanym stanowi przyłącze cieplne do budynku, które nie wymaga pozwolenia na budowę. Powierzchnia poziomego GWC zależy od przepuszczalności gleby oraz opadów deszczu.
Charakterystyka poziomego gruntowego wymiennika ciepła:
- korzystna kosztowo alternatywa dla pionowego gruntowego wymiennika ciepła w momencie braku zgody na instalację systemu pionowego,
- duże wymagania co do powierzchni zajmowanej przez wymiennik,
- niemożność zabudowy terenu zajętego przez poziomy wymiennik ciepła.
Pionowe gruntowe wymienniki ciepła
System oparty na pionowo ułożonych rurach w gruncie, w których krąży wodny roztwór glikolu, odbierający ciepło. Głębokość odwiertów zależy od właściwości podłoża gruntowego oraz przepływy wód gruntowych.
Charakterystyka pionowego gruntowego wymiennika ciepła:
- konieczność uwzględnienia minimalnych odległości pomiędzy pionowymi GWC, by grunt nie uległ schłodzeniu,
- w zależności od głębokości odwiertu oraz rodzaju obszaru należy stosować wymagania dotyczące projektu robót geologicznych i planu ruchu zakładu górniczego,
- konieczność sporządzenia dokumentacji powykonawczej i przekazanie jej właściwemu organowi administracji geologicznej,
- dają możliwość najtańszego chłodzenia bez konieczności ponoszenia dodatkowych inwestycji w znaczącym zakresie.
Koszowe gruntowe wymienniki ciepła
System oparty na spiralnie skręconych rurach o małych promieniach gięcia. Koszowe gruntowe wymienniki ciepła stanowią przyłącze cieplne, które nie wymaga pozwolenia na budowę. Mogą być stosowane tam, gdzie ze względu na warunki gruntowe oraz kształt działki zabudowa innymi systemami wymienników gruntowych jest utrudniona.
Charakterystyka koszowego gruntowego wymiennika ciepła:
- wykonane przewodów z polietylenu sieciowanego PE-X, który umożliwia spiralne skręcanie rur,
- możliwość wykorzystania rodzimego gruntu, który standardowo charakteryzuje się wyższym współczynnikiem przewodności cieplnej,
- możliwość stosowania systemu koszowego do chłodzenia.
Energia geotermalna – materiał, okres eksploatacji
Instalacja pionowych gruntowych wymienników ciepła opiera się na montażu rur w gruncie. Materiał z jakiego wykonane są rury to polietylen (HDPE, HDPE-RC) oraz polietylen sieciowy (PE-Xa). Przewody są umieszczane w pionowym otworze w postaci jednego obiegu – pojedynczy wymiennik w kształcie litery U, lub dwóch oddzielnych obiegów – podwójny wymiennik z kształcie litery U, które przy głowicy pionowego GWC zbiegają się w dwa ciągi instalacyjne. W przewodach gruntowego pionowego wymiennika ciepła krąży wodny roztwór glikolu, który spełnia funkcję nośnika transportującego energię geotermalną z gruntu do pompy ciepła. Istotnym elementem montażu pionowego gruntowego wymiennika ciepła jest zastosowanie wypełnienia. Materiał wypełniający ma na celu zapewnienie kontaktu rur pionowego gruntowego wymiennika ciepła ze skałą w optymalny sposób z termicznego punktu widzenia. Zastosowanie materiały wypełniającego w instalacji pionowego GWC zapewnia wysoki współczynnik przewodzenia ciepła oraz możliwość lepszego transportu ciepła, dzięki czemu instalacja geotermalna staje się bardziej efektywna. Funkcje jakie musi spełniać wypełnienie:
- mechaniczna – stabilizacja odwiertu,
- termiczna – transport ciepła z otoczenia do pionowych rur gruntowego wymiennika ciepła,
- hydrauliczna – rozdzielenie warstwy wodonośnej i półprzepuszczalnej,
- bezpieczeństwa – ochrona wód gruntowych przed wyciekiem roztworu glikolowego.
Zainstalowane pionowe rury gruntowego wymiennika ciepła łączy się na rozdzielaczu, który może znajdować się w kotłowni, na zewnętrznej elewacji budynku lub na zewnątrz budynku w studni rozdzielaczowej. Rury z rozdzielacza są doprowadzane do pompy ciepła. Natomiast rury idące od pionowego GWC do rozdzielacza są układane poziomo w obsypce żwirowej na głębokości zapewniającej ochronę przed mrozem. Technologia wykonania wierceń zależy od lokalnych warunków geologicznych. Prace związane z wykonaniem pionowych gruntowych wymienników ciepła muszą zostać zadokumentowane przez wyspecjalizowane firmy wykonawcze.
Standardy jakościowe instalacji geotermalnych
Aby zapewnić bezpieczeństwo oraz właściwe dostarczanie energii w sposób niezawodny i przy niskich kosztach, instalacje pionowych gruntowych wymienników ciepła powinny spełniać standardy jakościowe obowiązujące na etapach przygotowania, budowy i montażu instalacji.
Etap projektowania:
- ustalenie oceny zapotrzebowania cieplnego,
- dobór odpowiedniej pompy ciepła,
- geotermalna ocena lokalizacji, gdzie wykonana będzie instalacja,
- testy reakcji termalnej w przypadku instalacji o mocy powyżej 30 kW,
- przetarg na prace wiertnicze,
- przedłożenie wszelkich pozwoleń.
Etap wykonania odwiertów:
- zatrudnienie firmy wiertniczej doświadczonej i fachowej,
- znajomość lokalnych warunków geologicznych,
- udokumentowanie wszystkich prac,
- dotrzymywanie terminów planowanych prac,
- zgłaszanie wszelkich incydentów właściwym organom.
Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne
Koszty inwestycyjne można podzielić na dwie kategorie:
- koszty związane z pompą ciepła,
- koszty związane z dolnym źródłem ciepła.
Koszty związane z pompą ciepła wychodzą podobnie jak w przypadku ogrzewania olejowego lub gazowego po wliczeniu kosztów wykonania komina i pomieszczenia na kotłownię. Koszty związane z dolnym źródłem zależą przede wszystkim od wydajności gruntu, określanej przez przewodność cieplną gruntu oraz temperaturę podłoża. Aby optymalnie określić koszty inwestycyjne związane z odwiertami należy zaznajomić się z geologią podłoża gruntowego, co pozwoli dobrać odpowiednią głębokość odwiertów.
Koszty eksploatacyjne zależą od zużycia energii elektrycznej przez pompę ciepła. Przed wykonaniem projektu gruntowego wymiennika ciepła, zaleca się dokonanie analizy amortyzacji systemu oraz porównania pompy ciepła z innymi systemami takimi jak olej opałowy i gaz. Należy pamiętać, że przy wzrastających cenach energii pompa ciepła umożliwia zmniejszenie stopnia zależności kosztów eksploatacyjnych od zmian cen energii.
Zastanawiać się na kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi związanymi z pionowym gruntowym wymiennikiem ciepła należy mieć na uwadze przede wszystkim dobranie optymalnej głębokości odwiertu. W momencie wykonania zbyt głębokiego odwiertu niepotrzebnie wzrosną koszty inwestycyjne. Natomiast jeżeli odwiert będzie zbyt płytki, to oszczędność w kosztach eksploatacyjnych nie będą możliwe.
Aktualne akty prawne
Instalacje grzewcze wyposażone w pionowy gruntowy wymiennik ciepła:
Prawo wodne
(Dz.U. 2012 nr 0 poz. 145 z późniejszymi zmianami),
Prawo geologiczne i górnicze
(Dz.U. 2011 nr 163 poz. 981 z późniejszymi zmianami),
Prawo ochrony środowiska
(Dz.U. 2008 nr 25 poz. 150 z późniejszymi zmianami),
Ustawa o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym
(Dz.U. 2012 poz. 647 z późniejszymi zmianami),
Prawo budowlane
(Dz.U. 2010 nr 243 poz. 1623 z późniejszymi zmianami),
Ustawa o udostępnieniu informacji o środowisku i jego ochronie, udziale społeczeństwa w ochronie środowiska oraz o ocenach oddziaływania na środowisko
(Dz.U. 2008 nr 199 poz. 1227 z późniejszymi zmianami).
Zestawienie wymagań odnośnie projektu robót geologicznych oraz planu ruchu zakładu górniczego w zależności od głębokości otworu wiertniczego oraz rodzaju obszaru.
Głębokość otworu wiertniczegoRodzaj obszaruProjekt robót geologicznychPlan ruchu zakładu górniczego≤ 30poza obszarem górniczymNIENIE≤ 30na obszarze górniczymTAKNIE≤ 100poza obszarem górniczymTAKNIE≤ 100na obszarze górniczymTAKTAK> 100niezależnie od obszaruTAKTAK
W przypadku wykonywania pionowym gruntowych wymienników ciepła należy także zgłosić rozpoczęcie robót geologicznych przynajmniej dwa tygodnie przed rozpoczęciem wykonywania otworów wiertniczych oraz przekazać wyniki procesu wiercenia i parametrów technicznych zamontowanej gruntowej pompy ciepła w postaci powykonawczej dokumentacji geologicznej najpóźniej sześć miesięcy po wykonaniu odwiertu.
Instalacje grzewcze wyposażone w poziomy gruntowy wymiennik ciepła:
Zgłoszenie przystąpienia do wykonania poziomego GWC należy dokonać najpóźniej na 30 dni przed zamierzonym terminem rozpoczęcia prac. Zgłoszenie przyjmuje wójt, burmistrz lub prezydent. Zgłoszenie budowy musi zawierać informacje dotyczące rodzaju, zakresu i sposobu wykonania wymiennika ciepła oraz planowanego terminu rozpoczęcia prac. Uzgodnienie lokalizacji poziomego gruntowego wymiennika ciepła powinno odbyć się w Powiatowym Zespole Uzgadniania Dokumentacji Projektowej. Wykonanie wymiennika poziomego można rozpocząć, jeżeli po upływanie 30 dni od terminu doręczenia zgłoszenia, właściwy organ nie wniesie sprzeciwu.
Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki
Literatura:
[1]. Zbrojkiewicz S., Pomiar przewodności gruntu, sondy geotermalne – wydajność cieplna, InstalReporter, Warszawa, 2010.
[2]. Materiały produktowe firmy Rehau.
[3]. Wytyczne projektowania, wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła, Część 1, Dolne źródła do pomp ciepła, Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła, Kraków, 2013.
[4]. Lewandowski W., Proekologiczne odnawialne źródła energii, WNT, Warszawa, 2007.
[5]. Lachman P., Zamarznięte pionowe, gruntowe wymienniki ciepła. GLOBenergia, Kraków, 2012,
[6]. Oszczak W., Ogrzewanie domowe z zastosowaniem pomp ciepła, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2009.
Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki
Opracowanie redakcja : (Ł.G)
Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.ogrzewnictwo.pl
