Najbardziej zażarte kłótnie toczą się wewnątrz rodziny. Nie inaczej jest w pompach ciepła. Laik próbujący wybrać między powietrzną pompą ciepła a gruntową pompą ciepła z wymiennikiem poziomym lub pionowym, prawie zawsze trafia w sam środek wojenki między handlowcami i instalatorami różnych rodzajów pomp ciepła, zażarcie bijącymi się o chleb – gdzie trudno się dowiedzieć wszystkich istotnych i prawdziwych informacji o każdej z technologii, aby móc dokonać najlepszego wyboru.

Dolne źródło w slangu inżynierskim to jest to medium, z którego pompa ciepła czerpie ciepło. Jego wybór decyduje o efektywności i koszcie całej instalacji z pompą ciepła. Najczęściej wybór pada na powietrze – bo zwykle jest to wybór jedyny możliwy albo najsensowniejszy. Inne opcje istnieją, ba: są lepsze, ale nie każdy będzie miał na nie warunki (miejsce i/lub więcej pieniędzy do zainwestowania na start).

Postaram się zebrać tutaj najważniejsze informacje potrzebne przy wyborze rodzaju pompy ciepła, odcedzone z marketingu i internetowych legend. Sporo detali zaczerpnąłem z wytycznych PORT PC (polskiej branżowej organizacji pomp ciepła).

Powietrzna pompa ciepła

Pompy ciepła pobierające ciepło z powietrza zawojowały rynek nie tylko w Polsce. Sedno tego sukcesu: nie są najlepsze, ale są wystarczająco dobre.

• Powietrze zimą jest zimne a jednak średnio w sezonie grzewczym jest na tyle ciepłe, by efektywność powietrznej pompy ciepła czyniła ją opcją sensowną ekonomicznie.
• Powietrze jest dostępne za darmo a wymienniki gruntowe to dodatkowe koszty.
• Nie każdy ma warunki na wykonanie wymiennika gruntowego a powietrzną pompę ciepła wciśnie się niemal wszędzie.

Powietrzna pompa ciepła będzie w większości przypadków najsensowniejsza jeśli chodzi o stosunek koszt/efekt. Wymiennik gruntowy posłuży dłużej, oszczędzi prądu, ale nie każdy będzie mógł sobie na niego pozwolić, czy to z braku miejsca (wymiennik poziomy), czy pieniędzy (wymiennik pionowy).

Jedynym problemem związanym z umiejscowieniem powietrznej pompy ciepła może być hałas towarzyszący jej pracy, który może przeszkadzać sąsiadowi (albo własnym domownikom, gdy po czasie okaże się, że pompę słychać nocą w sypialni). Z jednej strony są na to normy i przepisy, jak daleko od sąsiada pompa musi stać i jakie natężenie hałasu może generować. Możesz przejść się po okolicy (najlepiej zimą, na mrozie), wypatrzyć u kogoś na podwórku takie urządzenie i ocenić swoim uchem, jakie to wydaje odgłosy. Ale z drugiej strony odczuwana uciążliwość dźwięku jest mocno subiektywna, na to mogą się nakładać istniejące zatargi z sąsiadami, więc nigdy do końca nie wiadomo, jak zareaguje otoczenie, czy nie będzie miało pretensji nawet nie mając racji.

Różne odmiany gruntowej pompa ciepła

Są trzy główne rodzaje wymienników gruntowych stosowanych w pompach ciepła: poziomy, pionowy i koszowy. Wszystkie trzy są w ogólności tak samo dobre – to trzeba podkreślić, bo czytuję bzdurne twierdzenia jakoby poziomy/pionowy był za słaby/gorszy/psuł się po czasie i koniecznie trzeba brać pionowy/poziomy (oczywiście dobry jest ten, który dany handlarz/wykonawca tak twierdzący sprzedaje/montuje).

Każdy z tych trzech wariantów wymiennika gruntowego – dobrany, zaprojektowany i wykonany zgodnie ze sztuką! – będzie się sprawował dokładnie tak samo dobrze. Będą się różniły m.in. kosztami wykonania i zajętą powierzchnią podwórka, ale wszelkie inne historie, w których z wymiennikiem jest coś nie tak, są efektem kiepskiego projektu i/lub złego wykonania.

Gruntowa pompa ciepła z wymiennikiem poziomym

Poziomy wymiennik gruntowy czerpie ciepło z wierzchniej warstwy gruntu. Ciepło to bierze się tam ze słońca oraz z wody opadowej wsiąkającej przez cały rok.

Poziomy wymiennik to najczęściej rura PE fi 40mm w zwojach po min. 100mb rozłożonych na płasko w gruncie na głębokości ok. 1m, tuż poniżej granicy przemarzania, ale jeszcze powyżej wód gruntowych (chyba że są już tak płytko to wtedy w wodzie, ale nie jest to celem samo w sobie).

W wykonaniu poziomego wymiennika nie ma większej filozofii – odpowiednią ilość rury trzeba zakopać na odpowiednio dużym obszarze, co oznacza wykonanie potężnego wykopu i przerzucenie wielu ton ziemi, więc raczej nie robi się tego ręcznie. Należy utrzymywać określone odstępy (zazwyczaj 1-3m) od infrastruktury podziemnej, granic działki, budynków i drzew. Rury nie mogą leżeć na ostrych kamieniach i muszą mieć dobry kontakt z gruntem, więc najlepiej gdy zostaną ułożone w warstwie piasku. Na wierzch idzie już grunt rodzimy. Tak to z grubsza wygląda. Potem wszystkie pętle wymiennika łączy się do rozdzielacza umieszczonego w podziemnej studzience a stamtąd prowadzi już jedną parę rur do pompy ciepła.

Poziomy wymiennik gruntowy będzie służyć kilkadziesiąt (40-50) lat (tyle, ile wynosi trwałość rur).

• Wydajność wymiennika gruntowego pozostaje stała w całym okresie eksploatacji, bo nic się tu z biegiem czasu nie zmienia. No dobra, jest pewne ryzyko, że coś tam się zmienić może: obniżenie poziomu wód gruntowych i/lub spadek ilości opadów. Przed tym można się zabezpieczyć wykonując wymiennik z zapasem, tj. jak dla gruntu suchego, nawet jeśli teraz woda gruntowa jest wysoko.
• Nie wymaga żadnej konserwacji. Prawdopodobnie za całego żywota wymiennika nie będzie potrzeby wymiany glikolu – ciecz pracuje w niskich temperaturach i w wąskim ich zakresie, stąd nie ulega takiej degradacji jak glikol w instalacjach solarnych.
• Można po wymienniku poziomym jeździć autem, ciężarówką a nawet czołgiem. Nie ma możliwości, by go uszkodzić obciążeniem na powierzchni gruntu.
• Prawidłowo dobrany wymiennik poziomy nie szkodzi roślinom na powierzchni ani rośliny nie szkodzą jemu, chociaż nie powinno się na nim sadzić potencjalnie wielkich drzew o rozbudowanym systemie korzeniowym.
• Jedyne poważne ograniczenie w użytkowaniu terenu z poziomym wymiennikiem gruntowym to brak możliwości układania na nim nieprzesiąkającej nawierzchni oraz stawiania tam większych budowli – gdyż to ogranicza spływ wody deszczowej do gruntu i upośledza działanie wymiennika.

Czy poziomy wymiennik gruntowy się opłaca w porównaniu do powietrznej pompy ciepła? Jeżeli masz warunki na jego wykonanie – zdecydowanie tak.

• To jednorazowy wydatek, który posłuży kilkadziesiąt lat i w zupełności się zwróci.
• Oszczędza prąd – to zawsze przekłada się na konkretne pieniądze, z roku na rok coraz większe.

Szczególnie warto iść w poziomy wymiennik jeśli masz i teren, i koparkę (swoją/u szwagra/znajomego), wtedy koszty wykonania są najniższe a zyski w porównaniu z powietrzną pompą ciepła – ewidentne. Jak pokazują prowadzone od 20 lat w Niemczech badania pomp ciepła w warunkach rzeczywistych, gruntowa pompa ciepła zużyje średnio 1/4 mniej prądu niż powietrzna.

Wytyczne branżowe twierdzą, że wykonanie poziomego wymiennika gruntowego nie wymaga pozwolenia na budowę, ale powinno się zgłosić zamiar jego wykonania miejscowemu wójtowi/burmistrzowi/prezydentowi min. 30 dni przed startem robót i jeśli w ciągu 30 dni instytucja ta nie odezwie się – można działać.

Gruntowa pompa ciepła z wymiennikiem pionowym

Pionowy gruntowy wymiennik dla pompy ciepła to pionowy odwiert taki jak pod studnię głębinową. Pionowy wymiennik czerpie energię geotermalną z (płytkiego) wnętrza ziemi.

Odwiert pod wymiennik pionowy gruntowej pompy ciepła najczęściej wykonuje się na głębokość do 100m. Wynika to ze względów prawnych:

• Na odwiert do 30m na terenach niegórniczych nie trzeba żadnych pozwoleń ani projektów, ale to za płytko i bez sensu, trzeba by takich odwiertów kilkanaście, co z powodu wymaganych odstępów między odwiertami zajęłoby znaczny kawałek terenu. Na terenach górniczych każdy odwiert wymaga projektu robót geologicznych.
• Na odwiert do 100m potrzebny jest projekt robót geologicznych, który zgłasza się do starosty powiatowego.
• Odwiert głębszy niż 100m podpada już pod przepisy górnicze.

Największy plus pionowego wymiennika gruntowego to oszczędność miejsca na podwórku – odwiert zmieści się tam, gdzie brak miejsca na wymiennik poziomy. Jeden odwiert ma średnicę kilkanaście centymetrów. Wymagane są określone odstępy odwiertu od budynków, infrastruktury typu rury wodociągowe oraz od pozostałych odwiertów (zależnie od głębokości i wymaganej mocy grzewczej, zwykle potrzeba więcej niż jednego odwiertu). W każdym razie odwierty zajmą może kilka metrów kwadratowych podwórka i nie powodują żadnych ograniczeń w wykorzystaniu terenu.

Największy minus pionowego wymiennika gruntowego to wysoki koszt wykonania – ok. dwa razy wyższy od wymiennika poziomego. Nie ma opcji, by coś tu istotnie przyoszczędzić, chyba że jesteś w dobrej znajomości ze studniarzem.

A propos studniarzy – jako że zauważają oni biznes w odwiertach pod pompy ciepła, biorą się za tę dziedzinę niekoniecznie mając komplet odpowiedniej wiedzy. Ja też jeszcze zgłębiam temat, z czasem dodam tu więcej szczegółów, ale już widzę w dyskusjach takie tematy:

• Nie każdy wykonawca wie (albo udaje niewiedzę) że odwiert wymaga projektu i uzgodnienia w starostwie powiatowym.
• Istnieje odłam zwolenników wypełniania odwiertu urobkiem zamiast – jak wytyczne branżowe przykazują – odpowiednią masą wypełniającą (betonem termicznym). Owszem, wychodzi taniej, ale potem jest spora szansa, że zapłacisz dwa razy. Wypełnienie urobkiem albo piaskiem nie gwarantuje, że zostaną usunięte pustki powietrzne i materiał wypełniający będzie ściśle przylegać do wymiennika na całej długości. To zapewnia tylko beton termiczny wtłaczany pompą od dna odwiertu poczynając. Jeśli pozostaną pustki to odwiert będzie miał ograniczoną wydajność i szybko zamarznie, czyli pompa ciepła może znienacka stanąć dęba w środku zimy.

Gruntowa pompa ciepła z wymiennikiem koszowym

Istnieje jeszcze jeden rodzaj wymiennika gruntowego: wymiennik koszowy. To połączenie idei wymiennika poziomego i pionowego, ale sądząc po niszowej popularności raczej rzadko okazuje się sensowny.

"Kosz" to wkopywana pionowo spirala z rury z tworzywa sztucznego o wysokości 3-5m i średnicy od 30cm do paru metrów. Cały wymiennik koszowy składa się z kilkunastu-kilkudziesięciu "koszy", które muszą być rozmieszczone co min. 3 metry od siebie.

Otwory pod "kosze" można wykonać poprzez wiercenie, ale wymaga to już mocno specjalistycznego sprzętu do odwiertów o większych średnicach. Tutaj jest pokazane, jak to wygląda.

Pompa ciepła na wodę gruntową lub powierzchniową

Woda jest najlepszym magazynem energii cieplnej. Jednak z jakiegoś powodu pompy ciepła wykorzystujące wodę gruntową lub powierzchniową są totalną niszą. Niewiele konkretnego można o nich przeczytać a jeśli już można, to często są to ostrzeżenia samych wykonawców pomp ciepła, aby się w to nie pakować. O co tu chodzi?

Zacznijmy od początku. Wystarczy mieć studnię zasobną w wodę. Ta woda ma zawsze co najmniej 8-10 stopni, a że woda ma bardzo wysokie ciepło właściwe – siedzi w niej o wiele więcej energii niż w gruncie czy tym bardziej w powietrzu. Wydaje się proste i przyjemne, póki nie zapoznać się z listą problemów, jakie mogą tu wyniknąć:

• Wody trzeba pompować bardzo duże ilości. Ekwiwalentem 1 kilograma węgla jest ~500 litrów wody. Spalasz dziennie worek (20kg) ekogroszku – tyle samo energii uzyskasz z 10 ton wody.
• Studnia musi zapewnić odpowiednią wydajność dzień w dzień – nie wszędzie są ku temu warunki. Mogłeś ze studni korzystać latami dla potrzeb własnych, ale pobory gospodarstwa domowego są śmiesznie małe wobec potrzeb pompy ciepła. Nie wiadomo, czy nagle po jakimś czasie wody nie zabraknie, choć początkowo było pięknie. Niby jest to obieg niejako zamknięty, woda wraca do gruntu, ale kto wie, jak się sprawy pod ziemią toczą.
  Samo pompowanie wody nie jest wielkim wydatkiem energetycznym, ale potrzebne jej ilości są źródłem dalszych problemów.
• Istotna jest także jakość wody: im bardziej zmineralizowana, tym więcej problemów. Minerały będą się stopniowo wytrącać w wymienniku pompy ciepła i spowodują stopniowy spadek sprawności, aż do konieczności czyszczenia. Zapobiega się temu stosując dodatkowy wymiennik pośredni – ale to tylko przeniesienie problemu poza pompę ciepła, bo ten wymiennik pośredni i tak trzeba będzie okresowo czyścić.
• Nie mniejszym problemem jest zrzut wody "zużytej". Jeśli da się zrzucać wodę do jakiegoś stawu, potoku, rzeczki – wygrałeś życie, masz ogromną szansę na sukces. Jeśli nie masz takich warunków, musisz wodę rozsączyć w gruncie. I tu zaczyna się strome podejście. Zazwyczaj mówi się, że do tego celu potrzebna jest druga studnia analogiczna do czerpalnej. Tak by było najlepiej (choć można też wykonać odpowiednio rozległy drenaż), ale to nie koniec atrakcji.
• Nawet jeśli wykonasz studnię zrzutową, to za czas jakiś może ona się zatkać. Czym? Ano minerałami wytrącającymi się ze zrzucanej wody. Nawet gdy woda jest krystalicznie czysta, zawiera w sobie nieco rozpuszczonych minerałów, które wytrącają się z niej pod wpływem natlenienia. Owo "nieco" przemnożone przez tysiące litrów, miesiące i lata – może w końcu dać wiele kilogramów mułu, który uniemożliwi dalsze wsiąkanie wody. W studniarskim światku nazywa się to kolmatacja. Można z tym walczyć, ale nie jest łatwo, prościej może być wykonać nową studnię.
• Poza powyższą listą problemów technicznych jest też problem natury formalnej: na pobór wód gruntowych albo powierzchniowych w tak dużych ilościach najprawdopodobniej powinno się uzyskać pozwolenie wodnoprawne od Wód Polskich (wody zarówno powierzchniowe jak i gruntowe to ich eksterytorialne królestwo). Nie wiem z jakimi formalnościami i kosztami to się wiąże, ponieważ nie widziałem nikogo, kto by takie pozwolenie uzyskał. Ba – fachowcy branżowi mówią na ten sam temat często totalnie sprzeczne rzeczy. Widać, że przepisy i procedury w tej dziedzinie są pisane pod przemysł a domowe pompy ciepła wrzucono tam z braku lepszej przegródki. Fachowiec od pozwoleń wodnoprawnych zapytany o pompę ciepła 10kW doznaje wytrzeszczu z zaskoczenia. Wygląda, że jeśli już ktoś sobie taką pompę ciepła na wodę instaluje – a zdarzają się filmiki na necie – to robi to nielegalnie, bez dopełnienia formalności, a żadne instytucje się tym chyba zbytnio nie przejmują, i tak się żyje w tym kraju.

Sprzyjające warunki pod każdym wymienionym względem występuje dosyć rzadko. Nawet gdy wydaje się, że wszystko jest OK na starcie – po jakimś czasie pompa może odmówić posłuszeństwa. Dlatego jest to ryzykowny sport i ekstremalnie rzadko wybierane rozwiązanie. Aczkolwiek może się świetnie sprawdzić jeśli akurat jesteś tym farciarzem, który ma warunki pod każdym względem korzystne. Ale pewnie trudno będzie znaleźć fachowca, który zainstaluje taką pompę ciepła, bo każdy woli bezproblemowe pompy powietrzne lub gruntowe.