Kolektor poziomy czy pionowy - które rozwiązanie jest lepsze?

Majster Guru: – Gotowych rozwiązań nie ma, bo trzeba uwzględnić wiele czynników różnorodnej natury. Zawsze należy więc rozpatrywać konkretny przypadek, biorąc pod uwagę uwarunkowania miejscowe. Kolektor poziomy jest przeważnie dość tani w wykonaniu, ale niezbędna jest duża działka.

Co więcej, korzysta on głównie z ciepła pochodzącego ze słońca i wód opadowych (rury znajdują się zbyt płytko, by ciepło z wnętrza ziemi miało większe znaczenie) i dlatego powierzchnia nad kolektorem nie może zostać zabudowana ani pokryta nawierzchnią, która utrudniałaby regenerację kolektora, czyli nagrzewanie gruntu w porze letniej. Szkodliwe jest także zacienianie przez drzewa czy budynki.

Z kolei kolektor pionowy to rozwiązanie droższe do założenia, lecz stawiające mniejsze wymagania wobec wielkości działki i trochę mniej ją rujnujące. Jest też na ogół lepsze pod względem eksploatacyjnym, z powodu stabilnej temperatury gruntu na większych głębokościach.

– Wodne kolektory poziome ułożone na dnie stawu czy rzeki mają bardzo dobrą wydajność z tego prostego powodu, że woda jest o wiele lepszym nośnikiem (akumulatorem) ciepła niż grunt. Ponadto w zbiorniku wodnym nieustannie dochodzi do przemieszczania się wody spowodowanego różnicami temperatury, podczas gdy wychłodzona ziemia przy rurze kolektora gruntowego nie zamieni się miejscami z warstwą gruntu położoną o metr głębiej.

Niestety – posiadanie na własnej posesji zbiornika wodnego o powierzchni i głębokości pozwalającej na wykonanie kolektora jest w Polsce rzadkością. Łatwiej już o działkę w rejonie umożliwiającym zbudowanie dolnego źródła w formie dwóch studni – czerpalnej i zrzutowej – choć, oczywiście, nie wszędzie są odpowiednio duże zasoby wód podziemnych. Z uzyskaniem zezwolenia wodno-prawnego, koniecznego w wypadku korzystania ze studni "w celach energetycznych", można sobie poradzić relatywnie łatwo.

Woda gruntowa jest bardzo dobrym nośnikiem ciepła. Jednak jej skład jest często nieodpowiedni. rys. DANFOSS

Niestety – źródło tego rodzaju jest często bardzo kłopotliwe w eksploatacji ze względu na obecność w wodzie związków mineralnych (zawierających np. żelazo, mangan i wapń), co prowadzi do błyskawicznego zamulania wymiennika ciepła w pompie, ewentualnych filtrów, a nawet samych przewodów wodnych.

Można ratować się, dorzucając dodatkowy wymiennik ciepła na drodze między źródłem a pompą, który dobiera się przede wszystkim pod kątem łatwego oczyszczania z osadów. Jednak taki wymiennik powoduje kolejne straty energii, a o spokojnej, niezakłóconej eksploatacji pompy i tak nie ma mowy.

Tak więc w praktyce po ciepło z wód podziemnych, choć w teorii jest to rozwiązanie bardzo atrakcyjne, sięga się raczej rzadko. Kolektor gruntowy, jeśli tylko jest porządnie zrealizowany, zapewnia większą trwałość inwestycji – nie grozi mu zamarznięcie podczas mrozów ani wyschnięcie w okresie suszy, gwarantuje też niezakłóconą eksploatację wymiennika pompy.

- Sama budowa to żaden problem, bowiem nie wymaga użycia specjalistycznego sprzętu – wystarczy zwykła koparko-spycharka. Za to, jak już mówiliśmy, potrzebna jest duża działka.

– To kwestia warunków lokalnych. Wydajność kolektora poziomego jest silnie zależna od rodzaju gruntu oraz stopnia jego nasycenia wodą. Najlepiej gdy jest on gliniasty i mocno nasączony – 1 m2 takiego gruntu ma wydajność cieplną na poziomie 30–40 W/m2. W przypadku gruntu suchego, niespoistego, takiego jak spotykane w wielu regionach kraju piaski, wydajność ta spada do poziomu zaledwie 8–10 W/m2.

Do podejmowania wiążących decyzji niezbędna jest zawsze ocena fachowca – są firmy mające sprzęt do pomiarów przewodności i pojemności cieplnej gruntu. Tak dla orientacji – jeśli ustalimy, że grunt ma wydajność ok. 15 W/m2, a parametry użytkowe planowanej pompy ciepła to 10 kW mocy grzewczej i COP na poziomie 4, to na kolektor powinno się przeznaczyć ok. 500 m2 działki. Na terenach wiejskich to właściwie drobiazg, jednak w rejonach podmiejskich, zurbanizowanych może być to trudne lub wręcz niemożliwe.

Proszę zwrócić uwagę na to, że powyższe parametry i obliczenia odnoszą się do wydajności cieplnej gruntu jako takiego. Sam kolektor jest tylko wymiennikiem, a więc gęstsze ułożenie jego rur w żaden sposób nie zwiększy ilości pozyskiwanego ciepła, za to w skrajnych wypadkach może sprzyjać tworzeniu się tarczy lodowej między blisko położonymi przewodami kolektora, kiedy ziemia się zanadto wyziębi. Odpowiednio dużą powierzchnię gruntu trzeba zająć i nic się na to nie poradzi.

– To zależy, jak na to patrzeć. Budowa kolektora pionowego wymaga poświęcenia o wiele mniejszej powierzchni działki, lecz niech pan nie wierzy tym, którzy obiecują, że w ogóle jej to nie naruszy. Musi przecież na nią wjechać ciężki samochód ciężarowy z wiertnicą, co już jest sporym wyzwaniem.

Spiralne sondy w płytkich odwiertach to rozwiązanie pośrednie pomiędzy kolektorem poziomym i pionowym. fot. REHAU

Co gorsza, podczas robót ziemię z odwiertu wypłukuje się wodą, więc po ich zakończeniu na działce pozostaje góra błota, z którym musimy coś zrobić, a w praktyce jedynym rozwiązaniem okazuje się zwykle wywiezienie. Wykonanie odwiertów, ułożenie rur (zwanych sondami) wymaga przy tym nie tylko odpowiedniego sprzętu, ale i specjalistycznych umiejętności, to zaś powoduje, że koszty budowy kolektora pionowego są wyższe niż poziomego.

Przy czym są i zalety. W przypadku kolektora pionowego, rodzaj gruntu przy powierzchni ziemi nie ma większego znaczenia – i tak najlepiej pracuje jego część znajdująca się na głębokości przekraczającej 20 m. Na ogół temperatura gruntu jest tam niezależna od pory roku i wynosi około 10°C. To o wiele więcej, niż w przypadku kolektora poziomego, dla którego, jak pan już wie, przyjmuje się temperaturę roboczą na poziomie 0°C.

Kolektor pionowy jest więc znacznie sprawniejszy energetycznie od poziomego. Można nawet powiedzieć, że powracający z odwiertu glikol jest w powierzchniowej warstwie gruntu niepotrzebnie chłodzony i dlatego zazwyczaj lepiej jest zrobić mniej odwiertów głębokich niż więcej płytkich.

Oczywiście, uwzględnia się specyfikę struktury geologicznej w danym rejonie, wyższe koszty wykonania głębokich odwiertów oraz fakt, że wraz ze wzrostem ich głębokości rośnie długość rur kolektora, co zwiększa opory przepływu glikolu, a zatem i zużycie prądu przez pompę obiegową. Ponadto czym głębsze odwierty, tym więcej zachodu wymaga właściwie ich wypełnienie po wprowadzeniu rur kolektora.

W żadnym wypadku nie można doprowadzić do sytuacji, w której wokół rur pozostałyby puste przestrzenie, bo izolowałyby one termicznie sondy od gruntu. Odwierty wypełnia się specjalnymi mieszankami, o przewodności cieplnej co najmniej tak dobrej jak grunt rodzimy, a od starannego zrealizowania tej operacji zależy sprawne funkcjonowanie kolektora.

– Powtórzę się, ale zależy to przede wszystkim od uwarunkowań lokalnych, a także od wielkości działki. Jeszcze wypada mi dodać, że w obu wypadkach może pan zdecydować się na kolektor z bezpośrednim odparowaniem.

– W rurach zwykłego kolektora, czy to poziomego, czy pionowego, krąży płyn niezamarzający. Ciepło do parownika pompy ciepła przekazywane jest przez odpowiedni wymiennik. Jednak w obu przypadkach można zrobić inaczej – zamiast płynu niezamarzającego, w rurach kolektora krążyć może nie roztwór glikolu, ale czynnik roboczy pompy ciepła.

Kolektor tego rodzaju, nazywany kolektorem z bezpośrednim odparowaniem, jest wtedy po prostu parownikiem pompy ciepła, co poprawia jej sprawność energetyczną w porównaniu z pompami "glikolowymi", ponieważ zbędne stają się wymiennik płytowy – separujący obieg glikolowy od obiegu czynnika chłodniczego – oraz pompa obiegu glikolowego, pracująca zawsze gdy działa pompa ciepła. A oba te elementy obniżają, oczywiście, sprawność energetyczną całej instalacji.

– Bo kolektor gruntowy będący rozwinięciem układu chłodniczego trzeba zbudować o wiele staranniej, gdyż nawet drobne nieszczelności będą skutkować ucieczką czynnika chłodniczego, który jest znacznie droższy niż roztwór glikolu. Pętle kolektora poziomego lub sondy kolektora pionowego wykonuje się więc z rur miedzianych pokrytych zabezpieczającym tworzywem sztucznym.

To oczywiście kosztuje, ale w zamian rośnie wydajność całego systemu, co pozwala zmniejszyć rozmiary kolektora poziomego, czy też głębokość odwiertów, oraz obniża koszty ogrzewania domu. I znowu wszystko jest kwestią kalkulacji...