Zastosowanie gruntowych wymienników ciepła w instalacjach wentylacyjnych

W procesie projektowania i wznoszenia budynków dążymy do uzyskania coraz wyższego standardu energetycznego przy jednoczesnym zachowaniu jak najlepszej jakości środowiska wewnętrznego. Oba te trendy obserwować można chociażby w przygotowywanej właśnie w UE gruntownej nowelizacji dyrektywy 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [1, 2]. Wraz z nowym standardem budynków bezemisyjnych zyskuje także na znaczeniu jakość środowiska wewnętrznego i rośnie zainteresowanie systemami instalacyjnymi, które pozwalają na osiągnięcie wysokich parametrów w obu tych aspektach. Ważnym czynnikiem wpływającym na decyzje inwestorów, a zatem działania projektantów i wykonawców, jest też dążenie do uzyskiwania jak największych oszczędności ekonomicznych bez udziału paliw kopalnych oraz zrównoważonego korzystania z zasobów środowiska. Przełożenie tych trendów na praktykę oznacza nie tylko boom na pompy ciepła, ale także zwiększone zainteresowanie wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła oraz systemami z nią współpracującymi i zwiększającymi efektywność jej pracy – jonizatorami, filtrami antysmogowymi czy gruntowymi wymiennikami ciepła (GWC).

Zobacz także: Jak przykleić styropian? Poradnik krok po kroku >>

Gruntowe wymienniki ciepła wykorzystują energię wierzchnich warstw gruntu (zwykle ok. 1,5–2 m głębokości) do wstępnego przygotowania powietrza wentylacyjnego. Terenowa czerpnia powietrza kieruje je do specjalnie przygotowanego złoża gruntowego ( „magazynu energii”), w którym zastosowano rozwiązania techniczne umożliwiające nadanie strumieniowi powietrza odpowiedniej prędkości i kierunku, tak by przed jego napływem do budynku nastąpiła możliwie efektywna wymiana ciepła między gruntem a powietrzem wentylacyjnym (poprzez ogrze­wanie lub chłodzenie – zależnie od pory roku).

GWC znajdują zastosowanie w różnych rodzajach obiektów wyposażonych w systemy wentylacji mechanicznej – w budynkach jedno- i wielorodzinnych, obiektach użyteczności publicznej (np. halach sportowo-widowiskowych) oraz halach przemysłowych i innych obiektach kubaturowych. Mogą być wykonywane na specjalnie do tego przeznaczonym terenie obok budynku, ale także pod podjazdem lub tarasem, a nawet pod budynkiem w obrębie ścian fundamentowych.

Działanie gruntowych wymienników ciepła

Najbardziej stabilnie i wydajnie pod względem energetycznym (szczególnie latem, dzięki wyeliminowaniu wpływu nasłonecznienia) GWC pracowałby na głębokości 4–5 m, gdzie temperatura gruntu pozostaje niemal niezmienna, a jej wahania w ciągu roku są nieznaczne i w niewielkim stopniu zależą od warunków atmosferycznych [3]. Wymienniki wykonuje się jednak zwykle na mniejszych głębokościach, od 0,7 m (wymienniki płytowe) do 2 m (wymienniki rurowe) – dokładne wytyczne dotyczące głębokości posadowienia zależą od rodzaju wymiennika i innych czynników związanych z działką. Kompensację wpływu warunków zewnętrznych stanowi zastosowanie nad wymiennikiem warstwy izolacji termicznej, np. styropianu o grubości 12 cm. Wielu producentów traktuje izolację termiczną nad GWC jako element systemu i jasno określa swoje wymagania co do rodzaju, grubości i parametrów izolacji.

Grunt na głębokości posadowienia GWC (najczęściej 1–2 m) stanowi magazyn energii pochodzącej ze słońca. W ciągu roku temperatura gruntu na tej głębokości waha się od 5 do 14°C [3] i jest zwykle wyższa od temperatury powietrza zewnętrznego zimą i niższa od temperatury powietrza zewnętrznego latem. Przejście strugi powietrza zewnętrznego przez wymiennik gruntowy pozwala wstępnie przygotować – ogrzać lub schłodzić – powietrze wentylacyjne, co oznacza mniejsze nakłady energetyczne na jego przygotowanie w budynku.
Badania gruntowych wymienników ciepła pokazują, że temperatura powietrza za wymiennikiem gruntowym zimą może być maksymalnie o ok. 20 K wyższa niż temperatura powietrza zewnętrznego, a latem – o 16–18 K niższa [3, 4]. Zimą GWC przyczyniają się do zwiększania całkowitej sprawności centrali wentylacyjnej nie tylko dzięki możliwości pracy z wysoką sprawnością temperaturową – w przypadku central z wymiennikami płytowymi istotnym czynnikiem jest także zapobieganie zamarzaniu (szronieniu) wymiennika, co eliminuje konieczność stosowania nagrzewnicy wstępnej. Natomiast latem zastosowanie GWC umożliwia obniżenie zapotrzebowania budynku na chłód, co ogranicza czas pracy chłodnicy w centrali wentylacyjnej (jeśli jest stosowana) oraz ilość energii elektrycznej zużywanej na chłodzenie powietrza przez rewersyjne pompy ciepła, klimatyzatory czy klimakonwektory albo belki chłodzące.

Badania różnych rodzajów wymienników gruntowych, prowadzone zarówno przez producentów, jak i ośrodki naukowe, potwierdzają także, że rozwiązania te stabilizują temperaturę powietrza przy jej dobowych zmianach [5].

Rozwiązania techniczne wymienników ciepła

W Polsce stosuje się najczęściej powietrzne gruntowe wymienniki ciepła (w materiałach niektórych producentów oznaczane czasami jako GPWC), w których wymiana ciepła zachodzi między gruntem a powietrzem doprowadzanym do budynku. Wymiana ciepła może zachodzić bezpośrednio między powietrzem i odpowiednio przygotowaną warstwą gruntu (GWC bezprzeponowe) lub poprzez przeponę w postaci ścianki prowadzonej w gruncie rury, przez którą przepływa powietrze (GWC przeponowe).

Oprócz powietrznych, występują także wymienniki gruntowe z czynnikiem pośredniczącym – następuje wówczas wymiana ciepła między gruntem a czynnikiem pośredniczącym (np. 30-proc. roztworem glikolu), a następnie między czynnikiem pośredniczącym i powietrzem wentylacyjnym poprzez odpowiedni wymiennik ciepła. Dodatkowa niewielka pompa obiegowa wymusza krążenie czynnika pośredniczącego w rurkach umieszczonych w gruncie – w ten sposób czynnik ogrzewa się zimą i chłodzi latem. Zasadniczymi zaletami tego rodzaju GWC w porównaniu do wymienników powietrznych są mniejsze wymiary (co wiąże się z większą pojemnością cieplną czynnika pośredniczącego w porównaniu do powietrza) oraz bardzo dobre warunki higieniczne (powietrze wentylacyjne w ogóle nie kontaktuje się z GWC), a wadami – konieczność zainstalowania dodatkowego wymiennika ciepła (wyższe koszty), mniejszy uzysk ciepła niż w przypadku wymienników powietrznych oraz dodatkowe zapotrzebowanie na energię do napędu pompy obiegowej. Wymiennik z czynnikiem pośredniczącym bardzo dobrze sprawdzi się na działkach o wysokim poziomie wód gruntowych. Jako jedyny spośród wymienników gruntowych może pracować nawet bezpośrednio zanurzony w wodzie gruntowej [3].

Wymienniki bezprzeponowe

Wymienniki bezprzeponowe to rozwiązania, w których powietrze przepływa bezpośrednio przez odpowiednio przygotowany grunt, bez wykorzystywania przepony pośredniczącej w wymianie ciepła. Wymienniki te charakteryzuje m.in. efektywna wymiana ciepła (związana m.in. z dużą powierzchnią wymiany ciepła i małą prędkością powietrza umożliwiającą długi czas kontaktu podczas tej wymiany). Warunki naturalne sprzyjają samoczynnej wymianie wilgoci (osuszanie latem i nawilżanie zimą), jak również odprowadzeniu z powietrza wilgoci powstającej latem w procesie jego osuszania. Powstały kondensat spływa w dół złoża, spłukując je i nie wywierając negatywnego wpływu na jego charakterystykę. Prowadzone od wielu lat badania wymienników bezprzeponowych wskazują również na ich dobroczynny wpływ na jakość mikrobiologiczną i zawartość pyłów zawieszonych w powietrzu, które przepłynęło przez złoże wymiennika [6]. Wymienniki bezprzeponowe są natomiast wrażliwe na poziom wód gruntowych i ich oddziaływanie, wskazuje się także na możliwość przenikania radonu glebowego z gruntu do powietrza.

Najczęściej stosowanymi GWC bezprzeponowymi są wymienniki żwirowe, grzebieniowe i płytowe. W przypadku wymiennika żwirowego na geowłókninie zabezpieczającej przed wymieszaniem z gruntem rodzimym układa się materiał żwirowy lub kamienisty o odpowiednim uziarnieniu. Na wierzchu złoża zaleca się ułożenie instalacji zraszającej umożliwiającej regulację wilgotności powietrza. Od góry stosuje się izolację cieplną (np. płyty styropianowe). Materiał przeznaczony do wykonania żwirowego GWC musi się cechować dobrą przewodnością termiczną, nienasiąkliwością i wysoką czystością higieniczną. Dlatego do wykonania GWC należy stosować wyłącznie żwir płukany od pewnego dostawcy, o granulacji ziaren 30–50 mm lub łom kamienny czy granitowy [6]. Obły kształt ziaren wymiennika sprzyja uspokojeniu przepływu przez złoże (nie ma on charakteru turbulentnego) i niskiej prędkości przepływu, wynoszącej nawet ok. 0,1 m/s [7]. W połączeniu z dużą powierzchnią wymiany ciepła skutkuje to jej wysoką efektywnością. Jeśli wyjściowe złoże żwirowe jest czyste, powietrze po przejściu przez GWC żwirowy ma dobre własności higieniczne.

Żwirowe GWC charakteryzują się wysokimi oporami przepływu (100 Pa), dlatego konieczne jest stosowanie wentylatora wspomagającego lub zwiększenie mocy centrali wentylacyjnej. Wymagają naturalnej regeneracji termicznej, do czego koniecznej jest okresowe wyłączanie złoża. Należy wówczas przełączać pracę systemu wentylacyjnego na okresowe (np. 8 h) pobieranie powietrza bez przejścia przez wymiennik gruntowy albo wykonać dwa złoża – jedno pracuje, a drugie poddawane jest regeneracji (w trybie np. 12 h). Można także przeznaczyć na GWC znacznie większą powierzchnię i wykonać cieńszą warstwę żwirową, dzięki czemu następuje dodatkowa wymiana ciepła między powietrzem wentylacyjnym a gruntem pod wymiennikiem.

Żwirowych GWC nie należy stosować przy wysokim poziomie wód gruntowych, choć problem ten można rozwiązać, konstruując wymiennik wypiętrzony ponad poziom terenu, o ile zgadza się na to inwestor – dla wielu z nich możliwość ukrycia wymiennika pod trawnikiem czy fundamentami budynku należy do istotnych zalet tego rozwiązania.

Jedną z możliwości ulepszenia pracy żwirowego GWC jest uzupełnienie konstrukcji o dodatkowe kolektory i rury w formie tzw. wymiennika grzebieniowego (rozwiązanie opatentowane przez firmę ArsTech) [3]. Powietrze do złoża żwirowego dopływa przez dwa boczne kolektory, do których podłączone są rury rozprowadzające i odbierające powietrze ze złoża w układzie tworzącym dwa nachodzące na siebie „grzebienie”. Takie rozwiązanie poprawia sposób rozprowadzenia powietrza w złożu i skutkuje wyraźnym obniżeniem oporów przepływu (nawet do 15–20 Pa w porównaniu do 100 Pa w przypadku wymiennika żwirowego), dzięki czemu wyeliminowana jest konieczność zwiększania mocy centrali wentylacyjnej czy stosowania dodatkowego wentylatora. Wymiennik grzebieniowy nie wymaga regeneracji termicznej złoża i może być posadowiony na mniejszej głębokości niż żwirowy (np. 1 m), dzięki czemu cechuje się większą odpornością na wysoki poziom wód gruntowych.
Bardzo efektywnym i wydajnym rozwiązaniem bezprzeponowym jest także wymiennik płytowy, który ma zalety wymiennika żwirowego (duża powierzchnia wymiany ciepła, małe prędkości przepływu i dobra jakość powietrza wprowadzanego do budynku), a dzięki zastosowaniu odpowiedniej konstrukcji zarówno warstwy żwirowo-piaskowej, jak i unikatowych dla konstrukcji tego wymiennika płyt ma niskie opory przepływu (15–20 Pa w porównaniu do 100 Pa w przypadku wymiennika żwirowego). Nie wymaga regeneracji termicznej, zimą zapewnia dowilżanie powietrza dzięki kapilarnie podciąganej wilgoci zawartej w gruncie rodzimym, może być także posadowiony na bardzo małej głębokości (biorąc pod uwagę tylko względy techniczne, mogłoby to być nawet 0,7 m, jednak głębokość ta powinna być większa ze względu na granicę przemarzania). Dzięki temu rozwiązanie to bardzo dobrze nadaje się do montażu pod budynkiem.

W konstrukcji wymiennika płytowego znaczącą rolę odgrywają współpracujące ze sobą elementy – odpowiednio wykonana podsypka żwirowo-piaskowa o małej miąższości oddzielona od gruntu rodzimego geowłókniną, dwa kolektory boczne zapewniające równomierny, ukierunkowany przepływ powietrza przez złoże i jego odbiór przed wejściem do budynku oraz system płyt z tworzywa sztucznego układanych w rzędach tworzących zwarty układ bądź z odstępami pomiędzy rzędami. Między płytami a złożem żwirowo-piaskowym znajduje się szczelina o wysokości do 30 mm zapewniająca prawidłowy przepływ powietrza. Płyty wymiennika mogą być odpowiednio perforowane lub wytłaczane, dzięki czemu warunki przepływu powietrza są dodatkowo poprawione. Konstrukcja wymiennika płytowego eliminuje konieczność termicznej regeneracji gruntu, a dodatkowa wierzchnia warstwa izolacji zabezpiecza go przed nadmiernym nasłonecznieniem latem. Zimą z kolei wykorzystywane są własności gruntu rodzimego, na którym umieszczone jest właściwe złoże żwirowo-piaskowe wymiennika – powietrze wentylacyjne nie tylko dogrzewa się dzięki wpływowi gruntu, ale też jest dowilżane dzięki podciąganiu wilgoci kapilarnej. Latem wilgoć z powietrza chłodzonego wykrapla się i odprowadzana jest do warstwy gruntu pod wymiennikiem.

Grzebieniowe i płytowe wymienniki bezprzeponowe bardzo dobrze nadają się do posadowienia w obrysie ścian fundamentowych pod budynkami, np. pod posadzką zakładów produkcyjnych.

Wymienniki przeponowe (rurowe)

Wymienniki przeponowe nie wymagają regeneracji termicznej, mają stosunkowo małe opory przepływu (w stosowanych w Polsce rurach zwykle do 25 Pa) i dają możliwość skutecznego ukierunkowania przepływu powietrza. Wykonywane są zazwyczaj z rur z tworzywa sztucznego o średnicach 200–500 mm, układanych szeregowo (najczęściej w układzie meandrowym, rzadziej pierścieniowo) albo w układzie równoległym (Tichelmanna), którego główną zaletą są niższe opory przepływu i prędkości, które usprawniają wymianę ciepła. Za najbardziej efektywny energetycznie rurowy GWC uważa się jednak układ meandrowy – warto go wykonywać, jeżeli pozwalają na to warunki topograficzne i wielkość działki.

Stosowane w GWC systemy rurowe muszą łączyć różne cechy użytkowe – niskie opory liniowe przepływu, odpowiednio dużą przenikalność cieplną zapewniającą efektywne przekazywanie ciepła między gruntem a powietrzem wentylacyjnym, wysoką sztywność wzdłużną, ofertę kształtek umożliwiającą wymagane w danym projekcie ułożenie przewodów, szczelność rur i połączeń. Prawidłowe wykonanie połączeń jest bardzo istotne dla zapewnienia całkowitej szczelności systemu, np. na infiltrację wód gruntowych i opadowych. Przedostawanie się wilgoci do wnętrza rur nie tylko zmienia charakter procesów wymiany ciepła, może też pogorszyć warunki higieniczne w przewodach. Latem istotnym problemem jest także wykraplanie pary wodnej na wewnętrznej powierzchni rur, co wiąże się z procesem ochładzania powietrza. Rurowy GWC wymaga więc zaplanowania studzienek odwodnieniowych do odprowadzenia kondensatu i zapewnienia 1-proc. spadku w kierunku przepływu powietrza [3]. Zaleganie kondensatu w rurach może powodować pogorszenie warunków higienicznych, zatem producenci często oferują rury do GWC wyposażone w specjalną powłokę zapobiegającą przetrwaniu i rozwojowi mikroorganizmów. Zaleca się także płukanie (przemywanie) rur GWC raz do roku.

W oferowanych w Polsce GWC rurowych stosowane są zwykle dwa rodzaje rur: pełnościenne rury z polipropylenu wzmacnianego minerałami (RAU-PP) z powłoką antybakteryjną, łączone systemowymi kształtkami kielichowymi z uszczelnieniem, o przewodności cieplnej wynoszącej 0,25–0,30 W/mK oraz rury z polietylenu wysokiej gęstości (HDPE) z powłoką antybakteryjną/antygrzybiczną z nanosrebra, łączone kształtkami zgrzewanymi elektrooporowo lub doczołowo (wysoka szczelność), o przewodności cieplnej ok. 0,50 W/mK. W początkowym okresie stosowania rurowych wymienników gruntowych spotykane były także rury wykonane z PVC (np. takie jak do systemów kanalizacyjnych), jednak rury specjalne do GWC są rozwiązaniem dużo lepszym [7].

Średnice rur i ich długość dobiera się do wydatku centrali wentylacyjnej, przy czym średnica rury nie powinna być mniejsza od średnicy króćca montażowego centrali wentylacyjnej i ma umożliwić przepływ z prędkością powietrza 1–3 m/s. Im niższa prędkość, tym większa efektywność wymiany ciepła. W projekcie i wykonawstwie bardzo ważne jest także zachowanie odpowiedniej odległości pomiędzy rurami (najczęściej spotyka się zalecenie, by był to min. 1 m) – ułożone zbyt blisko oddziałują na siebie, co zmniejsza skuteczność wymiany ciepła. Rurowy GWC należy układać na głębokości nie mniejszej niż 1,5 m (dokładne wartości podają producenci), biorąc pod uwagę m.in. ryzyko zalewania wodami gruntowymi.

Przeczytaj także: Wymienniki ciepła – kierunki rozwoju

Czy GWC bezprzeponowe są naturalnymi filtrami powietrza?

Producenci bezprzeponowych GWC podkreślają dobroczynny wpływ złoża gruntowego żwirowo-piaskowego na jakość mikrobiologiczną powietrza. Firmy badają także zastosowanie podłoża dolomitowego, które cechuje się dużą skutecznością w absorpcji zanieczyszczeń z powietrza wentylacyjnego. Jak wskazują doświadczenia jednej z firm specjalizujących się w produkcji wymienników gruntowych, podobne (a nawet lepsze) własności mogą wykazywać zeolity, ze względu na strukturę zapewniającą znaczną powierzchnię czynną umożliwiającą wysoko efektywną absorpcję zanieczyszczeń powietrza.

Przeprowadzone w 2004 r. badania mikrobiologiczne tzw. markerów (tj. odpowiednich substancji chemicznych jednoznacznie wskazujących całkowite ilości grzybów i bakterii) przeprowadzone dla żwirowego GWC wykazały spadek stężenia markera grzybów i ich zarodników z 10,8 pg/mg na wlocie GWC do 0,3 pg/mg przy wylocie powietrza z GWC do budynku, a markera bakterii Gram-ujemnych i ich endotoksyn – z 0,147 nmol/mg przy czerpni do 0,010 nmol/mg przy wylocie. Nie stwierdzono także wzmożonego wzrostu bakterii ani grzybów na powierzchni złoża GWC [6]. Z kolei badania mikrobiologiczne GWC płytowego wykazały, że liczba bakterii spadła z 800 do 60 CFU/m³, a stężenie grzybów zmniejszyło się z 720 do 40 CFU/m³ (CFU – jednostki tworzące kolonie) [8].

Jak wynika z badań przeprowadzonych w 2018 r. przez Instytut PAN na zlecenie wykonawcy żwirowego GWC w Rybniku, stężenia pyłu zawieszonego PM₁, PM_2,5, PM₁₀ oraz stężenie frakcji respirabilnej i całkowite stężenie pyłu zawieszonego wyraźnie maleją po przejściu przez GWC. Według tych badań skuteczność całego GWC przeponowego w zakresie usuwania pyłu zawieszonego wynosi nawet 75–76% [9].

Zagadnieniem wymagającym dokładnego zbadania jest napływ do budynku zasilanego powietrzem przepływającym przez GWC izotopu 222Rn (radonu) pochodzenia glebowego. Brakuje kompleksowych badań w tym zakresie, nieliczne wskazują na występowanie tego problemu w miejscach o dużym stężeniu radonu glebowego. Problem dotyczyć może przede wszystkim wymienników bezprzeponowych – GWC rurowe są szczelne na przenikanie radonu, ale pod warunkiem prawidłowego wykonania połączeń [3, 10, 11].

Zasady wyboru i doboru wymiennika gruntowego

Choć GWC jest rozwiązaniem prostym pod względem technicznym – jego działanie opiera się na efektywnym wykorzystaniu znanych, „zawsze działających” zjawisk wynikających z praw fizyki – przy projektowaniu trzeba uwzględnić wiele indywidualnych czynników. Na przykład wraz z głębokością posadowienia GWC w gruncie rośnie jego efektywność, ale zbyt duża głębokość wykopu może się okazać nieuzasadniona ekonomicznie na etapie budowy lub wykluczona z powodu poziomu wód gruntowych. Należy uwzględnić dostosowanie wymiennika i kolektorów przyłączeniowych do ukształtowania terenu, konieczne jest także rozwiązanie ewentualnych konfliktów z innymi elementami uzbrojenia terenu.

Przed doborem GWC należy określić, gdzie zostanie on posadowiony – obok budynku czy wewnątrz jego obrysu. Montaż GWC obok budynku (np. pod trawnikiem) pozwala na łatwy dostęp do urządzenia w razie konieczności naprawy, jednak wymaga odpowiednio dużej, właściwie zagospodarowanej powierzchni – teren powinien być zabezpieczony zarówno przed nasłonecznieniem (dobrym rozwiązaniem jest np. montaż pod tarasem), jak i przed przerastaniem GWC korzeniami roślin. Nie należy obsadzać terenu nad GWC roślinami o głębokim systemie korzeniowym, nie powinien to też być teren zalesiony.

Montaż GWC rurowych, płytowych oraz grzebieniowych, wymagających stosunkowo płytkiego wykopu (a w przypadku wymienników płytowych także najmniejszej wśród tych rodzajów wymienników powierzchni), w świetle ścian fundamentowych pozwala oszczędzić miejsce i chroni wymiennik przed bezpośrednim wpływem nasłonecznienia. Wymaga to jednak podjęcia decyzji jeszcze przed budową obiektu. Należy też wziąć pod uwagę, że schłodzenie gruntu zimą może spowodować zwiększenie strat ciepła budynku do gruntu, a w wyjątkowych warunkach może dojść do pogłębienia strefy przemarzania gruntu i niekorzystnego wpływu na fundamenty.

Głębokość montażu zależy od lokalnej głębokości przemarzania gruntu – w Polsce nadal stosujemy wskazany przez normę ­PN-81/B-03020 Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie [12] przedział od 0,8 do 1,4 m zależnie od strefy klimatycznej – oraz od poziomu wód gruntowych. Poziom wód gruntowych może też determinować rodzaj zastosowanego GWC – w niektórych przypadkach zastosowanie powietrznego GWC może się okazać niemożliwe, a jedynym wyjściem będzie GWC z czynnikiem pośredniczącym.

Wpływ na uzysk energii przez wymiennik – szczególnie rurowy – ma rodzaj gruntu rodzimego. Najlepiej kumulują energię grunty ilaste i gliniaste, gorsze warunki pracy GWC występują w gruntach piaszczystych.

Wielkość GWC dobiera się w zależności od natężenia przepływu przez centralę wentylacyjną. Producenci wspomagają dobór wielkości GWC (np. średnicę i długość rur lub wymaganą powierzchnię płyt) za pomocą materiałów projektowych czy odpowiednich programów obliczeniowych. Należy uwzględnić także całkowite opory przepływu powodowane przez GWC (w tym jego czerpnię z filtrem).

Miarą efektywności energetycznej GWC jest współczynnik efektywności, wyznaczany jako stosunek ciepła i chłodu przejmowanych w wymienniku w okresie całego roku do energii elektrycznej zużytej w tym czasie do napędu wentylatora (także wspomagającego), wynoszący od 10 do 40 (w zależności od różnych czynników). Dla uzyskania wysokiej wartości tego współczynnika wymiennik musi być dobrany w sposób zapewniający maksymalny uzysk energii z gruntu przy jednoczesnej minimalizacji oporów przepływu powietrza, co wpływa na obniżenie wymaganej mocy wentylatora.

Czerpnie powietrza w GWC

Powietrze do GWC kierowane jest przez tzw. czerpnię terenową (wolnostojącą) – czerpnia taka może stanowić zarówno element rozwiązania systemowego oferowanego przez producenta GWC, jak i pochodzić z oferty producenta rozwiązań wentylacyjnych specjalizującego się w zakończeniach wentylacyjnych. Zwykle wykonuje się je ze stali powlekanej lub ze stali nierdzewnej (opcjonalnie w do­wolnych kolorach z palety RAL), dostępne są także wykonania z metali kolorowych.

Zgodnie z § 152 Warunków Technicznych [13]:

1. Czerpnie powietrza w instalacjach wentylacji i klimatyzacji powinny być zabezpieczone przed opadami atmosferycznymi i działaniem wiatru oraz być zlokalizowane w sposób umożliwiający pobieranie w danych warunkach jak najczystszego i, w okresie letnim, najchłodniejszego powietrza. [...]

3. Czerpnie powietrza sytuowane na poziomie terenu lub na ścianie dwóch najniższych kondygnacji nadziemnych budynku powinny znajdować się w odległości co najmniej 8 m w rzucie poziomym od ulic i parkingów powyżej 20 stanowisk postojowych, miejsc gromadzenia odpadów stałych, wywiewek kanalizacyjnych oraz innych źródeł zanieczyszczenia powietrza. Odległość dolnej krawędzi otworu wlotowego czerpni od poziomu terenu powinna wynosić co najmniej 2 m.

Czerpnie terenowe do GWC mają zwykle wysokość całkowitą wynoszącą ok. 1–1,5 m, a dolna krawędź otworu wlotowego według zaleceń producentów nie powinna się znajdować na wysokości mniejszej niż 0,6 m nad terenem. Czerpnie są jednak chronione przed grubszymi zanieczyszczeniami – standardowo wyposaża się je w siatkę ze stali nierdzewnej chroniącą przed gryzoniami i owadami (o odpowiednio małym oczku), a większość producentów czerpni do GWC wyposaża je także w filtry. Najczęściej stosuje się stożkowe filtry workowe G4/EU4 (zatrzymujące ok. 90% cząstek syntetycznych większych niż 0,4 μm) [14] lub – zgodnie z najnowszą klasyfikacją – wstępne (coarse), o skuteczności usuwania PM10 niższej niż 50% [15].

Wykonawstwo gruntowych wymienników ciepła

GWC są rozwiązaniami prostymi także pod względem montażowym, co jednak nie zwalnia wykonawców ze staranności i zwracania uwagi na istotne szczegóły. Przykładowo: dla wymienników rurowych kluczowe jest nie tylko prawidłowe poprowadzenie rur, ale też staranne wykonanie idealnie szczelnych połączeń; wymiennik żwirowy wymaga odpowiednio czystego materiału (żwir płukany); w wymiennikach bezprzeponowych konieczne jest prawidłowe zabezpieczenie podsypki żwirowo-piaskowej przed mieszaniem z gruntem rodzimym (a więc prawidłowe ułożenie geowłókniny o odpowiedniej jakości); a wymienniki płytowe i grzebieniowe wymagają starannego ułożenia kolektorów bocznych oraz ich prawidłowego połączenia z czerpnią i wejściem do budynku.

Ważną kwestią jest także ograniczenie nadmiernego nasłonecznienia terenu, pod którym znajduje się wymiennik gruntowy. Osiąga się to przede wszystkim przez zastosowanie odpowiedniej izolacji wymiennika oraz prawidłowe zagospodarowanie działki.

Optymalne wykorzystanie GWC

Producenci oferują system sterowania GWC połączony z systemem sterowania centrali wentylacyjnej, przydatny szczególnie latem (przy chłodzeniu powietrza). W sterowniku należy odpowiednio skonfigurować tryb współpracy, określając graniczne warunki zewnętrzne i wewnętrzne wymagające załączenia lub wyłączenia GWC. Zależnie od bieżącej sytuacji następuje przełączenie między czerpnią GWC a odrębną czerpnią powietrza świeżego (ścienną lub dachową). Dzięki temu system wentylacyjny może najpełniej wykorzystać chłodzenie naturalne i zużywa na proces chłodzenia możliwie najmniejszą ilość energii. Podzespołem realizującym to zadanie jest przepustnica gruntowego wymiennika ciepła – dostosowana wielkością do centrali wentylacyjnej – z siłownikiem zintegrowanym ze sterowaniem centrali wentylacyjnej, która otwiera się lub zamyka w zależności od realizowanego sposobu nawiewu powietrza. Przepustnica wyposażona jest w odpowiednią izolację cieplną i akustyczną zapewniającą optymalne warunki jej pracy.

GWC nie wymaga szczególnych działań eksploatacyjnych – poza regularną wymianą filtra w czerpni powietrza (w przypadku wymienników rurowych zaleca się płukanie raz do roku, a wymienniki żwirowe wymagają zachowania odpowiedniego reżimu regeneracji termicznej). Częstotliwość wymiany filtrów wskazywana jest przez producenta (np. raz na 4 miesiące), a w lokalizacji o wysokim zanieczyszczeniu powietrza warto wymieniać je częściej. Jak w każdym przypadku zabrudzonego filtra rosną jego opory przepływu (straty miejscowe), a tym samym zużycie energii potrzebne na przetłoczenie powietrza przez GWC. Opór przepływu filtra nie powinien przekraczać granicznej wielkości strat ciśnienia (tzw. punktu przebicia filtra) określonej dla danego natężenia przepływu powietrza.

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (wersja przekształcona) (Dz.Urz. L 153 z 18.06.2010)
2. COM(2021) 802 final. Wniosek: Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (wersja przekształcona), 2021/0426(COD)
3. Lipska Barbara, Gruntowe wymienniki ciepła stosowane w wentylacji i klimatyzacji, „Inżynier Budownictwa” 3/2022
4. Kostka Maria, Szulgowska-Zgrzywa Małgorzata, Obliczenia energetyczne gruntowych rurowych wymienników ciepła, „Rynek Instalacyjny” 6/2015, rynekinstalacyjny.pl
5. Topolańska Justyna, Krawczyk Anna, Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła. Cz. 2. Ocena pracy systemu na podstawie wyników pomiarów, „Rynek Instalacyjny” 7-8/2015, rynekinstalacyjny.pl
6. Szponar Bogumiła, Iwanicka Marta, Gruntowy wymiennik ciepła. Mikrobiologiczna czystość, „Magazyn Instalatora” 2/2006
7. Topolańska Justyna, Krawczyk Anna, Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła. Przegląd stosowanych rozwiązań, „Rynek Instalacyjny” 4/2014, rynekinstalacyjny.pl
8. WSSE Opole, Sprawozdanie z badań nr 59/DW/10, Opole 2010
9. Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska PAN, Sprawozdanie z badań C2-8I0l20 18NP-E (etap 1), Zabrze 2018
10. Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Wyniki pomiarów stężenia radonu (Rn-222) w domu z instalacją wentylacji mechanicznej współpracującej z bezprzewodowym gruntowym wymiennikiem ciepła typu SALUTAIRE, Częstochowa 2018
11. Skórska Magdalena, Radon – podsumowanie aktualnego stanu wiedzy, Opole 2022, https://www.pro-vent.pl/radon-podsumowanie-aktualnego-stanu-wiedzy (dostęp: 10.07.2023)
12. PN-81/B-03020 Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie
13. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. DzU 2022, poz. 1225)
14. PN-EN 779:2012 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Określanie parametrów filtracyjnych
15. PN-EN ISO 16890-1:2017-01 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Część 1: Specyfikacje techniczne, wymagania i system klasyfikacji określony na podstawie skuteczności filtracji cząstek pyłu (ePM)
16. Materiały techniczne firm: Aeris, ArsTech, Ecoplastol, Ekoterm, Frapol, Global-Tech, Pro-Vent, Rehau, TaniaKlima, Thessla Green, Warebud