Gruntowe wymienniki ciepła

Gruntowe wymienniki ciepła stanowią doskonałe uzupełnienie systemu wentylacji z rekuperatorem,dostarczając obiektom „darmowej” energii z gruntu. Zapewniają nie tylko wstępne podgrzaniepowietrza wentylacyjnego zimą, ale przede wszystkim - schłodzenie go latem.

Nowe i znowelizowane dyrektywy UE dotyczące budownictwa sprawiają, że powstaje coraz więcejobiektów o niewielkim zapotrzebowaniu na energię. Budowanym obecnie domom stawia się wysokiewymagania, zwłaszcza w kwestii ich izolacyjności oraz szczelności. Redukcja mostków cieplnychskutkuje, co prawda, mniejszym obciążeniem systemów ogrzewania oraz chłodzenia, rodzi jednakpotrzebę zastosowania wentylacji mechanicznej, która odpowiada za wymianę powietrza w obiekcieoraz odprowadzenie wilgoci w naturalny sposób wytwarzanej we wnętrzu. Centrale wentylacyjne zodzyskiem ciepła umożliwią ponowne wykorzystanie ciepła wytworzonego we wnętrzu budynkupodczas jego użytkowania.

Fot. 1. Schemat układu GPWC w domu.

GWC

Aby stworzyć najbardziej optymalny system wentylacji i ogrzewania domu, warto przewidziećzamontowanie oprócz rekuperatora również gruntowego wymiennika ciepła (w skrócie GWC).Wykorzystując darmową energię skumulowaną w gruncie GWC staje się uzupełnieniem wentylacjinawiewno- wywiewnej z odzyskiem ciepła. Temperatura gruntu poniżej głębokości przemarzania,czyli zazwyczaj od 1,5 do 5 m, niezależnie od pory roku utrzymuje się na stałym poziomie od 4 do10°C. GWC umożliwia wykorzystanie tej właściwości gruntu do zmiany parametrów przepływającegoprzez niego powietrza. Instalacja wymiennika gruntowego – w zależności od sezonu pozwala więc napodwyższenie temperatury nawiewanego powietrza nawet o 20°C lub jej obniżenie: latemrekuperator zasysa gorące powietrze zewnętrze przez GWC, które, przepływając przez wymiennik,ulega schłodzeniu nawet o 16-20°C.

Fot. 2. Czerpnia powietrza.

Pamiętajmy jednak, że jeśli zamierzamy połączyć instalacje wentylacji mechanicznej z GWC,rekuperator powinien być wyposażony w by-pass, który uniemożliwi wtórne podgrzanie powietrzawprowadzanego do wnętrza budynku na wymienniku wewnątrz rekuperatora. Brak by-passu wrekuperatorze zniweluje działanie podłączonego do niego GWC latem.

W przypadku domów jedno- lub wielorodzinnych GWC są często stosowane, aby utrzymywaćdodatnią temperaturę na wlocie do rekuperatora także zimą. Centrala wentylacyjna pobiera przezGWC zimne powietrze, które w trakcie przepływu przez gruntowy wymiennik zostaje wstępniepodgrzane, co zapobiega szronieniu rekuperatora i eliminuje konieczność instalowania bardzodrogiej w eksploatacji nagrzewnicy elektrycznej. Tym samym by-pass centrali zimą musi byćzamknięty, aby powietrze z zewnątrz po przejściu przez GWC przechodziło również przez wymiennikzainstalowany w rekuperatorze i ogrzewało się dodatkowo od powietrza usuwanego z budynku.Natomiast wiosną oraz jesienią, kiedy temperatura gruntu oraz powietrza na zewnątrz nie różni sięzbytnio, rekuperator powinien czerpać powietrze z czerpni ściennej.

Fot. 3. Płytowy gruntowy wymiennik ciepła.

Zasady doboru

Istnieje kilka rodzajów gruntowych wymienników ciepła. Przy ich doborze należy kierować sięrodzajem strefy klimatycznej, poziomem wód gruntowych, rodzajem gruntu, wielkością dostępnejpowierzchni. Rodzaj gruntu stanowi dla projektanta istotną informację, ponieważ każdy z nichcharakteryzuje się innym współczynnikiem przewodności ciepła, a wraz z nim wymagana wielkośćwymiennika może ulec znacznej zmianie – warto więc zapoznać się z badaniami geologicznymiwykonywanymi na potrzeby budowy obiektu. Należy wziąć również pod uwagę powierzchnięużytkową obiektu wraz z przeznaczeniem jego użytkowania i ilością pomieszczeń – na tej podstawieprojektant instalacji wentylacji mechanicznej z rekuperatorem określi wymaganą wydajnośćurządzenia oraz zapotrzebowanie na powietrze dostarczane przez GWC. Dla przeciętnego domuwyposażonego w GWC, dla zoptymalizowania jego parametrów można przyjąć, że wydajnośćinstalacji wentylacyjnej na godzinę powinna równać się całkowitej kubaturze budynku.

Wymiennik rurowy

Za najprostszy w wykonaniu uważa się typ rurowy, mający formę rury z tworzywa sztucznego odługości od 40 do 100 m, którą układa się pod ziemią. Jej zakończenie stanowi czerpnia z siatką(stanowiącą zabezpieczenie przed zanieczyszczeniami oraz insektami) oraz filtr. Oprócz tego wkompletnym systemie znajdziemy przepustnicę zwrotną lub automatyczną, czerpnię ścienną iwspomnianą centralę wentylacyjną. Średnica rury w starszych systemach wynosi od ok. 200 donawet ponad 350 mm – dobiera się ją, biorąc pod uwagę powierzchnię obiektu oraz wymaganyprzepływ powietrza przez GWC. Najnowsze systemy GWC w wersji antybakteryjnej korzystają z rur omniejszych średnicach w układzie Tichelmanna, połączonych ze sobą za pomocą zgrzewów.Rozwiązanie to zapewnia całkowite zabezpieczenie GWC przed ewentualnym zalaniem przezniestabilne wody gruntowe. GWC rurowy powinien zostać wykonany ze specjalnych, przeznaczonychdo tego materiałów, nie należy wykorzystywać do jego wykonania rur kanalizacyjnych. Wymiennikrurowy pozwala na pozyskanie z gruntu energii o mocy 30-70 W z jednego metra bieżącego kanału.

Wymiennik rurowy możemy ułożyć w wersji prostej – wtedy biegnie ona w prostej linii od budynkudo czerpni, wraz z zachowaniem odpowiedniego spadku. Dzięki temu koszty inwestycji zostanązminimalizowane. Możliwe jest to jednak tylko na długich działkach – od ściany domu do końcaposesji musi ona liczyć nawet ponad 100 m. Wymiennik w wersji łamanej pozwala na montaż namniejszych działkach. Jego układ przypomina literę „U” lub „S”. Inną opcją jest zastosowanie tzw.układu Tichelmanna, czyli wersji wielorurowej. Rura rozdziela się tu na kilka równoległych kanałówpołożonych od siebie w odległości minimum 80 cm (w celu zapewnienia równomiernej wymianyciepła), które ponownie łączą się przed czerpnią ziemną.

Fot. 4. System GEO-HEAT opiera się na wykorzystaniu rur polietylenowych z powłokąantygrzybiczną, łączonych kształtkami zgrzewanymi elektrooporowo lub doczołowo.

GWC wykorzystywane w obiektach przemysłowych i użytkowych są zazwyczaj budowane w układzieTichelmanna z kolektorów o dużych średnicach oraz w układzie rur o średnicy od 100 do 250 mmzamontowanych równolegle pomiędzy kolektorem wlotowym i wylotowym. Tego typu GWCzapewniają zwłaszcza znacznie skuteczniejsze schłodzenie obiektu latem.

Wśród wymienników rurowych można wybrać ich specjalny rodzaj w postaci GWC antybakteryjnego,który zapobiega namnażaniu się bakterii i grzybów w instalacji. Drobnoustroje mogą rozmnażać sięw przewodach zwłaszcza w sezonach, kiedy wymiennik nie jest używany – wiosną i jesienią. Ichdziałanie opiera się na zastosowaniu związków srebra o silnym działaniu bakteriobójczym.

Rurowy GWC należy ułożyć w wykopie na wyrównanym i wstępnie utwardzonym gruncie tak, abyspoczywały całą swoją długością na ziemi – nie można dopuścić do powstania prześwitów. W tymcelu polecane jest wykonanie podsypki piaskowej lub żwirowej pod rurami. Podczas montażu należyponadto zachować spadek minimum 2% w kierunku czerpni, dzięki czemu kondensat w postaciczystej wody będzie mógł swobodnie spływać do wnętrza studni kondensatu. Zabezpieczymyelementy przed przesuwaniem się za pomocą wbijanych w ziemię sztywnych kołków – kołkowaniezapewni prawidłowe ułożenie rur.

Rury starszych typów GWC wsuwa się w mufę łącząca z obu stron, pamiętając o oznaczeniugłębokości wsunięcia dla odpowiedniej kontroli oraz uniknięcia ryzyka przesunięcia się mufy podczasmontażu. W trakcie instalacji należy używać środka ślizgowego, aby zapobiec wywinięciu sięuszczelek. Najnowsze systemy GWC nie wymagają stosowania muf – GWC wykonywane jest poprzezzgrzewanie poszczególnych elementów wymiennika, dzięki czemu unika się ryzyka utraceniaszczelności na złączach i ewentualnego przedostawania się wód gruntowych do wnętrza wymiennika.Przed zasypaniem wykopu bezwzględnie trzeba zagęścić grunt wokół przewodu GWC, inaczej możedojść do osiadania górnych warstw gruntu i zdeformowania rur, a w dalszej kolejności – ichrozszczelnienia. Najpierw zasypujemy GWC do wysokości rur i zagęszczamy grunt, dopiero pozagęszczeniu gruntu wokół rury oraz pokryciu ich warstwą zagęszczonego gruntu możnakontynuować zasypywanie.

Fot. 5. Przykład instalacji GWC przy domu jednorodzinnym.

Wymiennik żwirowy

Przed spopularyzowaniem wymienników rurowych powszechnie używano natomiast GWC żwirowych.W tym przypadku głównym elementem systemu jest złoże żwirowe, które oprócz chłodzenia lubpodgrzewania powietrza również je filtruje, zatrzymując zanieczyszczenia, a także osusza w upalnedni. Powietrze przepływa tu pomiędzy kamieniami złoża. GWC ma tu formę prostokątnego wykopu wziemi, który częściowo zasypuje się warstwą płukanego żwiru o granulacji 40-80 mm. Następnieukłada się dwa równoległe koryta do rozprowadzania i zbierania ze złoża powietrza oraz wykonujeizolację ze styropianu. Dzięki wykonaniu izolacji głębokość posadowienia wymiennika nie musi byćjuż tak znaczna. Podkreśla się jednak, że w przypadku wymiennika opartego na złożu żwirowymbrakuje dokładnych wytycznych instalacyjnych i projektowych, a parametry systemu dobiera się „nawyczucie”.

Należy pamiętać o okresowych przeglądach oraz czyszczeniu wymienników. W związku z tym, żeGWC oddzielony jest w tym przypadku od gleby jedynie geowłókniną, do wymiennika może dostaćsię woda oraz insekty i gryzonie. Poza tym złoże żwirowe może pracować tylko około 12 godzin,kolejnych 12 potrzebując na odnowę. Ponadto wymiennikom żwirowym często zarzuca sięemitowanie nieprzyjemnego zapachu stęchlizny.

Wymiennik bezprzeponowy

Gruntowy wymiennik bezprzeponowy (płytowy) układa sie na utwardzonym złożupiaskowo-żwirowym. Powietrze przepływające pomiędzy płytami a złożem – zależnie od pory roku –ulega schłodzeniu lub podgrzaniu z jednoczesnym dowillżeniem bądź osuszeniem. Wyżej wymienioneprocesy są charakterystyczne dla większości gruntowych wymienników ciepła. Natomiast fenomenpłytowego GWC opiera się na redukcji alergenów, szkodliwych bakterii i grzybów występujących wpowietrzu atmosferycznym. Parametry tych zjawisk znacznie poprawiają się przy zastosowaniupodłoża dolomitowego. Obecność nawilżonego dolomitu skutkuje również chemicznymoczyszczaniem powietrza poprzez redukcję dwutlenku węgla, związków siarki i azotu oraz zapewniakorzystną jonizację powietrza. Warto dodać, że rozwiązanie to zatwierdzono w urzędzie patentowymi jego stosowanie możliwe jest jedynie po uzyskaniu zgody właściciela patentu.

Wymiennik glikolowy

Stosunkowo nowym rozwiązaniem jest GWC glikolowy. Zamiast standardowej rury pod ziemiąumieszcza się rurkę o długości od 120 do 250 m i średnicy od 2 do 4 cm wypełnioną 30% roztworemglikolu. Ruch czynnika wymuszony jest przez pompkę, a krążący w układzie glikol ogrzewa się lubschładza, przekazując energię powietrzu wprowadzanego do wnętrza budynku. Rozwiązanie towymaga jednak zastosowania dodatkowego wymiennika powietrze-glikol zamontowanego przedwlotem czerpni rekuperatora oraz specjalnego systemu sterowania – sprzężenia pompy obieguglikolu z rekuperatorem.

Nie dla każdego

Należy jednak pamiętać, że gruntowy wymiennik ciepła nie jest rozwiązaniem uniwersalnym. Wieleprzeciwskazań można znaleźć w przypadku starych, od dawna nie odnawianych budynków. Budynek,w którym zamierzamy zastosować GWC, powinien posiadać już system wentylacji z rekuperatoremwyposażonym we wspomniany by-pass. Ponadto w budynku należy zlikwidować wszelkienieszczelności, także elementy poprzedniego systemu wentylacji grawitacyjnej, jak kominy inawiewniki okienne, a szczelność całego obiektu musi być potwierdzona tzw. testem szczelności iodpowiednim protokołem. Podobne wymagania stawia się izolacji termicznej obiektu.

Energooszczędność

Szacuje się, że okres zwrotu kosztów instalacji mechanicznej z odzyskiem ciepła zwraca się wokresie od 1 roku do 7 lat – czas ten uzależniony jest od typu inwestycji, wielkości systemu oraz typuinstalacji. Koszt zakupu i montażu GWC, rzędu od 8 do nawet 35 tysięcy zł, wydłuża ten okres okolejnych kilka lat. Zwiększony jest jednak komfort mieszkania, który inwestor uzyskałby, jedynie

stosując stosunkowo drogie klimatyzatory z filtrami powietrza. Warto zwrócić również uwagę na fakt,że przeciętnie klimatyzator zużywa od 2,5 do nawet 20 kW (w przypadku urządzeń obsługującychcały budynek). Wysokiej jakości GWC natomiast potrzebuje do pracy natomiast kilkadziesiąt watów,czyli wielokrotnie mniej.

Autor: Iwona Bortniczuk

KONTAKT

FACHOWY INSTALATOR

Tel: +48 22 635 05 82Fax: +48 22 635 41 08Adres:Hajoty 53/201-821 Warszawa