Wentylacja wspomagana energią z gruntu

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.

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.

Badania wymienników

Najlepiej zbadanym typem powietrznych gruntowych wymienników ciepła w Polsce są żwirowe wymienniki bezprzeponowe. Jednym z nich jest rozwiązanie opatentowane w 1980 roku przez pracowników Politechniki Wrocławskiej. Z ich badań wynika, że wymienniki żwirowe mogą dostarczyć zimą do 50% energii na ogrzanie powietrza wentylacyjnego, a latem zastąpić klimatyzację. Wymaga to jednak odpowiednich do potrzeb wentylacyjnych wymienników, aby zoptymalizować koszty inwestycyjne. Z kolei w kosztach eksploatacyjnych nakłady energetyczne na wymuszenie przepływu powietrza przez GWC w stosunku do uzyskiwanej z nich energii wynoszą aż 1:40. Co więcej, spadek sprawności energetycznej GWC pod chodnikami i budynkami oraz powierzchniami utwardzonymi jest nieduży.

Najsłynniejszym obiektem z systemem wentylacji wspomaganym przez wymienniki gruntowe jest budynek w Kielcach z pomieszczeniami biurowymi, gastronomicznymi i wystawowymi. Zastosowano w nim kilka wymienników żwirowych i jeden rurowy, które dają łączny strumień powietrza o objętości 137 000 m3/h. Badania z eksploatacji wykazały, że przy temperaturze zewnętrznej ok. –19°C powietrze po przejściu przez wymienniki miało temperaturę ok. 0°C przy pracy z wyłączeniami nocnymi wentylacji w celu regeneracji złoża, a przy pracy całodobowej –5°C. Latem przy temperaturze powietrza zewnętrznego 24–26°C wymiennik schładzał powietrze do 12–16°C. Badania wykazały, że jakość powietrza po przejściu przez wymiennik nie pogarszała się i nie odnotowano zwiększonej ilości radonu w powietrzu [3].

Z kolei w przypadku wymienników przeponowych jest wiele artykułów, które skupiają się na szczegółowych zasadach projektowania i montażu takich wymienników [2]. Poruszane są zagadnienia sposobu (kształtu) prowadzenia przewodów, równomierności przepływu powietrza i strat ciśnienia w układach wielorurowych oraz wpływu parametrów gruntu na wydajność.

Znane są wyniki badań nad modelem rurowego GWC o długości 50 m, służącego do wspomagania ogrzewania powietrza wentylacyjnego domu jednorodzinnego o powierzchni 170 m2 [6]. Za pomocą oprogramowania CFD przeprowadzono trójwymiarową symulację przepływu powietrza i ciepła od października do końca lutego ze strumieniem nominalnym 350 m3/h i zredukowanym o połowę, czyli 175 m3/h. Przeanalizowano uzysk ciepła i związane z nim zyski ekonomiczne, natomiast nie analizowano uzysków chłodu. Symulacja wykazała skuteczność działania wymiennika w trakcie 5 miesięcy (październik-luty). W tym czasie ilość uzyskanej energii wyniosła 1091 kWh dla przepływu 350 m3/h i 877 kWh dla przepływu 175 m3/h.

Przy średniej cenie brutto energii elektrycznej w taryfie G11, czyli 0,55 zł za 1 kWh, daje to oszczędność dla obu wariantów przepływu odpowiednio 600 i 482 zł. Trzeba od tego odjąć koszty energii na transport powietrza przez GWC i następnie zestawić z kosztami budowy GWC – daje to wówczas informację o czasie zwrotu inwestycji. Z uwagi na obecnie niskie ceny domowych instalacji PV i korzystne warunki „magazynowania” w sieci energetycznej wyprodukowanej energii elektrycznej przez prosumentów i późniejszego jej wykorzystania (opust 0,8), warto zestawić te dwie inwestycje pod względem ekonomicznym. Kwestie chłodzenia latem są trudne do przeanalizowania, gdyż brakuje twardych danych nt. ilości energii uzyskiwanej z rurowego GWC do chłodzenia. Co więcej, wyniki badań nad metodą obliczania strumienia ciepła przepływającego z gruntu do powietrza przedstawioną w normie EN 15241 [5] wykazały, że o ile powinna ona być stosowana przy wykonywaniu obliczeń charakterystyki energetycznej budynków wykorzystujących powietrzne przeponowe wymienniki gruntowe w systemach wentylacyjnych, grzewczych oraz chłodniczych, zaleca się jednak dużą ostrożność w interpretacji wyników, szczególnie dla miesięcy wiosennych i letnich – metoda ta daje bowiem zawyżone ilości energii chłodniczej uzyskanej w tych okresach [4].

Literatura

1. Kurowski Krystian, Gruntowe wymienniki ciepła jako wspomaganie wentylacji mechanicznej, „Rynek Instalacyjny” 9/2018, rynekinstalacyjny.pl.
2. Chmielewski Krzysztof, Amanowicz Łukasz, Bezprzeponowe powietrzne gruntowe wymienniki ciepła w układach wentylacji mechanicznej, „Rynek Instalacyjny” 5/2017, rynekinstalacyjny.pl.
3. Krawczyk Dorota A., Topolańska Justyna, Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła typu żwirowego jako przykład wykorzystania OZE przy budynkach jednorodzinnych – efekty energetyczne i ekonomiczne, „Budownictwo i Inżynieria Środowiska” 3/2017.
4. Kostka Maria, Szulgowska-Zgrzywa Małgorzata, Obliczenia energetyczne gruntowych rurowych wymienników ciepła, „Rynek Instalacyjny” 6/2015, rynekinstalacyjny.pl.
5. PN-EN 15241 Wentylacja budynków. Metody obliczania strat energii w budynkach spowodowanych wentylacją i infiltracją powietrza.
6. Tarnawski Piotr, Analiza CFD wydajności rurowego wymiennika ciepła, „Rynek Instalacyjny” 6/2015, rynekinstalacyjny.pl.