Geotermalna pompa ciepła własnoręcznie do ogrzewania domu: budowa, projektowanie, samodzielny montaż

Organizacja ogrzewania i ciepłej wody użytkowej w domu jednorodzinnym może być realizowana na różne sposoby, na przykład poprzez podłączenie do sieci centralnego gazownictwa lub przejście systemów grzewczych na zasilanie energią elektryczną. Czy zgodzi się Pan/Pani?

Można natomiast złożyć geotermalną pompę ciepła własnoręcznie i efektywnie wykorzystywać ciepło ziemi do stworzenia komfortowych warunków życia. Oczywiście jest to dość pracochłonny proces, ale dla tych, którzy choć trochę znają się na technice, nie będzie to dużym problemem.

W naszym artykule omówimy zasady działania i rodzaje instalacji geotermalnych. Opowiemy, jak samodzielnie zbudować pompę ciepła z dostępnych materiałów. Ponadto w artykule znajdą Państwo porady ekspertów dotyczące wyboru geourządzeń. A zamieszczone filmy ujawnią tajniki montażu i zasady działania pomp geotermalnych.

Jak działa geotermalny agregat grzewczy?

Algorytm działania geotermalnej pompy ciepła opiera się na przekazywaniu ciepła ze źródła o niskim potencjale energii cieplnej do nośnika ciepła. Ziemia pełni tutaj rolę radiatora latem i jest aktywnym źródłem ciepła w sezonie zimowym.

Różnica temperatur gruntu pomaga zwiększyć ogólną efektywność systemu i przyczynia się do obniżenia rzeczywistych kosztów eksploatacji.

Podstawą działania geotermalnej pompy ciepła jest zjawisko takie jak bezwładność cieplna. Temperatura ziemi na głębokości od 6 metrów i poniżej prawie dokładnie odpowiada średniej rocznej temperaturze powietrza w regionie i bardzo słabo zmienia się w ciągu całego roku kalendarzowego.

W praktyce do rurociągu umieszczonego w gruncie wpływa czynnik roboczy i nagrzewa się tam o kilka stopni. Następnie czynnik przechodzi do węzła wymiany ciepła (lub parownika) i przekazuje zgromadzoną energię cieplną do wewnętrznego obiegu systemu.

Zasada działania instalacji geotermalnych jest podobna do działania systemów chłodniczych. Dlatego właśnie niektóre rodzaje pomp ciepła z powodzeniem są używane latem jako klimatyzatory i za ich pomocą chłodzi się powietrze w pomieszczeniach mieszkalnych.

Czynnik chłodniczy pracujący w obwodzie zewnętrznym nagrzewa się w parowniku, przekształca się w gaz i trafia do sprężarki. Tam jest sprężany pod wpływem wysokiego ciśnienia i staje się jeszcze gorętszy.

Rozgrzany gaz przechodzi do skraplacza i oddaje energię cieplną roboczemu nośnikowi ciepła wewnętrznego systemu odpowiedzialnego za ogrzewanie domu. Po zakończeniu procesu czynnik chłodniczy, pozbawiony ciepła, wraca do punktu wyjścia w stanie ciekłym.

Jakie są rodzaje instalacji geotermalnych?

Geotermalne pompy ciepła różnią się między sobą rodzajem nośnika ciepła w obwodzie wewnętrznym i zewnętrznym konstrukcji. Urządzenia pozyskują energię z gruntu, wody (wody gruntowe albo otwarty naturalny zbiornik wodny) lub powietrza.

Wewnątrz pomieszczenia mieszkalnego zasób ciepła jest wykorzystywany do ogrzewania pomieszczeń, podgrzewania wody i klimatyzacji. W zależności od kombinacji używanych elementów i funkcji systemy klasyfikuje się na typy: «ziemia-woda», «woda-woda» i «powietrze-woda».

Wariant #1. Montaż w technologii «ziemia-woda»

Pompa «ziemia-woda» – jeden z najskuteczniejszych wariantów alternatywnego ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych. Zasada jej działania sprowadza się do poboru za pomocą sond lub kolektorów energii cieplnej z gruntu i przekazania jej do domowego wodnego systemu grzewczego.

Geotermalne pompy ciepła «ziemia-woda» – to wysokotechnologiczne, progresywne urządzenia. Wyróżniają się wyjątkową niezawodnością i wykazują wysoki poziom sprawności. Nie wymagają stałej ingerencji właścicieli w ich działanie, ale potrzebują profesjonalnego serwisu.

Technologię pomaga zrealizować specjalna instalacja składająca się z geotermalnego wymiennika ciepła umieszczonego poniżej głębokości rzeczywistego zamarzania gleby oraz samej pompy ciepła działającej jak lodówka, tylko na odwrót (odwrotny cykl Carnota).

Jak działa urządzenie

Instalacja «ziemia-woda» ogrzewająca pomieszczenia mieszkalne za pomocą odnawialnego ciepła wytwarzanego przez glebę działa według następującego algorytmu:

1. Ciecz robocza (solanka lub płyn niezamarzający) przemieszczająca się po obwodzie geotermalnym przyjmuje temperaturę gleby i za pośrednictwem pompy jest przekazywana do wymiennika ciepła – parownika. Tam oddaje zebrane ciepło freonowi, a sama, stając się zimniejsza o 2-5°C, wraca do punktu wyjścia.
2. Wzbogacony energią cieplną freon paruje i przyjmując stan gazowy trafia do sprężarki. Tam temperatura gazu wzrasta wskutek sprężania i powstaje kondensat.
3. Energia cieplna jest przekazywana nośnikowi ciepła w domowym systemie grzewczym, a freon ponownie przyjmuje postać ciekłą. Jego ciśnienie spada po przejściu przez zawór rozprężny systemu i czynnik chłodniczy wraca z powrotem do parownika, aby pobrać kolejną porcję zasobu.

W wyniku tej procedury ilość energii cieplnej pobranej z gruntu i przekazanej do systemu grzewczego domu mieszkalnego jest ponad 4 razy większa niż ilość energii elektrycznej zużytej do zapewnienia prawidłowej pracy agregatu sprężarkowego, pompy obiegowej i jednostki sterującej.

Mieszanka glikolowa o dobrym wskaźniku lepkości, woda z alkoholem lub roztwór soli – właśnie takie niezamarzające ciecze są używane w systemie „ziemia-woda”. Są one bezpieczne dla środowiska, efektywnie przyjmują ciepło i transportują je do stacji pomp.

Dodatkowym bonusem można nazwać fakt, że system ma możliwość pracy w odwrotnym kierunku, czyli do chłodzenia. Co prawda utrata wydajności sięga 20%, ale jest to uznawane za uzasadnione, biorąc pod uwagę wysoką zdolność grzewczą urządzenia.

Opcje rozmieszczenia systemów „ziemia-woda”

Do utworzenia obwodu zewnętrznego systemu „ziemia-woda” stosuje się rury polimerowe o wysokiej wytrzymałości, o dobrych parametrach eksploatacyjnych. Umieszcza się je poziomo, układając na dnie wykopu w sposób przypominający układanie komunikacji dla systemów ogrzewania podłogowego.

Pompa ciepła „ziemia-woda” jest niezawodna, wydajna i cicha w pracy, jednak jej instalacja kosztuje sporo pieniędzy i zajmuje dużo czasu (co najmniej 1 miesiąc na prace budowlano-montażowe i regulacyjne). Ten moment należy koniecznie wziąć pod uwagę przed wyborem systemu grzewczego tego typu.

Podczas instalacji wykorzystuje się powierzchnię w ilości 25-50 m² na każdy oddzielny kilowat mocy montowanej pompy. Głębokość wykopu dobiera się poniżej granicy przemarzania, a dokładne wymiary i krok układania rur określa się dodatkowymi obliczeniami.

Właścicielom dużych posesji, którzy wybrali do ogrzewania domu geotermalną pompę ciepła typu „ziemia-woda”, zaleca się zainstalowanie poziomych kolektorów. Właścicielom małych działek bardziej odpowiada montaż sond głębinowych, ponieważ sięgają one głęboko w ziemię i nie „zjadają” użytecznej powierzchni wokół domu.

Tereny, na których ułożono komunikację geotermalnych systemów „ziemia-woda”, nie są już wykorzystywane do celów rolniczych. Można na nich założyć piękny trawiasty trawnik lub klomb z kwitnącymi roślinami jednorocznymi.

Montaż pionowy jest znacznie bardziej problematyczny i wymaga użycia profesjonalnego sprzętu. Na działce za pomocą wiertnicy wierci się odwiert o głębokości od 20 do 150 m, opuszcza się do niego specjalną sondę geotermalną i podłącza do pompy, która dostarcza ciecz roboczą do domowego systemu grzewczego.

Pionowa sonda dla systemu geotermalnego „ziemia-woda” to głowica z podłączonymi rurami. Zanurza się ją w odwiercie o głębokości od 18 m i więcej. Dokładną liczbę odwiertów i sond, głębokość wymaganego zanurzenia oraz rzeczywistą średnicę rurociągu oblicza się osobno dla każdego przypadku na podstawie informacji uzyskanych w wyniku badań geologicznych przeprowadzonych przez specjalistów na działce.

Rury sondowe odchodzące od wywierconych odwiertów wchodzą do studni kolektora. Od niej do pompy ciepła biegną dwie główne linie (zasilająca i powrotna), wyposażone w izolację cieplną. Średnica magistrali zależy od całkowitej objętości systemu i pomieszczenia, które ma być ogrzane. Czasami parametry sięgają 160 mm.

Zgodnie z przybliżonymi obliczeniami, do ogrzania domu mieszkalnego o powierzchni około 100 m² potrzeba około 7,5 kWh energii. Pionowe sondy do stworzenia systemu grzewczego „ziemia-woda” w tym przypadku trzeba będzie opuścić w grunt na 110–115 metrów albo zająć pod poziome instalacje 250 m² przyległego terenu (+).

Dzięki temu, że na głębokości temperatura gruntu jest zawsze wyższa i stabilniejsza pod wpływem jądra Ziemi, pionowy sposób układania systemu grzewczego uznaje się za maksymalnie efektywny. Wykazuje on wysoki poziom sprawności i niezawodnie działa przez wiele lat, nie powodując awarii ani uszkodzeń.

Wariant #2. Cechy pomp ciepła «woda-woda»

System geotermalny „woda-woda” wykorzystuje energię cieplną zasobów wodnych. Jest to możliwe, ponieważ na dużej głębokości temperatura wody, podobnie jak gruntu, pozostaje dość wysoka i przez cały rok utrzymuje stabilne, stałe wartości.

Do urządzenia systemu „woda-woda” i pozyskania niskotemperaturowej energii cieplnej można wykorzystać otwarte zbiorniki wodne (jeziora, rzeki), studnie, odwierty, a nawet ścieki z cykli technologicznych produkcji przemysłowych (zaopatrzenie w wodę typu odwrotnego).

Zasadniczej różnicy konstrukcyjnej między pompą ciepła „grunt-woda” a „woda-woda” nie ma. Jednak najmniejszych nakładów finansowych i pracy wymaga system oparty na otwartym zbiorniku wodnym. Do montażu nie są potrzebne zakrojone na szeroką skalę prace wiertnicze.

Materiał rurowy z czynnikiem grzewczym po prostu wyposaża się w obciążenie, zanurza w wodzie i za pomocą łączących instalacji podłącza do domowego systemu grzewczego.

Jednak taki wariant jest możliwy tylko wtedy, gdy działka przylega bezpośrednio do wody, a wszystkie części komunikacyjne systemu znajdują się pod kontrolą właścicieli. Jeśli nie ma dostępu do otwartego zbiornika wodnego, wykorzystuje się potencjał wód gruntowych.

Prawda, pociąga to za sobą poważne prace ziemne i budowę skomplikowanych konstrukcji, na przykład dodatkowej studni przeznaczonej do odprowadzania wody przepływającej przez zespół wymiany ciepła.

Podczas instalacji pompy ciepła «woda-woda» urządza się nie jedną, ale dwie studnie. Przez jedną pobierana jest woda robocza, a po przejściu przez wymiennik ciepła kierowana jest do drugiej, która znajduje się w kierunku przepływu wód gruntowych. Podczas lokalizacji należy uwzględnić, że studnia odbierająca musi znajdować się od oddającej w odległości co najmniej 6 metrów i koniecznie być niżej zgodnie z kierunkiem przepływu.

Zazwyczaj instalacje typu «woda-woda» montuje się tam, gdzie nie ma możliwości podłączenia do mediów centralnych lub wykorzystania innych rodzajów nośników ciepła.

Specjaliści twierdzą, że alternatywne ogrzewanie tego typu jest wyjątkowo efektywne w nowoczesnych budynkach, które mają minimalny wskaźnik strat ciepła.

Podczas wykonywania i układania własnymi rękami geotermalnych systemów grzewczych «woda-woda» bardzo ważne jest stosowanie materiałów o wysokiej odporności na korozję, zamarzanie i inne agresywne działanie środowiska zewnętrznego. Wtedy urządzenie będzie służyć długo i nie sprawi właścicielowi żadnych kłopotów.

Jeśli dom jest dobrze ocieplony, chroniony przed przeciągami, wilgocią i przenikaniem mroźnego powietrza lub zbudowany z zastosowaniem nowoczesnych technologii izolacji termicznej, koszt systemu ogrzewania znacznie się obniża ze względu na możliwość zakupu urządzeń pompowych o znacznie mniejszej mocy.

Wariant #3. Aranżacja systemów «powietrze-woda»

Pompa ciepła «powietrze-woda» wykorzystuje do pracy najbardziej dostępny, nieograniczony i odnawialny zasób energetyczny – powietrze. Urządzenie działa za pomocą wentylatorów i parowników połączonych w jeden zespół.

Największą efektywność wykazuje przy temperaturze do -15°C. Przy bardziej agresywnych wskaźnikach traci znaczną część mocy.

Pompa ciepła «powietrze-woda» jest znacznie tańsza niż modele «woda-woda» i «grunt-woda». Moduł nadaje się do regionów o stosunkowo ciepłych zimach. W zimnych północnych rejonach, gdzie mrozy przekraczają -20…25°C, instalacja urządzenia powietrznego uznawana jest za niecelową.

Agregat jest wyjątkowo wygodny, ponieważ nie wymaga od właścicieli domów jednorodzinnych posiadania sprzętu specjalistycznego do montażu i przeprowadzania skomplikowanych prac instalacyjnych.

Nie wymaga wybierania ziemi, wiercenia odwiertów i innych pracochłonnych działań. Łatwo się montuje i nie zajmuje dużo miejsca. Może poprawnie funkcjonować, umieszczony na dachu pomieszczenia mieszkalnego.

Geotermalną pompę ciepła «powietrze-woda» można zainstalować na działce bezpośrednio przy budynkach mieszkalnych. Działa cicho i ma nowoczesny, atrakcyjny wygląd, nie psujący ogólnego projektu terenu.

Do głównych zalet urządzenia należy praktycznie bezgłośna praca oraz możliwość ponownego wykorzystania ciepła opuszczającego ogrzewane pomieszczenie w postaci powietrza wywiewanego, wody, gazu, dymu itp.

Konserwację systemu właściciele przeprowadzają samodzielnie:

• czyszczą łopatki wentylatora i kratki ochronne na urządzeniu wyparnym z kurzu, drobnych zanieczyszczeń i liści;
• smarują sprężarkę specjalnym środkiem wskazanym w instrukcji przez producenta;
• wymieniają olej w jednostkach napędowych (wentylator, sprężarka) z określoną częstotliwością;
• sprawdzają integralność przewodu zasilającego i miedzianego rurociągu, przez który krąży czynnik chłodniczy w systemie.

Oprócz tych czynności producenci pomp ciepła zdecydowanie zalecają klientom kontrolowanie stanu czujników temperatury odzwierciedlających działanie jednostki sterującej.

Należy je przecierać, ostrożnie usuwając z powierzchni kurz i plamy oleju. To przedłuży «życie» systemu powietrze-powietrze i uczyni proces eksploatacji prostszym i wygodniejszym.

Jak wykonać agregat samodzielnie?

Niezależnie od tego, który wariant źródła ciepła (ziemia, woda lub powietrze) zostanie wybrany do ogrzewania, do prawidłowego działania systemu potrzebna będzie pompa.

To urządzenie składa się z następujących elementów:

• zestaw sprężarkowy (element pośredni kompleksu);
• parownik, przekazujący energię niskopotencjalną do czynnika grzewczego;
• zawór dławiący, przez który czynnik chłodniczy wraca do parownika;
• skraplacz, gdzie freon oddaje energię cieplną i schładza się do początkowej temperatury.

Można nabyć kompletny system u producenta, ale będzie to kosztować sporo. Gdy nie ma się wolnych środków, warto zrobić pompę ciepła własnymi rękami z dostępnych części i w razie potrzeby dokupić brakujące podzespoły.

Planując instalację geotermalnego systemu grzewczego w domu jednorodzinnym, przede wszystkim należy zadbać o zmniejszenie strat ciepła. W tym celu ściany trzeba ocieplić specjalnym materiałem, drzwi i ramy okienne wyposażyć w uszczelki piankowe, a podłogę i sufit zabezpieczyć panelami styropianowymi. Wtedy ciepło wytworzone przez pompę w maksymalnym stopniu pozostanie wewnątrz pomieszczenia.

Gdy decyzja o samodzielnym wykonaniu pompy ciepła zostanie podjęta, należy koniecznie sprawdzić stan istniejącej w domu instalacji elektrycznej i licznika energii.

Jeśli elementy te są zużyte i stare, należy sprawdzić wszystkie obszary, wykryć ewentualne usterki i usunąć je jeszcze przed rozpoczęciem prac. Wtedy system natychmiast po uruchomieniu będzie działał bez zarzutu i nie będzie niepokoił właścicieli zwarciami, zapaleniem przewodów i wybijaniem bezpieczników.

Sposób #1. Montaż z lodówki

Do montażu pompy ciepła własnymi rękami ze starej lodówki zdejmuje się umieszczony z tyłu wężownicę. Ten element wykorzystuje się jako skraplacz i umieszcza w bardzo wytrzymałym pojemniku, odpornym na agresywne temperatury. Na nim montuje się sprawnie działającą sprężarkę, a jako parownik stosuje się prostą plastikową beczkę.

Jeśli do stworzenia pompy używa się bardzo starej lodówki, lepiej wymienić w niej freon na nowy. Samodzielnie się to nie uda, więc trzeba będzie zaprosić fachowca ze specjalistycznym sprzętem. Szybko wymieni ciecz roboczą, a system zacznie działać w odpowiednim trybie.

Przygotowane elementy łączy się ze sobą, a następnie stworzone urządzenie za pomocą rur polimerowych podłącza się do systemu grzewczego i przystępuje do eksploatacji sprzętu.

Instruktaż krok po kroku dotyczący montażu pompy ciepła z lodówki opisano w tym artykule.

Sposób #2. Pompa ciepła z klimatyzatora

Aby zrobić pompę ciepła, klimatyzator modyfikuje się i przeprowadza reorganizację niektórych głównych podzespołów. Najpierw zamienia się miejscami blok zewnętrzny i wewnętrzny.

Parownika, odpowiedzialnego za przekazywanie ciepła niskotemperaturowego, nie instaluje się dodatkowo, ponieważ znajduje się on w bloku wewnętrznym urządzenia, a skraplacz przekazujący energię cieplną znajduje się w bloku zewnętrznym. Jako nośnik ciepła nadaje się zarówno powietrze, jak i woda.

Jeśli ten wariant montażu nie jest wygodny, skraplacz instaluje się w oddzielnym zbiorniku, przeznaczonym do prawidłowej wymiany ciepła między źródłem grzewczym a nośnikiem ciepła.

Sam system wyposaża się w czterodrogowy zawór. Do tej pracy zazwyczaj zaprasza się specjalistę posiadającego profesjonalne umiejętności i doświadczenie w przeprowadzaniu tego rodzaju działań.

Nowoczesne systemy split są mało efektywne przy niskich temperaturach, dlatego profesjonaliści nie zalecają używania ich do samodzielnego wytwarzania pomp ciepła.

W trzecim wariancie klimatyzator całkowicie demontuje się na części składowe, a następnie z nich kompletuje się pompę według tradycyjnego ogólnie przyjętego schematu: parownik, sprężarka, skraplacz. Gotowe urządzenie podłącza się do ogrzewającego dom sprzętu i przystępuje do użytkowania.

Na stronie znajduje się seria artykułów o wytwarzaniu pomp ciepła własnymi rękami, zalecamy zapoznanie się:

1. Jak zrobić pompę ciepła do ogrzewania domu własnymi rękami: zasada działania i schematy montażu
2. Jak zrobić pompę ciepła powietrze-woda: schematy urządzenia i samodzielny montaż

Porady dotyczące wyboru systemu

Montaż urządzenia typu „ziemia-woda” jest najdroższy ze wszystkich opcji, ponieważ wymaga głębokich prac ziemnych przy układzie pionowym lub dużej wolnej powierzchni działki przy poziomym ułożeniu instalacji.

Te parametry ograniczają zastosowanie systemu i znacznie obniżają jego atrakcyjność.

Instalacja pompy „woda-woda” również ma pewne ograniczenia. Jeśli w pobliżu znajduje się dostępny zbiornik wodny, można w nim umieścić system. Brak otwartych wód pociągnie za sobą wiercenie studni i studzienek odpływowych, co również nie jest tanie.

Pompa „powietrze-woda” nie sprawia problemów instalacyjnych i może poprawnie działać nawet w budynkach wielorodzinnych, ale podczas surowych zim z niskimi temperaturami jej wydajność spada i do jej wsparcia wymagane jest równoległe źródło energii.

Jednakże urządzenie ogrzewania geotermalnego ostatecznie zwraca swoje koszty i zaczyna wytwarzać darmowy zasób, pozwalając właścicielom żyć w jak najbardziej wygodnych, przyjemnych i komfortowych warunkach, nie wydając przy tym dużych środków na media.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

W filmie pokazano, jak w dużym domu z bloku gazokrzemianowego urządzono system grzewczy oparty na geotermalnym urządzeniu cieplnym „powietrze-woda”. Ujawniono kilka interesujących niuansów dotyczących montażu urządzenia i podano rzeczywiste liczby opłat za media za miesiąc.

Jak działa urządzenie „ziemia-woda”. Szczegółowy opis od specjalisty ds. instalacji geotermalnych kotłów grzewczych, zalecenia i przydatne porady dla domowych majsterkowiczów od profesjonalisty w swoim fachu.

Swoimi wrażeniami na temat geotermalnej pompy ciepła dzieli się rzeczywisty użytkownik urządzenia.

Profesjonalny ślusarz opowiada, jak w warunkach domowych wykonać pompę ciepła opartą na mocnym kompresorze i rurowych elementach wymiennika ciepła. Szczegółowa instrukcja krok po kroku.

Geotermalna pompa ciepła do ogrzewania prywatnego domu to udany sposób na stworzenie komfortowych warunków życia nawet tam, gdzie niedostępne są scentralizowane systemy komunikacyjne i bardziej znane źródła energii.

Wybór systemu zależy od lokalizacji nieruchomości i możliwości finansowych właścicieli.

Czy ma Pan/Pani doświadczenie w wykonaniu geotermalnej pompy ciepła? Proszę podzielić się informacjami z naszymi czytelnikami, zaproponować swoją wersję montażu. Komentarze i zdjęcia swoich samodziełek można zostawiać w formularzu poniżej.