Uzdatnianie powietrza w wymienniku gruntowym dla pomieszczeń o różnych wymaganiach

W instalacjach wentylacyjnych coraz częściej znajdują zastosowanie urządzenia umożliwiające wykorzystanie energii odnawialnej. W tym kontekście nie maleje zainteresowanie wymiennikami gruntowymi. Ze względu na prostotę i ekonomikę ich wykonania stosowane są chętnie gruntowe żwirowe wymienniki bezprzeponowe (rys. 1) [1, 4, 5].

W bezprzeponowym wymienniku gruntowym następuje wstępne uzdatnianie powietrza zewnętrznego pobieranego przez czerpnie.

Przemiany zachodzące w takich wymiennikach pozwalają w pewnych sytuacjach na bezpośrednie wprowadzanie powietrza opuszczającego wymiennik do pomieszczenia jako powietrza wentylacyjnego. Dotyczy to zwłaszcza pomieszczeń bytowych. Jednak strumień powietrza często wymaga dodatkowego uzdatniania – chodzi zazwyczaj o dogrzewanie w sezonie zimowym.

Ze względu na charakter działania wymienniki gruntowe są szczególnie korzystne w ekstremalnych warunkach powietrza zewnętrznego – największe efekty energetyczne uzyskuje się przy niskich i wysokich temperaturach powietrza wpływającego do złoża.

W okresach przejściowych uzyski energetyczne są nieco mniejsze. Jednak i wtedy zastosowanie wymienników jest korzystne, zwłaszcza że sprzyja zwiększeniu stabilności parametrów powietrza dostarczanego do urządzenia wentylacyjnego.

W naszym klimacie dla pewnej liczby dni zachodzi konieczność podgrzewania powietrza wentylacyjnego również poza miesiącami zaliczanymi do sezonu zimowego. Chodzi tu o pojedyncze doby, czasem o sekwencję kilku dni w okresie przejściowym, ale także o pojedyncze dni w miesiącach letnich, gdy następuje szybkie i znaczące obniżenie się temperatury powietrza „z dnia na dzień”.

Wymiennik gruntowy z racji swojej charakterystycznej cechy – dużej bezwładności – stabilizuje parametry powietrza opuszczającego złoże także w przypadku szybko zmieniających się parametrów powietrza zewnętrznego (wpływającego do złoża).

Na rys. 2 i 3 przedstawiono wyniki statystycznych badań prowadzonych na stanowisku wymienników gruntowych. Określenie „kwartałów” dotyczy tzw. kwartałów klimatycznych, z których pierwszy zaczyna się w grudniu i kończy w lutym, drugi to okres marzec–maj, a trzeci zaczyna w czerwcu i kończy w sierpniu.

Zmiany parametrów powietrza wentylacyjnego uzyskiwane w wymiennikach gruntowych w ciągu miesiąca lub nawet kwartału zawierają się w stosunkowo niewielkim przedziale. Dotyczy to zarówno temperatury, jak i wilgotności względnej powietrza opuszczającego wymiennik. Naturalnie w innym przedziale plasują się wartości uzyskiwane w sezonie zimowym przy bardzo niskich temperaturach powietrza zewnętrznego, a inne w sezonie letnim.

Zimą powietrze za wymiennikiem uzyskuje temperatury od 0 do 8°C.

Latem temperatury przyjmują zazwyczaj wartości od 16 do 21°C (bardzo często poniżej 20°C). Jednak zmiany parametrów powietrza opuszczającego wymiennik w danej porze roku są już niewielkie i następują bardzo powoli.

Na rys. 4 pokazano przebieg zmienności temperatury i wilgotności powietrza opuszczającego złoże dla przykładowego dnia w lecie.

W konsekwencji stabilnych wartości parametrów powietrza za wymiennikiem i nierzadko znacznych zmian parametrów powietrza zewnętrznego w ciągu doby obserwujemy zmienność kierunków przemian zachodzących wewnątrz złoża.

W okresach zimnych w większości pomieszczeń występuje potrzeba dogrzewania i nawilżania powietrza zewnętrznego. W wymiennikach gruntowych zachodzą wtedy samorzutnie takie przemiany.

Również w okresach przejściowych bardzo często przy dogrzewaniu powietrza występuje potrzeba jego dowilżania. Natomiast przy wysokich temperaturach powietrza zewnętrznego występuje zazwyczaj potrzeba ochładzania strumienia powietrza wentylacyjnego. Jednak ze względu na większe i szybsze zróżnicowanie stanów powietrza zewnętrznego w sezonie ciepłym i niekiedy przejściowym w wymienniku bezprzeponowym dochodzi do nawilżania lub osuszania pobieranego powietrza.

W efekcie zachodzą przemiany, które mają na wykresie i-x różne kierunki (rys. 5, 6). Oprócz zmian temperatury następuje również wymiana masy pomiędzy złożem i strumieniem przepływającego powietrza (nawilżanie lub osuszanie).

Przemiany w złożu mogą zachodzić stosunkowo szybko, tak jak zmieniają się parametry powietrza zewnętrznego, a więc w ciągu zaledwie kilku godzin. Wymienniki gruntowe stosowane są w instalacjach wentylacyjnych pracujących dla pomieszczeń o różnorodnych wymaganiach co do temperatury i wilgotności względnej.

Na rys. 5 i 6 zaznaczono trzy obszary obejmujące zakresy preferowanych parametrów wilgotności i temperatury powietrza dla różnego rodzaju pomieszczeń: pomieszczenia bytowego i dwóch różnych pomieszczeń przemysłowych. W jednym z obszarów utrzymywana jest wysoka wilgotność względna powietrza, a w drugim konieczne jest obniżanie zawartości wilgoci przez wiele godzin w ciągu roku.

Dla pomieszczeń bytowych oraz pomieszczeń o wysokich wymaganiach co do wilgotności względnej przemiany uzyskiwane w złożu bezprzeponowego wymiennika są zazwyczaj korzystne. Oznacza to, że powietrze wypływające z wymiennika wymaga mniejszych nakładów na dalsze uzdatnienie. Zdarza się też, że nie wymaga żadnego dalszego uzdatniania.

Jednak, jak widać z rys. 5, przy uzdatnianiu powietrza dla pomieszczenia o niższych wymaganiach co do wilgotności względnej nawet w ciągu jednej doby parametry pobieranego powietrza mogą zmieniać się na tyle znacząco, że dla części godzin uzyskujemy w wymienniku gruntowym korzystne przemiany powietrza na potrzeby utrzymywania odpowiedniego mikroklimatu pomieszczenia, a w pozostałych przeciwnie.

Na rys. 5 dla wybranej doby zaobserwować można poza obniżeniem temperatury powietrza po przejściu przez wymiennik również jego dowilżenie. W innych godzinach poza ochładzaniem powietrza pojawia się osuszanie. Zmienność taka najbardziej uwidacznia się w sezonie letnim w pomieszczeniach z koniecznością osuszania powietrza. Takie wartości uzyskiwanych parametrów powietrza ograniczają liczbę godzin, w których złoże wymiennika może być przez instalację wentylacyjną wykorzystywane w sposób w pełni przydatny. Dla uzyskania korzystnego sterowania współpracą wymiennika gruntowego z instalacją pomiar parametrów powietrza musi się opierać na wskazaniach czujników entalpii.

Wnioski

Wykorzystanie bezprzeponowych wymienników gruntowych w pomieszczeniach o podwyższonych wymaganiach względem mikroklimatu powinno być oparte na dokładnej analizie uzyskiwanych w ciągu roku parametrów powietrza opuszczającego złoże z wymaganiami powietrza nawiewanego. Dla uzyskania optymalnej współpracy należy stworzyć odpowiednio wyposażony układ automatycznej regulacji i opracować właściwe algorytmy sterowania.

Na te zależności należy zwracać tym większą wagę, im bardziej precyzyjnie określone są wymagane warunki pomieszczenia. Stabilizacja parametrów powietrza opuszczającego wymiennik gruntowy jest zazwyczaj zaletą, ale czasami może być niekorzystna, szczególnie w okresach przejściowych i przy pewnej liczbie dni sezonu letniego z szybkimi zmianami warunków powietrza zewnętrznego – w kolejnych dniach, ale również w ciągu doby.

Należy zawsze pamiętać o stworzeniu możliwości poboru przez instalację wentylacyjną współpracującą z wymiennikami gruntowymi również powietrza zewnętrznego z pominięciem wymiennika.

Literatura

1.  Besler G.J. i in., Bezprzeponowy gruntowy wymiennik ciepła i masy, Patent PRL nr 128261 Politechniki Wrocławskiej – BGWCiM, Wrocław 1980.
2. Przydróżny S., Klimatyzacja, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1991.
3.  Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2008.
4.  Besler M., Badania efektywności wykorzystania energii gruntu w inżynierii środowiska, praca doktorska, Wrocław 1997.
5. Cepiński W., Efektywność pozyskiwania energii naturalnej, praca doktorska, Wrocław 2010.
6. Słomka A., Wentylacja i klimatyzacja pomieszczeń pracy, Biblioteka Ośrodka Szkolenia PIP, 2007.