Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła Przegląd stosowanych rozwiązań

Gruntowe wymienniki ciepła wykorzystują dużą bezwładność gruntu i fakt, że tylko na niewielkich głębokościach obserwowane są wahania jego temperatury w zależności od rzeczywistej temperatury powietrza zewnętrznego [2].

W warunkach klimatycznych Polski stała temperatura ok. 10°C otrzymywana jest już na głębokości 7–10 m. W praktyce złoże wymiennika jest posadowione płycej, często nawet 1,3–1,5 m pod powierzchnią terenu [3].

Powietrze przepływające przez GWC jest, w zależności od pory roku, wstępnie ogrzewane lub chłodzone, a następnie nawiewane do pomieszczeń. Zasada działania wymienników gruntowych opiera się na wymianie ciepła pomiędzy gruntem a powietrzem zewnętrznym, które poprzez terenową czerpnię jest nawiewane do wymiennika gruntowego. W zależności od sposobu wymiany ciepła z gruntem można wyróżnić trzy podstawowe typy GWC:

• wymiennik żwirowy, gdzie powietrze przepływa przez grubą warstwę złoża żwirowego (żwir płukany, tłuczeń),
• wymiennik płytowy, w którym powietrze odbiera/oddaje ciepło do gruntu, przepływając między płytami wymiennika,
• wymiennik rurowy składający się z systemu rur (rzadziej pojedynczej rury) ułożonych w systemie pierścieniowym lub współprądowym Tichelmanna.

Ponadto spotkać można wymienniki glikolowe, gdzie powietrze ogrzewa się lub ochładza w wymienniku typu powietrze/glikol, oraz wymienniki grzebieniowe stanowiące połączenie wymiennika płytowego i żwirowego.

Przykładowe instalacje z zastosowaniem GWC

Wymienniki żwirowe

Do czerpania powietrza dla wymiennika żwirowego służy czerpnia terenowa powietrza zewnętrznego (fot. 1), skąd jest ono rozprowadzane kanałami przez złoże wykonane ze żwiru płukanego o odpowiedniej granulacji. Zraszanie złoża zapewnia nawilżenie powietrza zimą. W lecie następuje wykraplanie się wilgoci z powietrza i absorpcja pyłków oraz alergenów obecnych w powietrzu [3].

Do najważniejszych zalet gruntowego wymiennika żwirowego można zaliczyć [10–12]:

• efektywną wymianę cieplną z gruntem,
• dużą bezwładność cieplną złoża gwarantującą stałą temperaturę powietrza za wymiennikiem przy niedużych wahaniach temperatury zewnętrznej,
• chłodzenie i osuszanie powietrza w okresie letnim,
• ogrzewanie i nawilżenie powietrza w okresie zimowym,
• ograniczenie kosztów ogrzewania/chłodzenia powietrza,
• proste wykonanie, z tanich i łatwo dostępnych materiałów,
• brak konieczności odprowadzania kondensatu,
• filtrowanie powietrza wchodzącego do budynku (dzięki czemu jest ono higienicznie czyste).

Wady gruntowego wymiennika żwirowego to przede wszystkim [3, 11, 13]:

• możliwość uszkodzenia lub czasowego wyłączenia z pracy przy wysokim poziomie wód gruntowych,
• powstawanie zapachu stęchlizny po zalaniu wodą,
• konieczność regeneracji złoża (w relatywnie długim okresie 12 godz.) lub budowy dwóch równoległych, pracujących naprzemiennie złóż,
• ograniczenia w zagospodarowaniu terenu nad złożem,
• brak zysków energetycznych w okresie przejściowym (wiosna, jesień),
• konieczność stosowania wentylatorów o wysokim sprężu w celu pokonania znacznych oporów przepływającego powietrza.

Przykładem pracującego od wielu lat gruntowego wymiennika ciepła typu żwirowego jest urządzenie zlokalizowane przy biurowcu Exbud-Skanska. GWC pracuje na potrzeby budynków o łącznej kubaturze 96 000 m³. W skład kompleksu wchodzi 15-kondygnacyjny biurowiec, w którym mieszczą się m.in. sale wystawowe, sala kongresowa, bank, zespół hotelowo-rekreacyjny oraz zespół gastronomiczny.

W obiekcie zastosowano wiele energooszczędnych rozwiązań, do których oprócz bezprzeponowych wymienników ciepła oraz rurowego wymiennika gruntowego można zaliczyć rekuperatory obrotowe, pompy ciepła powietrze/woda do podgrzewania ciepłej wody użytkowej czy recyrkulację powietrza w pomieszczeniach, w których jest to możliwe ze względów higienicznych.

Gruntowe wymienniki ciepła typu żwirowego zostały wykonane pod trawnikami wokół zespołu budynków. Złoże akumulacyjno-wymienne stanowi warstwa grysu granitowego o granulacji 12–20 mm i tłuczeń granitowy 50–100 mm. Największy wymiennik, o wymiarach zewnętrznych 30×12,5×1,5 m, ma wydajność 33 500 m³/h i moc 172 kW [5, 14].

Jak podano w publikacji [5], wyniki badań po 6 latach pracy wymienników potwierdziły ich skuteczność. Przy temperaturach powietrza atmosferycznego rzędu –20°C za wymiennikiem uzyskiwano powietrze o temperaturze do 0°C w przypadku wyłączania ich w okresie nocnym (umożliwienie regeneracji) i –5°C przy pracy bez przerwy. Z kolei latem przy temperaturze zewnętrznej 24–26°C zaobserwowano schłodzenie do ok. 14°C.

Wyniki badań opisanych w publikacji [7] pozwoliły na określenie efektywności wymienników. Jednostkowy strumień ich mocy chłodniczej wyniósł od 0,33 do 9,67 W/(m³/h), a mocy cieplnej 0,67–7,00 W/(m³/h) [6].

Z badań jakości powietrza wykonanych przez sanepid wynika, że w powietrzu po przejściu przez złoże żwirowe znajduje się mniej komórek drobnoustrojów niż w powietrzu zewnętrznym pobieranym przez czerpnię terenową.

W analizie uwzględniono ogólną liczbę bakterii, liczbę wybranych grup bakterii (m.in. promieniowce, gronkowce hemolizujące) oraz liczbę grzybów. Przeprowadzono ponadto analizę markerów drobnoustrojów w powietrzu po przejściu przez wymiennik i wchodzącym do pomieszczenia oraz w osadach cząsteczkowych na złożu, które potwierdziły, że w powietrzu nawiewanym do pomieszczeń po przejściu przez GWC znajdują się nikłe ilości drobnoustrojów, a wyhodowanych żywych bakterii i grzybów oraz ich chemicznych markerów było znacznie mniej niż na wlocie do wymiennika, mimo że nie przeprowadzono żadnych czynności dezynfekcyjnych [9].

W województwie podlaskim pracują liczne wymienniki żwirowe, przy czym wiele z nich zamontowano przy jednorodzinnych domach mieszkalnych oddanych do użytku w ostatnich latach. Znaleźć też można systemy ze żwirowymi GWC w obiektach użyteczności publicznej, przykładem może być wymiennik pracujący na potrzeby chłodzenia budynku biurowego w Białymstoku (fot. 1) lub ogrzewania i chłodzenia budynku biurowego w Złotorii (fot. 2).

Według danych uzyskanych od użytkowników obiektów w pierwszym przypadku temperatura za wymiennikiem w lecie wynosi zazwyczaj ok. 22–23°C, natomiast w drugim obiekcie zimą temperatura powietrza po przejściu przez wymiennik żwirowy jest wyższa niż 3°C, a latem wynosi ok. 18°C.

W przypadku biurowca w Białymstoku czerpnia terenowa została zlokalizowana na trawniku w pobliżu budynku, z kolei w Złotorii, z uwagi na położenie obiektu przy ruchliwej drodze ekspresowej, w celu wstępnego oczyszczenia powietrza dookoła czerpni zasadzone zostały drzewa. W obu złożach zastosowano żwir płukany, o granulacji 16–31 mm (obiekt 1) i 20–30 mm (obiekt 2).

Wymienniki płytowe

Gruntowe wymienniki płytowe w odróżnieniu od żwirowych mogą pracować bez przerw na regenerację. W tym przypadku powietrze z czerpni terenowej doprowadzane jest do wymiennika zbudowanego z płyt stanowiących wymiennik bezprzeponowy, a po obróbce termicznej przez kanał kierowane do centrali klimatyzacyjnej i wentylowanych pomieszczeń. 

Konstrukcja GWC powinna zapewnić minimalne opory dla przepływającego powietrza przy maksymalnej efektywności [15]. Pod wymiennikiem wykonywana jest podsypka żwirowo-piaskowa o grubości warstwy ok. 5 cm, a nad płytami izolacja, najczęściej w postaci płyt styropianowych o grubości min. 12 cm. Przykład instalacji z wymiennikiem płytowym pokazano na fot. 3. Przykładowe dane dotyczące GWC płytowych zestawiono w tabeli 1.

Popularne stało się ostatnio umieszczanie wymienników płytowych pod budynkami, co zapewnia stałą temperaturę gruntu niezależnie do pory roku (fot. 4). 

Badania przeprowadzone przez firmę Provent-Geo na wymienniku zamontowanym pod halą produkcyjną pokazują, jakie temperatury można uzyskać w lecie i zimie za wymiennikiem [15]. W okresie letnim przy temperaturze zewnętrznej pomiędzy 20 a 35°C temperatura powietrza za wymiennikiem wynosiła 13–18°C, natomiast w zimie przy zakresie od –24 do 1°C za GWC uzyskiwano od 1 do 3°C.

Badania sanepidu w Opolu wykazały, że po przejściu przez wymiennik liczba bakterii zmalała z 800 do 160 CFU/m^3, a grzybów z 720 do 40 CFU/m³. Według producentów wymiennik nie wymaga czyszczenia, gdyż jest wykonany z antystatycznych płyt, a niewielka prędkość przepływu sprzyja bezpiecznemu użytkowaniu przez długi okres. Natomiast systematycznie musi być wymieniany filtr na czerpni (min. raz na kwartał) [15].

Wymienniki rurowe

GWC rurowy stanowi system rur ułożonych poziomo, na głębokości ok. 1,5 m poniżej poziomu terenu. W tym przypadku także wykorzystywana jest zdolność akumulacyjna gruntu, jednak wymiana cieplna zachodzi przez ściankę rury. 

Do wykonywania wymiennika gruntowego coraz częściej stosuje się specjalnie do tego celu przeznaczone rury systemowe, np. AWADUKT Thermo [10–13, 17] z antybakteryjną warstwą wewnętrzną, która będzie minimalizowała niebezpieczeństwo rozwoju mikroorganizmów, czy też Geoheat [21].

Wymiennik rurowy może być wykonywany jako [10–13, 17, 21]:

• prosty odcinek rury, która jest ułożona ze spadkiem od czerpni do budynku,
• odcinek łamany, w kształcie litery U lub S, wokół budynku, przy zachowaniu min. 0,8 m odległości od fundamentów budynku, 
• w układzie Tichelmanna (fot. 5), gdzie rura od czerpni do wymiennika rozgałęzia się na kilka równolegle biegnących przewodów, które ponownie się łączą i wchodzą do budynku jako jedna rura, zapewniając wyrównanie oporów przepływu pomiędzy poszczególnymi obiegami.

Możliwości stosowania wymienników w układzie Tichelmanna w domach pasywnych opisano w [4]. Podobnie jak w przypadku wymienników płytowych również wymienniki rurowe mogą być wykonywane na działce lub pod budynkiem, dzięki czemu łatwiejsze jest utrzymanie stałej temperatury gruntu. 

Optymalna prędkość przepływu powietrza przez rurę wymiennika ciepła powinna wynosić 2–4 m/s. Przy tym zakresie prędkości wymiana cieplna jest najlepsza, ponadto zapewniony jest odpowiedni stosunek pomiędzy czasem zatrzymania powietrza w wymienniku, stratą ciśnienia zależną od przepływu a współczynnikiem przekazywania ciepła. 

Przy prędkości poniżej 1 m/s wymiana cieplna jest znacznie gorsza, natomiast przy prędkości przewyższającej 4 m/s czas zatrzymania powietrza w rurze jest zbyt krótki. Do stosowania jako wymiennik ciepła zalecane są rury o średnicy do DN 500 (najczęściej DN 200–315). W odróżnieniu od wymienników żwirowych w GWC rurowych nie uzyskuje się dowilżania powietrza w okresie zimowym [10–15, 17].

Podsumowanie

Stosowanie wymienników gruntowych staje się w ostatnich latach coraz popularniejsze. Decydując się na takie rozwiązanie, inwestor ma do wyboru różne rodzaje systemów, różniących się trybem pracy (całoroczna lub okresowa z regeneracją złoża), sposobem wykonania, wydajnością i ceną. Ostateczna decyzja jest więc podyktowana zarówno względami ekonomicznymi, jak i wielkością działki, na której ma zostać wykonany wymiennik. 

Ze względu na małą liczbę publikacji dotyczących efektywności systemów z GWC w obiektach rzeczywistych w kolejnym artykule zaprezentowane zostaną wyniki pomiarów wstępnych przeprowadzonych na żwirowym gruntowym wymienniku ciepła funkcjonującym przy obiekcie użyteczności  publicznej zlokalizowanym w okolicach Białegostoku. 

Praca finansowana w ramach prac statutowych Politechniki Białostockiej S/WBIŚ/4/2014

Literatura

1. Florides G., Kalogirou S., Review. Ground heat exchangers – A review of systems, models and applications„Renewable Energy” No. 32, 2007.
2. de Paepe M., Janssens A., Thermo-hydraulic design of earth-air heat exchangers, „Energy and Buildings” No. 35, 2003.
3. Rosiński M., Odzyskiwanie ciepła w wybranych technologiach inżynierii środowiska, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008.
4. 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” No. 68, 2014.
5. Jędrzejewski L., GWC – tania energia z własnego podwórka. Gruntowne oszczędności, „Magazyn Instalatora” nr 11/2003.
6. Piecha W., Grunt to tanie ciepło, „Magazyn Instalatora” nr 3 i 5/2003.
7. Cepiński W., Besler G.J., Wymiennik gruntowy jako dobre dolne źródło ciepła, XII International Conference Air Conditioning Protection & District Heating, Wrocław- Szklarska Poręba 2008.
8. Szponar B., Iwanicka M., Gruntowy wymiennik ciepła. Mikrobiologiczna czystość. „Magazyn Instalatora” nr 2/2006.
9. Laskowski P., Jak zbudować GWC? Porównaj wady i zalety różnych gruntowych wymienników ciepła, muratordom.pl.
10. www.linkgwc.pl.
11. www.gwc.com.pl.
12. www.gruntowy-wymiennik-ciepla.pl.
13. www.jak-budowac.pl/gruntowe-wymienniki-ciepla-wady-i-zalety.
14. www.taniaklima.pl.
15. www.wymiennikgruntowy.pl.
16. Badescu V., Simple and accurate model for the ground heat exchanger of a passive house, „Renewable Energy” No. 32, 2007.
17. www.rehau.com.
18. Informacja techniczna o systemie AWADUKT Thermo firmy Rehau.
19. www.hvacr.pl.
20. www.arstech.pl.
21. www.globaltech.com.pl.