Bezprzeponowe powietrzne gruntowe wymienniki ciepła w układach wentylacji mechanicznej

Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła zapewnia skuteczną wymianę i świeże powietrze bez względu na porę roku i warunki pogodowe. Jest ona obecnie standardem w galeriach handlowych, biurowcach czy budynkach użyteczności publicznej, a także coraz częściej stosowana jest w budynkach mieszkalnych, zarówno jedno-, jak i wielorodzinnych.

Wentylacja mechaniczna umożliwia realizację odzysku ciepła z powietrza usuwanego: świeże powietrze nawiewane do budynku jest wstępnie podgrzewane ciepłem odebranym z powietrza usuwanego, co obniża koszty ogrzewania.

Dodatkowe oszczędności energii i pieniędzy, ale również zabezpieczenie przed szronieniem wymiennika odzysku ciepła w centrali wentylacyjnej można uzyskać, stosując powietrzne gruntowe wymienniki ciepła, które wykorzystują ciepło gruntu.

W literaturze znaleźć można wiele artykułów dotyczących powietrznych wymienników ciepła. W znacznej większości dotyczą one wymienników rurowych (np. [18]), są artykułami przeglądowymi (np. [22]), skupiają się na bardzo szczegółowych kwestiach związanych z projektowaniem, takich jak np. równomierność rozdziału powietrza, straty ciśnienia w układach wielorurowych czy znaczenie charakterystyk przepływowych dla wydajności energetycznej (np. [2, 3, 4, 5, 6, 7, 9]), dotyczą wpływu parametrów gruntu na wydajność GWC (np. [8]) lub wybranego, konkretnego rozwiązania wymiennika (np. [10, 11, 12, 13]).

Ze względu na budowę powietrzne gruntowe wymienniki ciepła można podzielić na przeponowe (powietrze przepływa np. w rurze z tworzywa sztucznego lub w kanale betonowym ułożonym w gruncie, nie kontaktując się bezpośrednio z gruntem) i bezprzeponowe (powietrze ma bezpośredni kontakt z gruntem).

W artykule przedstawiono przegląd wybranych rozwiązań wymienników bezprzeponowych.

Zasada działania

Powietrzne gruntowe wymienniki ciepła (PGWC) wykorzystują energię zakumulowaną w gruncie oraz zjawisko występowania względnie stałej temperatury gruntu na głębokości ok. 1,0–2,5 m pod powierzchnią terenu w ciągu całego roku. W warunkach klimatycznych Polski temperatura gruntu na głębokości 6–8 m pod powierzchnią terenu wynosi ok 10°C (±1,5°C), a na głębokości 1,0–2,5 m ok. 4−8°C [19]. Dzięki temu powietrze zewnętrzne po przepłynięciu przez PGWC zimą ulega podgrzaniu, a latem ochłodzeniu, zmniejszając zapotrzebowanie na ciepło i chłód dla budynku.

W okresie letnim schłodzone powietrze z PGWC trafiające do centrali wentylacyjnej można kierować przez obejście wymiennika odzysku ciepła, aby ograniczyć możliwość jego niepożądanego podgrzania przy przepływie przez centralę.

Dawniej stosowano również tzw. wkład letni zastępujący wymiennik ciepła w centrali wentylacyjnej, jednak było to rozwiązanie niewygodne i wymagające dodatkowego zaangażowania użytkownika. W świetle rozporządzenia UE w sprawie wykonania wymogów ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych [21] wszystkie obecnie produkowane centrale wentylacyjne powinny zostać wyposażone w układ obejścia wymiennika ciepła.

Powietrzne gruntowe wymienniki ciepła można podzielić na przeponowe i bezprzeponowe.

W przypadku przeponowych PGWC przepływające powietrze oddzielone jest od gruntu ścianką rury lub kanału – przepływa od czerpni do budynku w szczelnych przewodach wykonanych np. z rur tworzywowych o długości ok. 35–50 m, zakopanych na głębokości ok. 1,0−2,5 m [9], pozwalając na uzyskanie od 30 do 70 W ciepła z metra bieżącego przewodu [14].

Z uwagi na zjawisko wykraplania się pary wodnej na zimnej ściance takiego wymiennika w okresie letnim [6] nadają się one w szczególności do przygotowywania powietrza dla pomieszczeń wilgotnych i z dużymi zyskami wilgoci (np. baseny, siłownie, kuchnie, obieralnie itp.) – intensywność wykraplania jest niezależna od wilgotności samego gruntu.

Koszty wykonania wymiennika przeponowego są wyższe niż wykonania wymiennika bezprzeponowego żwirowego [17] i zależą od wielu czynników, m.in. od tego, czy konieczne jest wykonywanie dodatkowego wykopu, czy wymiennik jest układany pomiędzy fundamentami budynku [18] oraz od zastosowanego materiału przewodu.

W przypadku bezprzeponowych PGWC przepływające powietrze ma bezpośredni kontakt z gruntem. Wśród tego typu wymienników występują różne konstrukcje, np. wymienniki żwirowe, płytowe, modułowe.

Konstrukcje wymienników bezprzeponowych

Żwirowe wymienniki ciepła

Żwirowe wymienniki ciepła składają się ze złoża żwirowego, przewodu dostarczającego powietrze do złoża oraz przewodu odprowadzającego powietrze ze złoża do budynku (rys. 1).

Budowa wymiennika polega na:

• wykonaniu wykopu o przekroju prostokątnym i odpowiedniej głębokości,
• wyłożeniu ścian wykopu geowłókniną,
• częściowym zasypaniu wykopu płukanym żwirem o granulacji ok. 40−60 mm,
• ułożeniu przewodu rozprowadzającego i zbierającego po przeciwnych stronach złoża,
• przysypaniu złoża żwirem,
• przykryciu go warstwą izolacji termicznej i wilgociowej z zapasem ok. 1,5 m z każdej strony i przykryciu wymiennika warstwą humusu.

Geowłóknina ma za zadanie oddzielić złoże płukanego żwiru od gruntu rodzimego oraz innych niepożądanych elementów mogących wpłynąć na jakość lub przepływ powietrza.

Zastosowanie izolacji termicznej poprawia warunki pracy wymiennika, gdyż jest on mniej podatny na zmiany temperatury otoczenia nad nim.

Izolację termiczną i przeciwwilgociową wykonuje się z zapasem ok. 1,5 m i spadkiem na zewnątrz złoża, aby infiltrujące wody opadowe mogły spływać w głąb gruntu poza obrysem wymiennika.

W przypadku gdy poziom wód gruntowych znajduje się wysoko, możliwe jest wykonanie nasypu w celu umiejscowienia złoża na mniejszej głębokości, tak aby nie był zagrożony przsiąkaniem wód gruntowych. Jednak nie zawsze taki zabieg jest możliwy do wykonania i nie zawsze rozwiązuje problem wysokiego stanu wód gruntowych, wskazywanego jako podstawowy mankament stosowania bezprzeponowych wymienników w stosunku do wymienników rurowych.

Powietrze zasysane przez czerpnię (rys. 1) trafia do przewodu rozprowadzającego i przepływa przez warstwy wypełnienia wymiennika.

Czerpnię należy ulokować w miejscu oddalonym od ulic i parkingów, aby unikać zanieczyszczeń.

W lecie powietrze przepływające przez złoże żwirowego GWC ochładza się, a także następuje wykroplenie pary wodnej zawartej w powietrzu w wyniku dużo niższej temperatury gruntu od temperatury powietrza – zazwyczaj niższej od temperatury punktu rosy w warunkach letnich.

Trafiające do budynku powietrze jest ochłodzone do temperatury 14–20°C oraz osuszone. Nawiewanie do pomieszczeń powietrza o niższej temperaturze i wilgotności ogranicza nagrzewanie się pomieszczeń i eliminuje odczucie duszności, co w znacznym stopniu poprawia komfort w budynku.

Drugą zaletą wykraplania się pary wodnej w złożu jest jego czyszczenie. Woda spływająca przez złoże wypłukuje z niego zanieczyszczenia napływające wraz z powietrzem, a następnie wsiąka w grunt, dzięki czemu złoże ma właściwości samoczyszczące, które zapewniają wysoką jakość higieniczną powietrza. Opcjonalnie można wykonać w górnej warstwie złoża instalację zraszającą, która będzie dodatkowo je przepłukiwać oraz zwiększać wilgotność powietrza w zimie.

W okresie zimowym przy temperaturach zewnętrznych –18°C żwirowy PGWC podnosi temperaturę powietrza do ok. 0–5°C [14] oraz zwiększa jego wilgotność, co redukuje mankament wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, która przy dużych strumieniach powietrza wentylacyjnego przesusza powietrze w okresie zimowym. Oprócz korzyści wynikających ze zmian temperatury i wilgotności powietrza, żwirowe PGWC poprawiają higieniczną jakość powietrza.

Złoże żwirowe ma właściwość akumulacji energii cieplnej, co niweluje wahania temperatury powietrza nawiewanego, która utrzymuje się na względnie stałym poziomie podczas danej pory roku.

W okresach przejściowych, tj. wiosną i jesienią, wentylowanie budynku powietrzem przepływającym przez wymiennik jest mniej korzystne energetycznie niż powietrzem zewnętrznym bez dodatkowej obróbki, ponieważ powietrze jest wówczas niepotrzebnie ochładzane w gruncie. Żeby tego uniknąć, należy zamontować przed centralą wentylacyjną przepustnice (rys. 2) lub tzw. trójnik wyboru czerpni, które w okresie przejściowym sprawią, że świeże powietrze pobierane będzie z czerpni naściennej.

Konstrukcje wymienników bezprzeponowych

Płytowe gruntowe wymienniki ciepła

Kolejnym przykładem bezprzeponowego wymiennika ciepła są wymienniki płytowe, np. Provent-Geo (rys. 3, fot. 1 - patrz: zdjęcie po lewej). Ich konstrukcja znacznie różni się od wymienników żwirowych. Przepływ powietrza następuje w modularnych płytach wykonanych z PE lub PP o takiej budowie, która zapewnia bezpośredni kontakt powietrza z gruntem pod płytami.

Wymiennik jest instalowany na warstwie ok. 5 cm podsypki żwirowo-piaskowej, na której ułożone są moduły płytowe połączone z przewodami rozprowadzającym i zbierającym powietrze, prowadzonymi ze spadkiem w kierunku wymiennika w celu odprowadzenia skroplin do gruntu.

Następnie wykonuje się minimum 12 cm izolację termiczną z płyt styropianowych z zachowaniem marginesów na zewnątrz obrysu wymiennika, a bezpośrednio na płytach styropianowych układa folię jako izolację przeciwwilgociową i przysypuje gruntem rodzimym do żądanej wysokości. Poprzez zastosowanie odpowiedniej izolacji termicznej oraz niewielkiej grubości płyt i warstwy żwirowej wymiennik ten można wykonać na głębokości już 0,7 m. Ułatwia to rozwiązanie problemu wysokiego poziomu wód gruntowych, których obecność może uniemożliwiać przepływ powietrza przez wymiennik.

Konstrukcja urządzenia zapewnia regularny przepływ powietrza przez całą powierzchnię wymiennika, a prawidłowo dobrana izolacja termiczna umożliwia osiągnięcie temperatury 13−17°C na wyjściu z GWC przy temperaturach zewnętrznych 25−32°C, co, jak podano w [12], może zapewnić 100% zapotrzebowania na chłód w okresie letnim przy bardzo niskich kosztach eksploatacyjnych.

Straty ciśnienia w wymienniku płytowym zależą od wartości strumienia przepływającego powietrza i w opisywanym GWC wynoszą od 45 Pa przy strumieniu objętości powietrza 400 m³/h do 80 Pa przy strumieniu 2000 m³/h.

Atutem tego typu wymiennika jest możliwość ciągłej pracy bez potrzeby wykonywania przerw w celu regeneracji złoża. W okresie letnim, kiedy temperatura powietrza zewnętrznego w nocy jest niższa, do regeneracji wystarczy zwykle nieprzerwana praca wymiennika w okresie nocnym.

Z higienicznego punktu widzenia ciągła praca wymiennika ogranicza możliwość rozwoju drobnoustrojów osadzających się w złożu. Badania wykonane przez Wojewódzką Stację Epidemiologiczną w Opolu [23] potwierdziły skuteczność oczyszczania powietrza przez wymiennik płytowy i pokazały, że ogólna liczba bakterii zmniejszyła się z 350 CFU/m³ na wlocie do wymiennika do 50 CFU/m³ na wylocie.

Modułowe gruntowe wymienniki ciepła

Kolejną konstrukcją powietrznego gruntowego bezprzeponowego wymiennika ciepła jest wymiennik modułowy typu Geostrong (fot. 2). Składa się z modułów o wymiarach 210×120 cm wykonanych z PE lub PP.

W odróżnieniu od wcześniej omawianego wymiennika, moduły nie składają się z równoległych płyt, ale z 8 przewodów o przekroju półokrągłym o średnicy wewnętrznej 11,5 cm.

Ciekawym elementem modułów są przetłoczenia wykonane na każdym kanale:

• pierwszy ich rodzaj to przetłoczenia spiralne wypukłe do wewnętrznej strony przewodu, które powodują zawirowanie powietrza wokół osi przewodu, poprawiając kontakt powietrza stykającego się z gruntem;
• drugim rodzajem są wytłoczenia (karby) znajdujące się w górnej części przewodu, których zadaniem jest zaburzenie przepływu i intensyfikacja wymiany ciepła [23]. Na każdym przewodzie w module znajduje się 9 wytłoczeń spiralnych i 6 karbów rozłożonych na całej jego długości.

Ważną cechą wymiennika Geostrong jest jego wytrzymałość na nacisk. Jest ona różna w zależności od sposobu wypełnienia przestrzeni nad wymiennikiem oraz rodzaju gruntu i możliwości przeniesienia obciążeń przez grunt.

Jeśli wymiennik zostanie zasypany warstwą piasku 25 cm, jego wytrzymałość będzie wynosić ok. 25 t/m². Wypełnienie wymiennika do górnej części przewodów betonem zwiększy wytrzymałość do ok. 337 t/m², a zalanie betonem na wysokość 2 cm powyżej jego górnej krawędzi i zastosowanie siatki zbrojeniowej zwiększa wytrzymałość do 430 t/m². Zalanie betonem, oprócz przenoszenia obciążeń, sprzyja akumulacji ciepła.

Wzmocniony wymiennik można zainstalować nawet w przypadku ograniczonej przestrzeni do montażu – pod parkingami, chodnikami czy podjazdami. Istnieje również możliwość umiejscowienia go w obrysie fundamentów (pod budynkiem) bez obawy o jego zniszczenie, jednak należy zwrócić szczególną uwagę na możliwość cieplnej interakcji wymiennika z budynkiem, a co za tym idzie, konieczność wykonania skutecznej izolacji termicznej pomiędzy wylewką betonową nad wymiennikiem a posadzką oraz izolacji fundamentów po stronie wewnętrznej.

Wymiennik tego typu jest w stanie podgrzać powietrze wentylacyjne zimą do temperatury powyżej 1°C, natomiast latem schłodzić je do temperatury nie wyższej niż 17°C [23].

Ponieważ wymiennik jest bezprzeponowy, występuje w nim nawilżanie powietrza zimą i osuszanie latem.

Podsumowanie

Powietrzne bezprzeponowe gruntowe wymienniki ciepła powodują zmianę temperatury i wilgotności oraz poprawiają jakość higieniczną powietrza, a także chronią rekuperator w centrali wentylacyjnej przed zjawiskiem szronienia. Są jednym z elementów wpływających na energooszczędność systemów wentylacyjnych i zaleca się je do stosowania w budynkach niskoenergetycznych [1].

Wyniki badań pokazują, że COP gruntowych przeponowych wymienników ciepła osiąga wartość większą niż 20 (COP > 20), podczas gdy dla gruntowych pomp ciepła COP » 4 [15].

W dostępnej literaturze nie znaleziono wyników badań COP wymienników bezprzeponowych, jednak z uwagi na podobny zakres oporów przepływu można się spodziewać osiągnięcia podobnych wartości. Wynika to z niskiego poboru energii potrzebnej do pracy PGWC.

Koszt eksploatacji systemów z PGWC to jedynie cena energii, którą pobiera wentylator, aby pokonać dodatkowe opory przepływu przez gruntowy wymiennik ciepła, co przy wykorzystaniu energooszczędnych wentylatorów z silnikami elektronicznie komutowanymi (EC) [23] stanowi niewielką kwotę.

Różne konstrukcje gruntowych wymienników ciepła umożliwiają ich montaż pod parkingami, chodnikami i budynkami, co umożliwia zastosowanie nawet w przypadku ograniczonej powierzchni terenu.

Bezprzeponowe gruntowe wymienniki ciepła cechują się większą powierzchnią wymiany ciepła niż rurowe i mogą nawilżać powietrze w okresie zimy, co pozytywnie wpływa na zdrowie użytkowników oraz stan elementów drewnianych w pomieszczeniach. O popularności tych urządzeń świadczy duża liczba artykułów na temat ich eksploatacji oraz ofert producentów i wykonawców, prezentujących na swoich stronach internetowych wiele zrealizowanych zleceń, zarówno w budynkach jednorodzinnych, jak i obiektach użyteczności publicznej i innych.

Artykuł oprac. na podst. referatu wygłoszonego podczas II Ogólnopolskiej Studenckiej Konferencji Budowlanej BUDMIKA 2015, Poznań, 22–24 kwietnia 2015

Literatura

1. Amanowicz Ł., Szczechowiak E., Zasady projektowania systemów wentylacji budynków energooszczędnych, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 2/2017, s. 72–78.
2. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Straty ciśnienia w gruntowych powietrznych wielorurowych wymiennikach ciepła o kącie odejścia 45 stopni, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 12/2010, s. 451–454.
3. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Badania eksperymentalne wpływu zmian sposobu zasilania powietrznego gruntowego wymiennika ciepła typu rurowego na jego charakterystykę przepływową. Część 1. Równomierność rozpływu, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 6/2010, s. 208–212, 220.
4. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Badania eksperymentalne wpływu zmian sposobu zasilania powietrznego gruntowego wymiennika ciepła typu rurowego na jego charakterystykę przepływową. Część 2. Straty ciśnienia, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 7–8/2010, s. 263–266, 282.
5. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., An effect of flow non-uniformity in earth-to-air multi-pipe heat exchangers (EAHEs) on their thermal performance, XIII International Conference „Air & Heat – Water & Energy”, Wrocław-Kudowa 2011.
6. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Wpływ oporu przewodzenia ciepła w gruncie oraz wykraplania wilgoci na obliczeniową ilość energii z gruntowego powietrznego wymiennika ciepła, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 1/2012, s. 22–25.
7. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Ilościowy opis równomierności rozdziału powietrza w wielorurowych gruntowych wymiennikach ciepła, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2014, s. 70–73.
8. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Wpływ właściwości cieplnych gruntu na wydajność powietrznych rurowych gruntowych wymienników ciepła (PRGWC), „Instal” nr 10/2015, s. 59–62.
9. Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Experimental Investigation of Main Pipes Diameter Influence on Earth-to-air Multi Pipe Heat Exchangers Flow Characteristics, Proceeding of 11th REHVA World Congress & 8th International Conference on IAQVEC, 16–19.06.2013, Prague.
10. Besler G.J. i in., Bezprzeponowy gruntowy wymiennik ciepła i masy, patent PRL nr 128261 Politechniki Wrocławskiej – BGWCiM, Wrocław 1980.
11. Besler M., Oszczędność energii przy wykorzystaniu energii z nieznacznej głębokości gruntu – wyniki badań po 18 latach eksploatacji, Proc. 9th Int. Conf. on Air Conditioning & District Heating, Wrocław–Szklarska Poręba 1998.
12. Besler M., Rdzak M., Schwitalla A., Ponad 20 lat eksploatacji bezprzeponowych gruntowych wymienników ciepła i masy według patentu Politechniki Wrocławskiej, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 3/2005, s. 10–13.
13. Besler M., Cepiński W., Fijewski M., Uzdatnianie powietrza w wymienniku gruntowym dla pomieszczeń o różnych wymaganiach, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2015, s. 38–40.
14. Ćwik K., Gruntowe wymienniki ciepła. Dobre powietrze, „Magazyn Instalatora” nr 7–8/2005, s. 32–42.
15. Górka A., Efektywność gruntowego powietrznego wymiennika ciepłą (GPWC) na przykładzie budynku handlowego, XII International Conference „Air Conditioning, Air Protection & District Heating”, Szklarska Poręba 2008.
16. Iwanicka M., Szponar B., Gruntowy wymiennik ciepła, Mikrobiologiczna czystość, „Magazyn Instalatora” nr 2/2006, s. 18–19.
17. Motylski M., Piechta W., Opłacalna wymiana, „Magazyn Instalatora” nr 2/2006, s. 16–17.
18. Müller J., Wymienniki gruntowe pod budynkiem, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2015, s. 70–72.
19. Popiel C.O., Wojtkowiak J., Biernacka B., Measurements of temperature distribution in ground, „Experimental Thermal and Fluid Sience”, 25 (5) 2001, p. 301–309.
20. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, ze zm.).
21. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1253/2014 z dnia 7 lipca 2014 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych.
22. Topolańska J., Krawczyk D.A., Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła. Przegląd stosowanych rozwiązań, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2014, s. 78–81.
23. Materiały producentów: www.globaltech.com.pl, www.wymiennikgruntowy.pl, www.ebmpapst.pl.