Marta KOŚCIELSKA, Maciej ŻYRKOWSKI Opiekun: Dr inż. Marcin RYWOTYCKI GRUNTOWY WYMIENNIK CIEPŁA W ZASTOSOWANIU Z WENTYLACJA MECHANICZNĄ. 1. WENTYLACJA Podstawowym elementem każdego budynku jest system wentylacji. Poprawnie zaprojektowany powinien zapewnić odpowiednią wymianę powietrza, w przeciwnym wypadku może wystąpić tzw. Syndrom Chorego Budynku (ang. SBS Sick Building Syndrome) co stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia i samopoczucia mieszkańców. W nowoczesnym budownictwie standardem staje się wentylacja mechaniczna, pozwalająca w łatwy sposób kontrolować wymianę powietrza oraz odzyskiwać ciepło z usuwanego powietrza. Ponadto, w przeciwieństwie do wentylacji grawitacyjnej, jej działanie nie zależy od warunków atmosferycznych. 2. ODZYSK CIEPŁA Odzysk ciepła w systemie wentylacji mechanicznej realizowany jest w centrali wentylacyjnej za pomocą wymienników ciepła. Najczęściej stosowane są krzyżowe wymienniki typu powietrze powietrze w których wymiana odbywa się przeponowo. Wyróżniamy wymienniki pojedyncze oraz podwójne o zwiększonej sprawności. Schemat działania takiego urządzenia opisuje rys. 1. Rys.1. Źródło: www.ekoryniec.pl (2010r.)
3. GRUNTOWY WYMIENNIK CIEPŁA Do wspomagania systemów wentylacji mechanicznej coraz częściej stosuje się ciepło zawarte w ziemi. Promienie słoneczne ogrzewają grunt i na głębokości ok. 1,5 m panuje już niemal stała dodatnia temperatura. Ciepło to wykorzystać można poprzez tzw. gruntowe wymienniki ciepła. Zasada ich działania polega na przepuszczeniu, przeponowo lub bezprzeponowo, czynnika odbierającego lub oddającego ciepło do złoża gruntowego. Jak wynika z rys. 2 możliwość wykorzystania ciepła zawartego w ziemi mocno zależy od wilgotności i rodzaju gruntu. Rys. 2. Źródło: www.solis.pl (2009r.) Korzyści płynące z zastosowania gruntowego wymiennika ciepła widoczne są zimą, kiedy temperatura powietrza spada poniżej 8 C, a także latem kiedy wzrasta powyżej 24 C. Zimą, zamiast podawać mroźne powietrze do centrali wentylacyjnej wprowadzamy je do wymiennika gdzie odbiera ciepło od złoża gruntowego. Przy dobrze zaprojektowanym wymienniku temperatura u jego wylotu nie powinna być nigdy niższa niż 0 C. Rozwiązuje to problem zamarzania skroplin w centrali wentylacyjnej. Latem istnieje możliwość ochłodzenia gorącego powietrza w analogiczny sposób. System taki nie zastąpi klimatyzacji jednak nieporównywalnie niższym kosztem pozwoli uzyskać w pomieszczeniach przyjemny chłód. Schemat działania instalacji przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Źródło: www.rehau.pl (2009r.) 4. RUROWY WYMIENNIK CIEPŁA Jest to pierwszy z wynalezionych wymienników i zarazem najprostszy w konstrukcji. W podstawowej wersji jest to zakopane w ziemi kilkadziesiąt metrów cienkościennej rury na końcu której znajduje się czerpnia powietrza. Wykorzystywane jest przy tym zjawisko przewodzenia cieplnego. Sprawność instalacji zależeć będzie od pojemności cieplnej gruntu oraz od grubości i materiału rury wymiennika. Większa długość zakopanej rury to większa powierzchnia wymiany cieplnej ale także większe opory przepływu, czyli większe koszty energii potrzebnej na przetłoczenie powietrza. Do budowy zamiast kolanek 90 powinno stosować się dwa kolanka 45, a ilość zakrętów powinna być jak najmniejsza w celu zmniejszenia oporów przepływu. Korzystna sytuacją dla rurowego wymiennika ciepła jest występowanie wód gruntowych. Wymiennik taki należy starannie zaprojektować i dokładnie wykonać tak aby nie występowały nieszczelności. Rurę zakopuje się na głębokości 1,5-2 m z lekkim spadkiem umożliwiającym odprowadzenie wilgoci. U wlotu do wymiennika instaluje się czerpnię powietrza. Rys. 4. Źródło: www.geo-went.pl (2010r.)
Przeprowadzone zostały szacunkowe obliczenia wymaganej długości wymiennika, oraz kosztów wykonania i eksploatacji dla trzech rodzajów stosowanych w tego typu wymiennikach rur. Efekty obliczeń przedstawia tabela 1. a przykładową instalację rurowego wymiennika ciepła pokazano na rys.4. Tabela 1. Porównanie instalacji 5. ŻWIROWY WYMIENNIK CIEPŁA Innym typem gruntowego wymiennika ciepła jest tzw. żwirowiec. Jak wskazuje nazwa, idea jego działania polega na przepuszczeniu powietrza przez złoże żwiru który bardzo dobrze akumuluje ciepło. W wymienniku tym stosowane są rury perforowane umożliwiające przepływ powietrza przez żwir. Wymiennik ten jest stosunkowo wydajny jednak złoże trzeba regenerować. W praktyce, oznacza to np. działanie przez ok. 12 godzin i tyle samo czasu na regenerację. Nie jest to jednak wielki problem przy odpowiednim rozplanowaniu czasu pracy złoża. Jeżeli możemy sobie pozwolić na dwa oddzielne złoża żwirowca, będą one mogły funkcjonować na zmianę. W chwilach kiedy powietrze nie przepływa przez GWC, centrala wentylacyjna korzysta z dodatkowej czerpni zamontowanej na ścianie budynku. Przeprowadzając proste obliczenia na podstawie bilansu energii Q=m c w ᴧT dla złoża żwirowego oraz powietrza, można oszacować wymiary wymiennika. Przyjęto przepływ wynoszący 200m 3, ciepło właściwe gruntu 0,9 J/kgK, temperaturę zewnętrzna równą -20 C oraz wychłodzenie złoża ok. 2 C dla 12 godzinnej pracy wymiennika. Z obliczeń wynika, że objętość złoża żwirowego powinna wynosić 14m 3. Taka metodyka obliczeń nie uwzględnia jednak bardzo wielu ważnych czynników, np. przewodnictwa cieplnego, przemian fazowych wody czy
Rys. 5. Źródło: www.forum.muratordom.pl (2009r) transportu ciepła przez promieniowanie. Dlatego w praktyce przyjmuje się większe wymiary złoża, dla danego przepływu będzie to ok. 20m 3 żwiru. GWC żwirowy buduje się kiedy poziom wód gruntowych jest stale niski a okoliczna gleba nie jest gliniasty czy ilasta. Jeżeli woda jest wyżej, należy podnieść całość tak żeby nie uległa zalaniu, grunt powyżej złoża wypiętrzyć, aby wierzchnia warstwa ziemi była wystarczająco gruba, a warstwę izolującą poprowadzić w odpowiedni sposób. Na położonym złożu można zainstalować system zraszający w celu utrzymania stałej wilgoci. Przykład takiej instalacji przedstawiono na rys. 5. 6. INNE TYPY GWC Wymiennik płytowy Jest to wymiennik bezprzeponowy o budowie modułowej. Umieszczany jest płytko pod powierzchnią gruntu, na podsypce z płukanego żwiru i piasku. Wymiennik ten musi być umieszczony powyżej wód gruntowych. Firma Pro-vent produkująca wymiennik zastrzegła sposób budowy w urzędzie patentowym. Ziemny wymiennik ciepła Wymiennik ten zbudowany jest z rurek wypełnionych wodą lub roztworem glikolu. Płyn odbiera energię z gruntu i przekazuje ja do powietrza w wymienniku typu woda-powietrze. Instalacja najlepiej sprawdza się w sytuacji, gdy wody gruntowe znajdują się płytko pod powierzchnią. Umieszczając wymiennik na poziomie wód gruntowych, można znacznie ograniczyć niezbędną powierzchnię instalacji. Wymiennik taki możemy umieścić także na dnie zbiornika wodnego. Analogiczną instalacją jest poziomy gruntowy kolektor dla pomp ciepła. Wymiennik w studni Innym ciekawym pomysłem jest wykorzystanie studni i urządzenie w niej mechanizmu znanego z chłodni kominowych. Woda jest wypompowywana na pewną wysokość i rozpylana. Powietrze poruszające się w
przeciwprądzie odbiera ciepło od kropel. Zaleta takiego rozwiązania jest bardzo duża skuteczność oraz uzyskanie naturalnego filtru antyalergicznego i nawilżacza w jednym. Jest to jednak bardzo nowatorski pomysł i wymaga on jeszcze gruntownego przetestowania. Najważniejsze pytanie dotyczyć będzie czystości powietrza wewnątrz studni. 7. PODSUMOWANIE Podsumowując, gruntowe wymienniki ciepła służą do wspomagania systemów wentylacji w budynkach. Dzięki wykorzystaniu odnawialnej energii z otoczenia można znacznie ograniczyć koszty ogrzewania. Nie ma jednak jednoznacznej recepty która z wymienionych instalacji lepiej sprawdzi się w danych warunkach. Przy projektowaniu takich instalacji istotne jest, aby każdy budynek i każdy projektowany wymiennik potraktować indywidualnie dobierając wielkość i parametry w zależności od kubatury budynku, ilości przebywających w nim osób oraz rodzaju gruntu w którym ma znaleźć się wymiennik. Warto również pamiętać, że korzystając z takich rozwiązań technologicznych chronimy środowisko naturalne. LITERATURA [1] S. Firląg: Współpraca wentylacji mechanicznej z GWC w budynku pasywnym, Rynek Instalacyjny 3/2007, s.21-26. [2] A. Dębska: Gruntowe wymienniki ciepła, www.rynekinstalacyjny.pl (2010 r.) [3] R. Tytko: Odnawialne źródła energii, Dimkor, Kraków 2007. [4] http://forum.muratordom.pl (2010 r.) [5] www.rehau.pl (2009 r.) [6] www.rekuperator.pl (2009 r.) [7] www.wentylacja.com.pl (2009 r.) [8] www.pro-vent.pl (2010 r.)