Zemlja
Zemljani kolektor
Ako ste u izgradnji kuće odnosno uređenja okućnice i ako imate raspoloživu površinu zemlje tada ukopavanje polietilenskih cijevi ne bi trebao biti neki veći problem. Cijevi se polažu u zemlju na dubinu 1,2 - 1,5 m, ispod granice smrzavanja ali ne preduboko jer se s povećanjem dubine smanjuje utjecaj toplinskog toka Sunca i padalina.
Postoje više načina polaganja cijevi a jedan od najčešćih je da se cijevi u jednom iskopanom "bazenu" polože po sličnom principu kako se i polažu cijevi za podno grijanje.Jedno od najčešćih pitanja je koliko topline možemo na ovaj način dobiti iz zemlje ? To ovisi o sastavu tla. Prosječni godišnji toplinski učin iznosi 20 - 40 W/m2 (iskop na dubinu 1,2 - 1,5 m). Što je zemlja bogata vlagom to je specifično odavanje topline veće. Bolje je postaviti cijevi u glinastu zemlju nego u šljunčanu. Prosječna proračunska vrijednost uzima se 25 W/m2.
Okvirni proračun:
Zadano: 15 kW potrebna snaga za grijanje objekta
Potrebna raspoloživa površina zemlje:
A = P x (1 - e) / q
Gdje je:
P - snaga za grijanje u kW
e - udio el. snage za pogon kompresora toplinske pumpe (cca 25 %), e = 0,25
q - specifično odavanje zemlje, q ≈ 0,025 kW/m2
A = 15 x (1 - 0,25) / 0,025 = 450 m2
Razmak polaganja cijevi ovisi o promjeru cijevi i kreće se u rasponu od 40 - 70 cm.Položene cijevi se prije zatrpavanja provjeravaju tlačnom probom. U cijevi se stavlja mješavina etylenglikola i vode kao zaštita od smrzavanja. Naime, tijekom rada sustava mogu se očekivati temperature medija u cijevima i ispod 0ºC. Nakon što se napune medijem i stave pod pritisak, cijevi se zatrpavaju zemljom. U slučaju prisutnosti oštrog kamenja u zemlji poželjno je prije zatrpavanja cijevi prekriti tanjim slojem pijeska cca 10 - 15 cm. Polazni i povratni krajevi cijevi spajaju se na zajednički razdjelnik i sabirnik koji se nalazi u ukupanom šahtu kojeg je najbolje postaviti u iskopani "bazen". Od šahta do toplinske stanice gdje se nalazi toplinska pumpa radi se iskop kanala također na dubinu 1,2 - 1,5 m i u njega se polažu dvije napojne polietilenske cijevi.
Prijenos topline od zemlje do toplinske pumpe obavlja se cirkulacijom medija kroz cijevi pomoću cirkulacijske pumpe koja se nalazi u toplinskoj stanici. Površina ispod koje su položene cijevi ne smije se asfalirati. Poželjno je da u potpunosti bude izložena utjecaju Sunca i oborina. Moguće je polaganje "kocki" ali u manjem obimu, za staze i sl. Unutar kolektorske površine ne smiju se polagati cijevi za snabdijevanje pitkom vodom zbog mogućeg smrzavanja. Nije uputno saditi drveće sa dubokim korjenjem.Sustav sa zemljanim kolektorom jedan je od najčešće korištenih sustava. Garantira stabilno oduzimanje topline iz zemlje i ne traži prevelika ulaganja. Kao mogući nedostaci su ograničenja u raspoloživoj površini zemlje i smanjen učin kod pasivnog hlađenja (vidi Pasivno hlađenje).
Zemljana sonda
Pomoću zemljane sonde oduzima se energija iz zemlje iz većih dubina. Kod ovog sustava primarni je toplinski tok Zemljane kore a ne direktno sunčevo zračenja kao kod zemljanih kolektora. Na ovaj način dobiva se približno konstantna temperatura izvora kroz cijelu godinu. Kod sustava sa sondama izvode se dubinska bušenja na dubine 60 - 100 m a u bušotinu se kao i kod zemljanih kolektora polaže najčešće polietilenske cijevi. Promjer bušenja ovisi o sastavu tla i promjera cijevi a najčešće se kreće u rasponu od 140 - 165 mm. Cijevi su tzv. dvostruke polietilenske U-cijevi posebno napravljene za ovu namjenu, promjera 32 ili 40 mm. Toplina koju zemlja predaje na sondu ovisna je o sastavu zemlje. Prosječni godišnji toplinski učin kreće se od 35 - 100 W/m. Kao okvirna proračunska veličina može se uzeti 50 W/m. Na osnovu ovog podatka može se izračunati ukupna dužina bušenja tj. broj bušotina.
Okvirni proračun:
Zadano: 15 kW potrebna snaga za grijanje objekta
Ukupno potrebna dubina bušenja:
L = P x (1 - e) / q
Gdje je:
P - snaga za grijanje u kW
e - udio el. snage za pogon kompresora toplinske pumpe (cca 25 %), e = 0,25
q - specifično odavanje zemlje, q ≈ 0,050 kW/m
L = 15 x (1 - 0,25) / 0,050 = 225 m
Slijede 3 bušotine od 75 m
Razmak između bušotina ne bi smio biti manji od 6 m. U cijevi se stavlja mješavina etylenglikola i vode kao osiguranje od preniskih temperatura u sondi. Međuprostor bušotine i cijevi ispunjava se suspenzijom bentonit+cement+voda prema točno određenoj recepturi. Punjenje suspenzijom potrebno je kako bi se ostvario kvalitetni prijenos topline od zemlje na sondu. Bušotine (sonde) se međusobno povezuju u zajedničkom šahtu koji se nalazi u neposrednoj blizini toplinske stanice. Prijenos topline od zemlje do toplinske pumpe obavlja se cirkulacijom medija kroz sonde pomoću cirkulacijske pumpe koja se nalazi u toplinskoj stanici. Površina iznad zemljanih sondi može se asfaltirati i bez posebnih je ograničenja.
Sustav sa zemljanim sondama ne traži veliku raspoloživu površinu. Stabilan je i kao takav najčešće je korišten sustav sa toplinskim pumpama u Europi. Primjer, Švedska kao zemlja s najvećim brojem ugrađenih toplinskih pumpi u potpunosti je orijentirana na zemljane sonde. Osnovno i jedino ogranićenje primjene je povećano startno ulaganje. Najveća investicija je bušenje. Ono se u Hrvatskoj kreće u rasponu od 40-60 Euro/m.
Problem se rješava na način da se ukupno potrebna količina topline za grijanje riješi kombinacijom toplinske crpke i npr. kondenzacijskog plinskog uređaja. U ovoj varijanti izvodi se manji broj bušotina pri čemu toplinska crpka pokriva veći dio ogrjevne sezone a vršne potrebe ujedno i manje rješavaju se kondezacijskim uređajem. Dubinske sonde (polietilenske cijevi) imaju vijek trajanja 100 i više godina a kod procjene ulaganju i ovo može biti jedan od odlučujućih faktora.