System wentylacyjny z centralą wentylacyjną może być wspomagany przez powietrzny gruntowy wymiennik ciepła. Powietrzne gruntowe wymienniki ciepła mogą w pewnym zakresie stabilizować temperaturę powietrza wprowadzanego na wymiennik w centrali wentylacyjnej. Zimą, przy niskich temperaturach powietrza zewnętrznego, chronią wymiennik przed zamarzaniem i ryzykiem uszkodzenia, a latem pozwalają wprowadzać schłodzone powietrze do budynku. System wentylacji powinien automatycznie wybrać, czy w danym momencie korzystniej jest czerpać powietrze zewnętrzne bezpośrednio przez czerpnię centrali, czy też poprzez GWC.
Zysk energetyczny sięga od kilkunastu procent (przy zastosowaniu wymienników przeponowych) do kilkudziesięciu (dla bezprzeponowych) całkowitego zapotrzebowania na energię do wentylacji. W okresach przejściowych efekt energetyczny jest niewielki i przeważnie nie rekompensuje dodatkowego wydatku energii na tłoczenie powietrza przez wymiennik w gruncie. Możliwe jest też w pewnym zakresie nawilżanie w porze chłodnej i osuszanie w porze gorącej powietrza przepływającego przez gruntowe wymienniki bezprzeponowe.
Zasada pracy gruntowych wymienników ciepła jest podobna do pracy układów wentylacyjnych z free coolingiem – GWC pracuje w długich cyklach: grzewczym (pora zimna) i chłodzenia (lato), a swobodne chłodzenie korzysta z dobowych i godzinowych wahań temperatury powietrza zewnętrznego. W obu przypadkach nie zużywa się energii na podgrzanie czy schłodzenie powietrza doprowadzanego do budynku, a jedynie na jego transport.
Odnawialna energia z gruntu
W powietrznych wymiennikach gruntowych wykorzystujemy w praktyce energię słoneczną – czyli energię zgromadzoną w gruncie w ciepłej porze roku, pochodzącą ze słońca (bezpośrednie promieniowanie, wody opadowe). Jej ilość zależy od rodzaju gruntu, głębokości i pogody. Grunt na głębokości poniżej strefy przemarzania (od 0,8 do 1,4 m) ma zmienną temperaturę – latem może to być nawet 12–13°C, a w styczniu ok. 3–4°C. W okresie chłodnym, gdy powietrze zewnętrzne ma przez połowę doby temperaturę wyższą niż temperatura gruntu z wymiennikiem, czyli np. 3–4°C (co nie jest rzadkością w łagodne zimy), tłoczenie powietrza przez GWC przestaje być zasadne energetycznie. Zatem grunt na głębokości ok. 1,5–2 m ma zmienną temperaturę w ciągu roku i jest ograniczonym zasobem energetycznym, potrzebującym czasu na regenerację. Stałe temperatury ok. 10°C utrzymują się dopiero na głębokości 10–13 m, ale sięgnięcie po tę energię oznacza wysokie koszty budowy wymienników powietrznych.
Na zasoby energii w gruncie oraz tempo regeneracji wpływa fakt, czy powierzchnia nad wymiennikiem jest nasłoneczniona i jakiego rodzaju gruntem dysponujemy – ma to większe znaczenie dla wymienników przeponowych rurowych, a mniejsze dla bezprzeponowych. Dlatego gdy powierzchnia gruntu pod wymiennik jest ograniczona, wymienniki bezprzeponowe można lokalizować pod obiektami – jest to szczególnie zasadne przy dużych obiektach, jak np. hale, ale wymaga starannych obliczeń oraz skutecznej izolacji między konstrukcją budynku a warstwą, pod którą znajduje się wymiennik.
Zatem inwestycja w powietrzny gruntowy wymiennik ciepła powinna być przemyślana i skalkulowana oraz dobrana do danej lokalizacji, rodzaju gruntu, poziomu wód gruntowych, poziomu przemarzania oraz funkcji obiektu i rodzaju wentylacji. Zastosowanie powietrznego GWC pozwala nie tylko obniżyć koszty energii na ogrzewanie bądź chłodzenie powietrza wentylacyjnego, może też pomóc uzyskać odpowiednio niskie zapotrzebowanie obiektu na nieodnawialną energię pierwotną, czego wymagają przepisy.
Czytaj też: Strumieniowa wentylacja garaży >>
Wymienniki przeponowe wykonuje się ze szczelnie łączonych kanałów (rur) o średnicach od 200 do 300 mm, z tworzyw dobrze przewodzących ciepło, o stosunkowo cienkich ściankach i wytrzymałych na nacisk gruntu. Są to m.in. przewody z PVC, PP i PE. Wymienniki rurowe są długie – dla domu jednorodzinnego potrzeba kilkudziesięciu metrów bieżących wymiennika, dlatego układa się je w układzie Tichelmanna czy litery U. Powietrze nie ma styczności z gruntem i ma długą drogę do przebycia od czerpni do centrali. Tym samym w wymienniku proces wymiany energii przebiega różnie, w zależności od odległości od czerpni. Przyjmuje się, że w optymalnych warunkach można uzyskać nawet 30 W na 1 mb przewodu wymiennika, czyli np. z 50 mb można zyskać maks. 1,5 kW. Wartość ta zależy jednak od wielu zmiennych – m.in. różnicy temperatur wewnątrz i na zewnątrz obiektu, temperatury gruntu, prędkości przepływu powietrza w wymienniku.
Bardzo ważna jest szczelność (najwyższą zapewnia elektrooporowe łączenie rur) i spadki prowadzenia przewodów wymienników przeponowych, gdyż ma to wpływ na ewentualne gromadzenie się wilgoci i jakość przepływającego powietrza.
Wymienniki bezprzeponowe to konstrukcje, w których przepływające powietrze styka się bezpośrednio z gruntem. Przepływ powietrza zachodzi w kubaturze wypełnionej żwirem lub otoczakami, oddzielonej np. geowłókniną. W takich wymiennikach przepływające powietrze napotyka spore opory, dlatego nie mogą być one długie i wysokie – wykonuje się je w kształcie kwadratu lub prostokąta. W przekroju pionowym zaleca się kształt trapezu równoramiennego – większa powierzchnia dolna stykająca się z gruntem dla lepszej wymiany energii. Zalecana prędkość przepływu powietrza wynosi maks. 0,2 m/s. Bardzo ważne jest posadowienie wymiennika powyżej poziomu wód gruntowych. To, że powietrze styka się gruntem, umożliwia nawilżanie w okresie zimowym.
Wśród wymienników bezprzeponowych jest też dostępne rozwiązanie wykorzystujące płyty z tworzyw na podsypce żwirowej. Płyta zbudowana jest z modułów z przewodami pomagającymi powietrzu przepływać stosunkowo równomiernie przez całą objętość wymiennika przy niskich oporach przepływu, co zwiększa skuteczność wymiany i zmniejsza wydatki energii na transport powietrza. Wymienniki takie wymagają jednak znacznie większych powierzchni pod budowę niż żwirowe, ale ponieważ stosuje się w nich grube warstwy izolacji termicznej i izolację przeciwwilgociową, mogą być lokowane pod budynkami, halami i parkingami. Obok wymienników płytowych dostępne są też konstrukcje bez płyt, pod którymi przepływa powietrze, a jedynie z półkulistymi przewodami nad warstwą podsypki i siatką z tworzywa, od góry zalanymi betonem. Wypełnienie betonem ma na celu m.in. przenoszenie dużych obciążeń pod parkingami, chodnikami czy budynkami.
Ze względu na fakt, że spod tych obiektów usuwa się grunt rodzimy, możliwe jest posadowienie wymiennika na początkowym etapie prac budowlanych i tym samym zredukowanie kosztów wykonania prac ziemnych.
| Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter! |
[wentylacja, wentylacja wspomagana, gruntowe wymienniki ciepła, wentylacja mechaniczna, centrale wentylacyjne, efektywność energetyczna]
