Gruntowe wymienniki ciepła

Gruntowe wymienniki ciepła Gruntowe wymienniki ciepła stanowią doskonałe uzupełnienie systemu wentylacji z rekuperatorem, dostarczając obiektom darmowej energii z gruntu. Zapewniają nie tylko wstępne podgrzanie powietrza wentylacyjnego zimą, ale przede wszystkim - schłodzenie go latem. Nowe i znowelizowane dyrektywy UE dotyczące budownictwa sprawiają, że powstaje coraz więcej obiektów o niewielkim zapotrzebowaniu na energię. Budowanym obecnie domom stawia się wysokie wymagania, zwłaszcza w kwestii ich izolacyjności oraz szczelności. Redukcja mostków cieplnych skutkuje, co prawda, mniejszym obciążeniem systemów ogrzewania oraz chłodzenia, rodzi jednak potrzebę zastosowania wentylacji mechanicznej, która odpowiada za wymianę powietrza w obiekcie oraz odprowadzenie wilgoci w naturalny sposób wytwarzanej we wnętrzu. Centrale wentylacyjne z odzyskiem ciepła umożliwią ponowne wykorzystanie ciepła wytworzonego we wnętrzu budynku podczas jego użytkowania. Fot. 1. Schemat układu GPWC w domu. GWC

Aby stworzyć najbardziej optymalny system wentylacji i ogrzewania domu, warto przewidzieć zamontowanie oprócz rekuperatora również gruntowego wymiennika ciepła (w skrócie GWC). Wykorzystując darmową energię skumulowaną w gruncie GWC staje się uzupełnieniem wentylacji nawiewno- 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 do 10 C. GWC umożliwia wykorzystanie tej właściwości gruntu do zmiany parametrów przepływającego przez niego powietrza. Instalacja wymiennika gruntowego w zależności od sezonu pozwala więc na podwyższenie temperatury nawiewanego powietrza nawet o 20 C lub jej obniżenie: latem rekuperator 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 powietrza wprowadzanego do wnętrza budynku na wymienniku wewnątrz rekuperatora. Brak by-passu w rekuperatorze zniweluje działanie podłączonego do niego GWC latem. W przypadku domów jedno- lub wielorodzinnych GWC są często stosowane, aby utrzymywać dodatnią temperaturę na wlocie do rekuperatora także zimą. Centrala wentylacyjna pobiera przez GWC zimne powietrze, które w trakcie przepływu przez gruntowy wymiennik zostaje wstępnie podgrzane, co zapobiega szronieniu rekuperatora i eliminuje konieczność instalowania bardzo drogiej w eksploatacji nagrzewnicy elektrycznej. Tym samym by-pass centrali zimą musi być zamknięty, aby powietrze z zewnątrz po przejściu przez GWC przechodziło również przez wymiennik zainstalowany w rekuperatorze i ogrzewało się dodatkowo od powietrza usuwanego z budynku. Natomiast wiosną oraz jesienią, kiedy temperatura gruntu oraz powietrza na zewnątrz nie różni się zbytnio, 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 się rodzajem strefy klimatycznej, poziomem wód gruntowych, rodzajem gruntu, wielkością dostępnej powierzchni. Rodzaj gruntu stanowi dla projektanta istotną informację, ponieważ każdy z nich charakteryzuje się innym współczynnikiem przewodności ciepła, a wraz z nim wymagana wielkość wymiennika może ulec znacznej zmianie warto więc zapoznać się z badaniami geologicznymi wykonywanymi na potrzeby budowy obiektu. Należy wziąć również pod uwagę powierzchnię użytkową obiektu wraz z przeznaczeniem jego użytkowania i ilością pomieszczeń na tej podstawie projektant instalacji wentylacji mechanicznej z rekuperatorem określi wymaganą wydajność urządzenia oraz zapotrzebowanie na powietrze dostarczane przez GWC. Dla przeciętnego domu wyposażonego w GWC, dla zoptymalizowania jego parametrów można przyjąć, że wydajność instalacji 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 o długości 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 w kompletnym systemie znajdziemy przepustnicę zwrotną lub automatyczną, czerpnię ścienną i wspomnianą centralę wentylacyjną. Średnica rury w starszych systemach wynosi od ok. 200 do nawet ponad 350 mm dobiera się ją, biorąc pod uwagę powierzchnię obiektu oraz wymagany przepływ powietrza przez GWC. Najnowsze systemy GWC w wersji antybakteryjnej korzystają z rur o mniejszych średnicach w układzie Tichelmanna, połączonych ze sobą za pomocą zgrzewów. Rozwiązanie to zapewnia całkowite zabezpieczenie GWC przed ewentualnym zalaniem przez niestabilne wody gruntowe. GWC rurowy powinien zostać wykonany ze specjalnych, przeznaczonych do tego materiałów, nie należy wykorzystywać do jego wykonania rur kanalizacyjnych. Wymiennik rurowy 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 budynku do czerpni, wraz z zachowaniem odpowiedniego spadku. Dzięki temu koszty inwestycji zostaną zminimalizowane. Możliwe jest to jednak tylko na długich działkach od ściany domu do końca posesji musi ona liczyć nawet ponad 100 m. Wymiennik w wersji łamanej pozwala na montaż na mniejszych 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 kanałów położonych od siebie w odległości minimum 80 cm (w celu zapewnienia równomiernej wymiany ciepła), które ponownie łączą się przed czerpnią ziemną. Fot. 4. System GEO-HEAT opiera się na wykorzystaniu rur polietylenowych z powłoką antygrzybiczną, łączonych kształtkami zgrzewanymi elektrooporowo lub doczołowo. GWC wykorzystywane w obiektach przemysłowych i użytkowych są zazwyczaj budowane w układzie Tichelmanna z kolektorów o dużych średnicach oraz w układzie rur o średnicy od 100 do 250 mm zamontowanych równolegle pomiędzy kolektorem wlotowym i wylotowym. Tego typu GWC zapewniają 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 się w przewodach zwłaszcza w sezonach, kiedy wymiennik nie jest używany wiosną i jesienią. Ich działanie opiera się na zastosowaniu związków srebra o silnym działaniu bakteriobójczym. Rurowy GWC należy ułożyć w wykopie na wyrównanym i wstępnie utwardzonym gruncie tak, aby spoczywały całą swoją długością na ziemi nie można dopuścić do powstania prześwitów. W tym celu polecane jest wykonanie podsypki piaskowej lub żwirowej pod rurami. Podczas montażu należy ponadto zachować spadek minimum 2% w kierunku czerpni, dzięki czemu kondensat w postaci czystej wody będzie mógł swobodnie spływać do wnętrza studni kondensatu. Zabezpieczymy elementy przed przesuwaniem się za pomocą wbijanych w ziemię sztywnych kołków kołkowanie zapewni prawidłowe ułożenie rur.

Rury starszych typów GWC wsuwa się w mufę łącząca z obu stron, pamiętając o oznaczeniu głębokości wsunięcia dla odpowiedniej kontroli oraz uniknięcia ryzyka przesunięcia się mufy podczas montażu. W trakcie instalacji należy używać środka ślizgowego, aby zapobiec wywinięciu się uszczelek. Najnowsze systemy GWC nie wymagają stosowania muf GWC wykonywane jest poprzez zgrzewanie poszczególnych elementów wymiennika, dzięki czemu unika się ryzyka utracenia szczelności na złączach i ewentualnego przedostawania się wód gruntowych do wnętrza wymiennika. Przed zasypaniem wykopu bezwzględnie trzeba zagęścić grunt wokół przewodu GWC, inaczej może dojść do osiadania górnych warstw gruntu i zdeformowania rur, a w dalszej kolejności ich rozszczelnienia. Najpierw zasypujemy GWC do wysokości rur i zagęszczamy grunt, dopiero po zagęszczeniu gruntu wokół rury oraz pokryciu ich warstwą zagęszczonego gruntu można kontynuować 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 lub podgrzewania powietrza również je filtruje, zatrzymując zanieczyszczenia, a także osusza w upalne dni. Powietrze przepływa tu pomiędzy kamieniami złoża. GWC ma tu formę prostokątnego wykopu w ziemi, który częściowo zasypuje się warstwą płukanego żwiru o granulacji 40-80 mm. Następnie układa się dwa równoległe koryta do rozprowadzania i zbierania ze złoża powietrza oraz wykonuje izolację ze styropianu. Dzięki wykonaniu izolacji głębokość posadowienia wymiennika nie musi być już tak znaczna. Podkreśla się jednak, że w przypadku wymiennika opartego na złożu żwirowym brakuje dokładnych wytycznych instalacyjnych i projektowych, a parametry systemu dobiera się na wyczucie.

Należy pamiętać o okresowych przeglądach oraz czyszczeniu wymienników. W związku z tym, że GWC oddzielony jest w tym przypadku od gleby jedynie geowłókniną, do wymiennika może dostać się 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 się emitowanie nieprzyjemnego zapachu stęchlizny. Wymiennik bezprzeponowy Gruntowy wymiennik bezprzeponowy (płytowy) układa sie na utwardzonym złożu piaskowo-żwirowym. Powietrze przepływające pomiędzy płytami a złożem zależnie od pory roku ulega schłodzeniu lub podgrzaniu z jednoczesnym dowillżeniem bądź osuszeniem. Wyżej wymienione procesy są charakterystyczne dla większości gruntowych wymienników ciepła. Natomiast fenomen płytowego GWC opiera się na redukcji alergenów, szkodliwych bakterii i grzybów występujących w powietrzu atmosferycznym. Parametry tych zjawisk znacznie poprawiają się przy zastosowaniu podłoża dolomitowego. Obecność nawilżonego dolomitu skutkuje również chemicznym oczyszczaniem powietrza poprzez redukcję dwutlenku węgla, związków siarki i azotu oraz zapewnia korzystną jonizację powietrza. Warto dodać, że rozwiązanie to zatwierdzono w urzędzie patentowym i jego stosowanie możliwe jest jedynie po uzyskaniu zgody właściciela patentu. Wymiennik glikolowy Stosunkowo nowym rozwiązaniem jest GWC glikolowy. Zamiast standardowej rury pod ziemią umieszcza się rurkę o długości od 120 do 250 m i średnicy od 2 do 4 cm wypełnioną 30% roztworem glikolu. Ruch czynnika wymuszony jest przez pompkę, a krążący w układzie glikol ogrzewa się lub schładza, przekazując energię powietrzu wprowadzanego do wnętrza budynku. Rozwiązanie to wymaga jednak zastosowania dodatkowego wymiennika powietrze-glikol zamontowanego przed wlotem czerpni rekuperatora oraz specjalnego systemu sterowania sprzężenia pompy obiegu glikolu z rekuperatorem. Nie dla każdego Należy jednak pamiętać, że gruntowy wymiennik ciepła nie jest rozwiązaniem uniwersalnym. Wiele przeciwskazań można znaleźć w przypadku starych, od dawna nie odnawianych budynków. Budynek, w którym zamierzamy zastosować GWC, powinien posiadać już system wentylacji z rekuperatorem wyposażonym we wspomniany by-pass. Ponadto w budynku należy zlikwidować wszelkie nieszczelności, także elementy poprzedniego systemu wentylacji grawitacyjnej, jak kominy i nawiewniki okienne, a szczelność całego obiektu musi być potwierdzona tzw. testem szczelności i odpowiednim protokołem. Podobne wymagania stawia się izolacji termicznej obiektu. Energooszczędność Szacuje się, że okres zwrotu kosztów instalacji mechanicznej z odzyskiem ciepła zwraca się w okresie od 1 roku do 7 lat czas ten uzależniony jest od typu inwestycji, wielkości systemu oraz typu instalacji. Koszt zakupu i montażu GWC, rzędu od 8 do nawet 35 tysięcy zł, wydłuża ten okres o kolejnych 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 obsługujących cały 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 82 Fax: +48 22 635 41 08 Adres: Hajoty 53/2 01-821 Warszawa