Wymienniki gruntowe pod budynkiem

Grunt jako źródło ciepła i chłodu brany jest pod uwagę od zawsze – wystarczy wspomnieć ziemianki czy hodowle pieczarek w jaskiniach. Bardzo popularny jest również jako wspomaganie instalacji domowych.

Czerpanie energii z gruntu poprzez pośrednią lub bezpośrednią wymianę ciepła z powietrzem zyskało szczególną popularność po publikacji rozporządzenia w sprawie świadectwa charakterystyki energetycznej budynku [1], w którym uwzględniono wykorzystanie wymiennika gruntowego jako rozwiązania poprawiającego bilans energetyczny budynku.

Gruntowy wymiennik ciepła (GWC) jest również rekomendowany, choć już nie tak zdecydowanie jak kiedyś, przez instytucje propagujące budownictwo pasywne. Nie jest to instalacja konieczna w takich budynkach, ale zalecana. W kilku modelowych domach pasywnych zastosowano GWC i opisano ich działanie [2].

Chociaż wymiennik gruntowy dostarcza do powietrza wentylacyjnego średniosezonowo ok. 15% całkowitego zapotrzebowania na energię, nieczęsto wspomina się o kosztach jego instalacji. Niewiele jest też wyników całorocznych badań wymienników gruntowych [6].

Dużą popularność zyskują od pewnego czasu powietrzne rurowe wymienniki gruntowe umieszczane pod budynkiem – temu zagadnieniu poświęcony został niniejszy artykuł.

Sugerowane korzyści z instalacji GWC pod budynkiem

Zwolennicy budowy gruntowych wymienników ciepła pod budynkami wysuwają wiele argumentów mających świadczyć o zasadności stosowania takiego rozwiązania. Oto niektóre z nich:

1. Znaczący udział w kosztach inwestycji w wymiennik mają roboty ziemne, ponieważ skuteczność GWC rośnie z głębokością posadowienia (przy kopaniu fundamentów będzie taniej). Rozwiązanie to pozwala również nie zabierać powierzchni działki.
2. Budynek „i tak ma straty ciepła do gruntu”, warto je zatem wykorzystać.
3. Oprócz „odzysku” ciepła traconego do gruntu można wykorzystać przewodzenie ciepła przez grunt i uzyskać ciepło z otoczenia dostające się do gruntu przez powierzchnię wokół budynku.
4. Podgrzewanie powietrza w zimie zapewnia korzyści ekonomiczne.
5. GWC pełni funkcję zabezpieczenia antyzamrożeniowego wymiennika odzysku ciepła w centrali wentylacyjnej.
6. Latem powietrze jest ochładzane.

Dyskusja

Oszczędności na robotach ziemnych

Prace ziemne przy posadowieniu wymiennika poza budynkiem generują w ogólnej opinii dodatkowe koszty (chociaż doświadczeni w branży budowlanej eksperci twierdzą również, że niekoniecznie – zależy to od technologii wykonywania fundamentów). Poza tym powierzchnia przeznaczona pod GWC poza budynkiem może być wykorzystana tylko na trawnik, gdyż regeneracja gruntu przebiega wtedy najsprawniej.

Kostka brukowa nad wymiennikiem jest niezalecana, a drzewa i krzewy o głębokim ukorzenieniu zabronione itd. Każde nasadzenie krzewów o płytkim ukorzenieniu zacienia powierzchnię i redukuje regenerację.

W świetle tych ograniczeń posadowienie wymiennika pod budynkiem powinno przynosić duże korzyści. Pojawia się jednak problem z zasypaniem rur wymiennika. Jeżeli znajduje się on w obrębie fundamentów, to zostanie przykryty zagęszczoną pospółką zgodnie z zasadami budowlanymi dotyczącymi fundamentów. Jednak producenci wymienników zalecają grunt rodzimy – co zatem wybrać?

Gruntem rodzimym można zasypać wymiennik, jeżeli jest on posadowiony na pewnej głębokości, ale wtedy oszczędności na kosztach robót ziemnych znacząco maleją. Należy zwrócić uwagę na zjawisko osiadania gruntu i ewentualne uszkodzenia wymiennika, w przypadku awarii instalacja pod budynkiem jest nie do naprawienia. Pęknięty wymiennik może zostać zalany wodami gruntowymi, pojawia się wtedy niebezpieczeństwo skażenia.

Zagospodarowanie strat ciepła przenikającego do gruntu

Spotkać się można również z opinią, że „skoro budynek i tak ma straty, można je wykorzystać”. Straty ciepła na potrzeby wymiarowania instalacji grzewczej są obliczane przy założeniu temperatury gruntu pod budynkiem równej 8°C.

Jeżeli wymiennik znajdzie się pomiędzy fundamentami, to przy przetłaczaniu bardzo zimnego powietrza temperatura ta bardzo szybko się obniży. Jeżeli wymiennik będzie posadowiony głębiej, nastąpi stabilizacja temperatury na dużo niższym poziomie, i korzyści z wymiennika będą mniejsze.

Trudno uwierzyć, że grunt zregeneruje się ciepłem pochodzącym od dołu – z wnętrza ziemi. Stała temperatura gruntu występuje dopiero na ok. 10–15 m głębokości. Bezpośrednio pod budynkiem głębokość ta może być mniejsza, ale nie na tyle, by sięgała poziomu posadowienia wymiennika, który dla oszczędności nakładów na roboty ziemne montowany jest niezbyt głęboko pod budynkiem (zbyt płytkie posadowienie jest błędem – rys. 1). Zatem ciepło czerpane przez powietrze w GWC może być ogrzewane pośrednio przez system ogrzewania budynku, co może doprowadzić do znacznego przechłodzenia pomieszczenia bezpośrednio nad wymiennikiem (w skrajnych przypadkach nawet do jego przemarznięcia). Można tego uniknąć, kładąc dobrą izolację pomiędzy budynkiem a wymiennikiem, wtedy przepływ ciepła od budynku w dół będzie utrudniony.

Skąd więc czerpane będzie ciepło do podgrzania powietrza w wymienniku?

Nasuwa się kolejny pomysł – spoza budynku.

Ciepło spoza budynku przez grunt

W normalnych warunkach pracy GWC poza budynkiem grunt regeneruje się od energii słonecznej, w czym znacząco pomaga woda, zwiększając jego współczynnik przewodzenia ciepła. Pod budynkiem jest to praktycznie niemożliwe, zwłaszcza przy stosowanej obecnie dobrej izolacji. Wysuwana jest zatem teoria, że ciepło będzie pobierane z gruntu poza budynkiem i poprzez zjawisko przewodzenia dostarczane do powietrza w GWC. Jest to ciekawy argument, na który nie ma prostej odpowiedzi.

Zjawisko przewodzenia ciepła przez grunt i czerpania korzyści przez wymiennik jest złożone. W ramach szerszych badań naukowych wymienników gruntowych autor, wraz z zespołem z Instytutu Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza, planuje przeprowadzić szczegółowe modelowanie przepływu ciepła w gruncie w okolicy wymiennika zlokalizowanego pod budynkiem.

Badania symulacyjne i eksperymentalne zostaną przeprowadzone przy współpracy z Małopolskim Laboratorium Budownictwa Energooszczędnego przy Politechnice Krakowskiej.

Darmowe podgrzewanie powietrza

Jak wspomniano powyżej, przy braku izolacji poziomej źródło energii dla GWC może się znajdować w budynku – w systemie grzewczym. Należy pamiętać, że przez pewien okres eksploatacji nie wystąpią zyski, będzie to czas zwrotu kosztów poniesionych na budowę GWC.

Obliczenia wykonano w ogólnie dostępnym programie komputerowym [4]. Założenia:

• wymiennik umieszczony w gruncie o stałej temperaturze 8°C,
• II strefa klimatyczna,
• strumień powietrza: 300 m³/h,
• długość wymiennika: 70 m (zalecana przez producenta),
• DN 200 mm.

W sezonie grzewczym uzyskujemy ok. 3200 kWh energii cieplnej. Gdyby tę energię pozyskać z kotła gazowego (GZ 50) o sprawności 90%, dla którego cena 1 kWh szacowana jest na 0,176 zł, koszty wyniosłyby: Kgaz = 0,176×3200 = 563,2 zł.

Przy inwestycji w GWC o długości 70 m (ok. 15 000 zł) czas zwrotu nakładów wynosi ponad 26,5 roku, przy założeniu ciągłej pracy wymiennika przez cały sezon grzewczy z maksymalną wydajnością (przyjęto wariant optymistyczny, żeby uniknąć dyskusji o ograniczonym czasie pracy wymiennika). Według obliczeń symulacyjnych, wykonanych wg normy PN-EN 15241 [7] i opublikowanych w RI 6/2015 [8], ilość energii uzyskanej przez cały rok wynosi jeszcze mniej, bo 2274 kWh (bez uwzględniania energii w lecie i w okresie przejściowym, ponieważ wtedy wymiennik może pracować na przemian z by-passem).

Zabezpieczenie antyzamrożeniowe wymiennika odzysku ciepła

Szerszego omówienia wymaga współpraca GWC z rekuperatorem.

Najtańsze wymienniki do odzysku ciepła – wymienniki krzyżowe – podczas pracy z powietrzem zewnętrznym o niskich temperaturach doprowadzają do wykroplenia wody z powietrza wywiewanego, która następnie zamarza. Konieczne jest odmrożenie wymiennika, ponieważ rosną opory przepływu powietrza, znacząco spada efektywność odzysku ciepła, gdyż lód jest dobrym izolatorem, ponadto zamarzająca woda może uszkodzić płyty wymiennika.

Istnieje kilka sposobów odmrażania, jak by-pass i różne typy nagrzewnic elektrycznych, np. w postaci drutu oporowego na wymienniku.

Stosuje się też procedury zapobiegające zamrożeniu, np. elektryczną nagrzewnicę wstępną. Funkcję nagrzewnicy mógłby przejąć gruntowy wymiennik ciepła, ponieważ można go tak dobrać (zaprojektować), żeby temperatura powietrza za wymiennikiem była zawsze dodatnia. Tym sposobem faktycznie można zmniejszyć ryzyko zamarznięcia rekuperatora. Ale czy jest to rozwiązanie ekonomiczne uzasadnione?

Dla wymienników o różnej sprawności odzysku ciepła dokładną analizę kosztów w różnych strefach klimatycznych w Polsce przedstawiono w RI 6/2013 [9]. Płynnie sterowana grzałka w centrali wentylacyjnej z odpowiednim algorytmem sterowania [5] jest w stanie zabezpieczyć wymiennik przeciwprądowy znacznie niższym kosztem niż popularne rozwiązania. Ponadto rekuperator uzyskuje wysoką sprawność, jeśli różnica temperatury pomiędzy powietrzem wywiewanym a czerpanym z zewnątrz jest duża.

Zmniejszanie tej różnicy (czyli zwiększanie temperatury przed rekuperatorem) może obniżyć sprawność odzysku nawet o 10% (sprawdzono na przykładzie doboru centrali [10]).

W niektórych wersjach central wentylacyjnych montuje się wysokosprawne wymienniki przeciwprądowe, które nie są tak czułe na zmianę temperatury.

Korzystając z programów doborowych, można sprawdzić, że zmiana temperatury powietrza na dolocie do wymiennika od strony zewnętrznej z –20 do 0°C skutkuje spadkiem chwilowej wartości sprawności odzysku o od 0–3% do 2–3%. Zmiana nie jest znacząca, ale warto się zastanowić nad inwestycją w lepszy odzysk ciepła, np. w wymiennik obrotowy, w którym ryzyko zamarznięcia jest zdecydowanie mniejsze, zamiast w GWC.

Darmowe ochładzanie powietrza latem

Zastosowanie gruntowego wymiennika ciepła w lecie to wyraźny atut tego rozwiązania. Podczas krótkotrwałych okresów bardzo wysokiej temperatury GWC ma potencjalną zdolność wprowadzenia do budynku ochłodzonego powietrza. Strumień „chłodu” niesiony z powietrzem może sięgać 1,5 kW (dla 300 m³/h i różnicy temperatury 15°C) – to wartość nie do pogardzenia.

Alternatywą jest instalacja klimatyzatora, który zapewni taką moc. Do analizy ekonomicznej należy włączyć działanie GWC w lecie i porównać z inwestycją w urządzenia ochładzające powietrze. Z pewnością czas zwrotu inwestycji w GWC ulegnie skróceniu. O ile?

Odpowiedź mają przynieść wyniki planowanej szczegółowej analizy działania GWC w funkcji ochładzania powietrza. Obliczenia przeprowadzone za pomocą programu [4] wskazują na ok. 1840 kWh chłodu dostarczanego w całym sezonie letnim – to ilość kusząca dla inwestora.

Jednak i to rozwiązanie ma swoje minusy. Należy pamiętać, że 1,5 kW chłodu to strumień dostarczony do całego budynku, w tym do pomieszczeń, które nie są narażone na przegrzanie – wewnątrz budynku albo od strony północnej. Do pomieszczeń rzeczywiście przegrzanych i potrzebujących chłodzenia dostarczymy z powietrzem nawiewanym tylko część tej energii. Zależy ona od strumienia powietrza nawiewanego do poszczególnych stref budynku.

Warto jeszcze nadmienić, że czas pracy wymiennika gruntowego ma niebagatelne znaczenie. Im dłużej w ciągu sezonu wymiennik jest eksploatowany, tym mniejsze podgrzanie powietrza w zimie oraz chłodzenie powietrza w lecie. Dynamiczna interakcja pomiędzy gruntem a wymiennikiem, a w zasadzie powietrzem wewnątrz, ma niebagatelne znaczenie i powoduje zmniejszenie korzyści z jego zastosowania w miarę upływu czasu [3].

Czas pracy wymiennika gruntowego

Przy analizie zastosowania gruntowego wymiennika ciepła warto dodać, że aby zoptymalizować czas pracy GWC, szczególnie w niewielkich systemach – wykorzystać w pełni jego moc grzewczą i chłodniczą, a jednocześnie niepotrzebnie go nie przegrzewać i wychładzać – niezbędne jest zastosowanie automatyki poszerzonej w stosunku do standardowych systemów stosowanych przez producentów central. Wiąże się to z dodatkowymi kosztami (czujniki temperatury, siłowniki, algorytmy sterowania).

Brak automatyki skutkuje najprostszym sterowaniem, czyli przełączaniem sezonowym oraz współpracą z by-passem, co oznacza, że wykorzystujemy „mniej więcej” potencjał GWC. Ma to szczególne znaczenie, gdy weźmiemy pod uwagę interakcję gruntu z przetłaczanym powietrzem (jak wspomniano powyżej na podstawie literatury [3, 8]).

Podsumowanie

Grunt jako źródło energii to dobre rozwiązanie. Energia geotermalna powinna wspomagać źródła konwencjonalne. Jednak podgrzewanie lub ochładzanie powietrza poprzez przetłaczanie go przez grunt w rurociągach z tworzywa sztucznego to mało efektywny sposób wykorzystania gruntu, ponieważ nakłady inwestycyjne zwracają się po bardzo długim czasie.

Najmniej korzystnym wariantem lokalizacji wymiennika gruntowego jest instalacja posadowiona pod budynkiem. W wariancie tym oszczędności inwestycyjne w stosunku do posadowienia poza budynkiem mogą być pozorne (ponieważ ciepło może pochodzić z budynku) lub przynoszące tylko chwilowe korzyści wynikające z początkowej pojemności cieplnej gruntu w sytuacji, kiedy budynek jest dobrze izolowany od dołu.

Grunt pod budynkiem może się regenerować jedynie sezonowo – od powietrza przetłaczanego przez rurociągi. Jak wspomniano wcześniej, szczegółowe obliczenia potencjalnej regeneracji będą przedmiotem dalszych badań autora w MLBE w Krakowie.

Niniejszy artykuł jest próbą zapoczątkowania merytorycznej dyskusji nad opłacalnością inwestycji w GWC. W najbliższym czasie autor planuje opublikować wyniki pomiarów instalacji pod budynkiem na poparcie niektórych powyższych tez.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkowa oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU nr 201/2008, poz. 1240, z późn. zm.), zastąpione przez Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetyczne (DzU 2015, poz. 376).
2. Flaga-Maryanczyk A., Schnotale J., Radon j., Was K., Experimental measurements and CFD simulation of a ground source heat exchanger operating at a cold climate for a passive house ventilation system, „Energy and Buildings”, Vol. 68, 2014, p. 562–570.
3. Guohui G., Dynamic interactions between the ground heat exchanger and environments in earth–air tunnel ventilation of buildings, „Energy and Buildings” Vol. 85, 2014, p. 12–22.
4. AWADUKT Thermo – program obliczeniowy wymienników gruntowych.
5. Katalog produktów Thessla Green, www.thesslagreen.com.
6. Ruest K., Earth Tube Ventilation Systems – Applicability in the Canadian Climate, 2011.
7. PN-EN 15241:2011 Wentylacja budynków. Metody obliczania strat energii w budynkach spowodowanych wentylacją i infiltracją powietrza.
8. Kostka M., Szulgowska-Zgrzywa M., Obliczenia energetyczne gruntowych wymienników ciepła, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2015 s. 64-68.
9. Kostka M., Zając A., Dopłaty do domów energooszczędnych a zużycie energii elektrycznej na wentylację mechaniczną, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2013, s. 52–57.
10. Program ClimaCAD on-line, http://ccol3.vtsclima.com/start.aspx?lang=pl.