Gruntowe wymienniki ciepła jako wspomaganie wentylacji mechanicznej

Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła

Wentylacja mechaniczna jest standardem we współczesnych budynkach użyteczności publicznej, biurach czy obiektach handlowych. Staje się również, choć powoli, standardem w obiektach mieszkalnych. Zastosowanie central z wymiennikiem ogranicza zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania powietrza świeżego dostarczanego do budynku (ciepło z powietrza zużytego przekazywane jest w przeciwprądzie na wymienniku do powietrza świeżego).

Obecnie produkowane centrale powinny być zaopatrzone jednocześnie w:

• by-pass pozwalający na okresowe „omijanie wymiennika”,
• wentylator wielobiegowy lub z płynną regulacją oraz sygnalizację zabrudzenia filtra.

Wszystkie te rozwiązania pozwalają zwiększyć efektywność energetyczną systemu. Konfiguracja centrali i elementów składowych instalacji ma decydujący wpływ na koszty eksploatacji [6].

Zwiększone wymagania dotyczące sprawności odzysku ciepła powodują większe wychładzanie powietrza usuwanego (aż poniżej punktu rosy, przy którym dochodzi do wykraplania się wilgoci), co przy temperaturach niższych od zera prowadzi do wymrażania wymiennika. Urządzenie pracujące w sposób ciągły jest mniej narażone na wymrażanie.

Budowa i idea wykorzystania wymienników GWC

Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła (GWC lub lepiej PGWC/GPWC – skrót sygnalizujący, że czynnikiem roboczym jest powietrze) ma wpływ na ograniczenie fluktuacji temperatury powietrza doprowadzonego do budynku. Pozwala na wstępne podgrzanie powietrza w porze chłodnej i ochłodzenie w ciepłej. Rozwiązania bezprzeponowe zmieniają jednocześnie warunki wilgotności, optymalizując je zarówno w porze zimowej – podnosząc, jak i letniej – obniżając.

Wymienników gruntowych z założenia nie wykorzystuje się w okresach przejściowych. Spowodowane jest to koniecznością regeneracji złoża oraz niewielkim efektem energetycznym (nakłady energii na tłoczenie powietrza przy pomijalnych odzyskach ciepła).

Wymienniki ciepła wykorzystujące grunt (ze względu na jego wysoką pojemność cieplną) jako bufor do gromadzenia ciepła słonecznego charakteryzują się dużą bezwładnością. Ciepło gruntu (geotermalne) wykorzystywane jest w praktyce marginalnie [2]. Grunt na głębokości posadowienia wymiennika (1–2 m) ma wysokie fluktuacje temperatury, dochodzące nawet do 20 K w ujęciu rocznym [7]. Dopiero na głębokości ok. 15 m temperatura gruntu jest stała i równa temperaturze średniorocznej obszaru, pod którym się znajduje [12].

Stosowana głębokość posadowienia wiąże się z temperaturą gruntu, która powinna być wyższa od temperatury przemarzania, jednak koszty związane z możliwie głębszym posadowieniem mogą przewyższać potencjalne korzyści.

Niektórzy autorzy przekonują, że wykorzystanie GWC przyczynia się do ograniczenia zapotrzebowania na ciepło i chłód dla budynku w bardzo zauważalny sposób. Wymiennik gruntowy dostarcza ok. 15% całkowitego zapotrzebowania na energię w układach wentylacji [8]. Ograniczenie to związane jest z ilością transportowanego ciepła, a ta jest niewielka ze względu na pojemność cieplną powietrza oraz ograniczoną wielkość wymiennika.

Bardzo istotny jest czas pracy wymiennika – im jest on dłuższy, tym powietrze jest w mniejszym stopniu podgrzewane podczas zimy czy chłodzone w lecie [8].

Zdecydowaną zaletą wymienników gruntowych jest wysoka efektywność pozyskiwania energii. Jest ona wielokrotnie wyższa niż w przypadku takich efektywnych energetycznie rozwiązań, jak np. pompy ciepła. Wymiennik działa na zasadzie free coolingu – nie występują istotne nakłady energii na pracę urządzenia, a jedynie na potrzeby wentylatora (ewentualnie pompy). Uwzględnić jednak należy także fakt, że parametry operacyjne nie są często odpowiednio wysokie do bezpośredniego wykorzystania – wyjątek stanowi wentylacja.

Podawane przez autorów niektórych publikacji temperatury uzyskiwane za wymiennikiem mają często charakter ogólny – informacyjny. W rzeczywistych warunkach pracy poziom temperatury uzależniony jest od wielu czynników, m.in.: czasu, miejsca, warunków pogodowych, budowy wymiennika, głębokości posadowienia, warunków glebowych i wodnych, nasłonecznienia, sposobu pracy, natężenia przepływu powietrza, długości funkcjonowania wymiennika, czystości, temperatury zewnętrznej i gruntu itd.

Parametry przepływającego powietrza nie odpowiadają parametrom uzyskiwanym przez grunt – są przesunięte w czasie do warunków panujących na zewnątrz.

Bardzo istotny jest montaż czerpni. Miejsce montażu reguluje rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [WT 2017] i… zdrowy rozsądek. Powinna być ona oddalona od ulic i parkingów, gdyż jest odpowiedzialna za dostarczanie świeżego powietrza.

Czytaj też: Czynniki robocze dolnych źródeł gruntowych pomp ciepła >>>

Generalną zasadą budowy GWC jest pozostawianie otwartych przestrzeni nad wymiennikiem w celu zapewnienia jego regeneracji. Dopuszczalna jest nisko koszona trawa, ale nie zaleca się kostki, a wyklucza krzewy czy drzewa. Ważne jest zachowanie stosownej odległości od fundamentów budynku – dla ograniczenia wzajemnego oddziaływania [7]. Mimo to spotyka się montaż GWC pod budynkiem – inwestorzy upatrują w tym takich korzyści, jak możliwość odzyskania strat ciepła z budynku do gruntu czy odzysk ciepła na drodze przewodzenia od powierzchni wokół budynku. W tym przypadku ilości pozyskiwanej energii mogą być jednak niewielkie w kontekście wyżej wymienionych ograniczeń uzyskiwanej energii słonecznej uzyskiwanej przez grunt. Wymiennik pod budynkiem to najmniej korzystne pod względem energetycznym rozwiązanie, choć nieraz jedyne możliwe. Należy się jednocześnie liczyć z możliwością uszkodzenia wymiennika spowodowaną pracą budynku.

Wysoki stan wód gruntowych jest warunkiem utrudniającym wykorzystanie powietrznego GWC, a nawet wykluczającym. Co prawda wymienniki przeponowe są teoretycznie odporne na wysoki stan wody, jednak długi napór wody podziemnej i ewentualne odkształcenia połączeń rur pod wpływem pracy gruntu mogą spowodować rozszczelnienie systemu, a tym samym jego zanieczyszczenie i konieczność wyłączenia z eksploatacji. Problem ten może być szczególnie istotny na tzw. gruntach niestabilnych. Z tego względu oferowane są także systemy z trwałymi, niekielichowymi połączeniami. Np. system GeoHeat zbudowany jest z rur oraz z kształtek elektrooporowych (mufy, kolana, trójniki) i kształtek doczołowych wykonanych z polietylenu, co zapewnia szczelność wymiennika (fot. 1). Przy wysokim stanie wód nie należy też stosować wymienników bezprzeponowych, narażonych na łatwe zalanie.

Rodzaje wymienników ciepła

Wymienniki powietrzne gruntowe dzieli się ze względu na sposób kontaktu przepływającego powietrza z gruntem na: przeponowe (wykorzystywana jest najczęściej bariera w postaci rury) oraz bezprzeponowe (powietrze kontaktuje się bezpośrednio z gruntem).

Wymienniki przeponowe

W wymiennikach przeponowych powietrze przepływa od czerpni do budynku szczelnymi kanałami z tworzyw sztucznych o długości kilkudziesięciu metrów. Szczelność jest niezwykle ważna ze względu na zapewnienie czystości instalacji. Umożliwiają one pozyskanie ok. 30 W/m z przewodu [4]. Należy zwrócić uwagę, że zdecydowanie inaczej pracuje rura znajdująca się w pobliżu czerpni, a inaczej ta blisko budynku. W pierwszym przypadku występuje dużo intensywniejsze korzystanie z gruntu niż w drugim, czyli dochodzi do wyziębień i wygrzań odcinków początkowych. Inne parametry pracy będą też w przypadku mniejszych i większych przepływów oraz przy różnym ułożeniu wymiennika.

Wymiennik rurowy może występować w po­staci: prostego odcinka, odcinka łamanego (np. w kształcie litery S lub U) czy w układzie Tichelmanna (odległość między rurami minimum 1 m). Układany jest ze spadkiem ok. 1% w kierunku czerpni (w celu odprowadzenia pojawiającego się kondensatu) [3]. Średnica rur wynosi najczęściej 200–300 mm, a prędkości przepływu skorelowane są z efektywną wymianą ciepła i wynoszą 2–4 m/s [11].

Wymienniki przeponowe wykonywane są z tworzywa sztucznego – PVC, PE czy PP. Każdy z materiałów stanowi pewien izolator cieplny (różnice we współczynniku przewodzenia ciepła są niewielkie) dla przekazywania ciepła, jednak ze względu na niewielką grubość ścianki opór cieplny nie jest znaczny. Ważna jest trwałość połączeń poszczególnych odcinków, odporność na nacisk i odkształcenia, dopuszczenia do stosowania w wentylacji czy zabezpieczenia antybakteryjne. Z praktyki można jednak powiedzieć, że nie ma połączeń całkowicie szczelnych, odkształcenia się pojawiają, a czystość powietrza nie jest gwarantowana warstwami antybakteryjnymi w całym okresie eksploatacji.

Wymienniki bezprzeponowe

Zaletą wymienników bezprzeponowych jest możliwość nawilżania powietrza w okresie zimowym – pozwala to zniwelować wadę tradycyjnych systemów wentylacji mechanicznej, czyli wysuszanie powietrza.

Wymiennik żwirowy

Wykorzystuje się najczęściej żwir płukany o wielkości do 30 mm, oddzielony od gruntu rodzimego geowłókniną [11]. Wymiennik żwirowy powinien mieć odpowiednie wymiary – dla długości ok. 5 m wysokość nie powinna przekraczać 2,5 m, a wymiary w poziomie powinny być zbliżone do kwadratu. Jednak ponieważ stabilna i możliwie wysoka temperatura występuje od strony podstawy wymiennika (gruntu), zaleca się zwiększenie tej powierzchni. Ze względu na zwiększone opory oraz w celu zapewnienia optymalnych warunków wymiany ciepła prędkości przepływu nie przekraczają 0,2 m/s [10].

W przypadku wymienników żwirowych należy pamiętać, że wysoki poziom wód gruntowych może prowadzić do uszkodzeń po dostaniu się wody do wymiennika, w razie cyklicznego grzana i chłodzenia konieczne może być wykonanie dwóch wymienników, należy się też liczyć z większym zużyciem energii (zwiększone opory przepływu) [11]. Istotną zaletą jest fakt, że niektóre konstrukcje wymienników umożliwiają zraszanie zimą w celu zwiększenia wilgotności przepływającego powietrza.

Przy dużej dynamice zmian parametrów temperaturowo-wilgotnościowych powietrza w okresie przejściowym trudno uzyskać na wymienniku konkretne parametry, są one wyjściową parametrów zewnętrznych oraz właściwości akumulacyjnych złoża. Sterowanie takim wymiennikiem wymagałoby określania na bieżąco entalpii powietrza [1].

Wymienniki bezprzeponowe mogą mieć też wpływ na poprawę jakości higienicznej powietrza poprzez osadzanie się zanieczyszczeń w nim zawieszonych. Czasami może jednak dojść do zanieczyszczenia wtórnego z wymiennika. Wykraplająca się para wodna może wypłukiwać zanieczyszczenia znajdujące się w powietrzu i przyczyniać się do samooczyszczenia wymiennika, ale przy wymienniku oddzielonym od środowiska zewnętrznego zanieczyszczenia mogą w nim pozostawać i z kolejną porcją powietrza dostawać się do budynku, ewentualnie zapychać złoże.

Bezprzeponowy wymiennik tworzywowy

Rozwiązaniem łączącym zalety wymiennika przeponowego i bezprzeponowego jest wymiennik płytowy, np. Provent-Geo (fot. 2). Konstrukcja umożliwia równomierny przepływ powietrza przez całą powierzchnię wymiennika, a jednocześnie zdecydowanie ogranicza spadki ciśnienia. Ma on jednak zwiększone zapotrzebowanie na miejsce (np. w porównaniu do wymiennika żwirowego) w celu zachowania odpowiedniej powierzchni kontaktu z gruntem.

Wymiennik budowany jest na podsypce żwirowo-piaskowej znajdującej się na gruncie rodzimym. Powietrze ma kontakt z podsypką od dołu, a od góry z płytą wymiennika. Moduły łączy się ze sobą, a następnie z przewodami rozprowadzającymi i zbierającymi powietrze. Wymienniki izolowane są od góry płytami styropianowymi mającymi z wierzchniej strony izolację przeciwwilgociową.

Kolejną warstwą jest grunt rodzimy. Izolacja umożliwia zbudowanie wymiennika płycej niż przy typowym ułożeniu wymienników GWC, ale jednocześnie może ograniczać możliwości regeneracji – co jest podstawą prawidłowego funkcjonowania podczas wielu lat pracy. Może to rodzić ryzyko powolnego, ale systematycznego obniżenia efektywności w okresie zimowym, lecz w pełni powinien się on wywiązywać z funkcji chłodzenia latem [12]. Prawidłowe dobranie wymiennika do funkcji budynku (pod względem wielkości i wydajności) pozwoli uniknąć takiego zagrożenia.

Czytaj też: Bezprzeponowe powietrzne gruntowe wymienniki ciepła w układach wentylacji mechanicznej >>>

Podobną zasadę działania wymiennika wykorzystano w rozwiązaniu, w którym płyty zostały zastąpione półokrągłymi przewodami. W celu zapewnienia bardziej turbulentnego przepływu (efektywniejszej wymiany ciepła) zastosowano przetłoczenia. Konstrukcja wymiennika w połączeniu z zastosowanym nad nim wypełnieniem pozwala na przenoszenie stosunkowo dużych obciążeń – na tyle, że wymiennik można zastosować pod parkingami, chodnikami czy nawet w obrysie fundamentów. Rozwiązania takie wiążą się z ryzykiem ograniczenia możliwości regeneracji wymiennika czy oddziaływania na niego budynku, ważny jest jednak cel, jaki ma spełniać wymiennik w danym obiekcie, gdyż stawiane mu zadania nie zawsze są takie same.

Ograniczenia PGWC wynikające z jakości dostarczanego powietrza (kanały powietrzne mogą ulegać zabrudzeniu), problemów związanych ze szczelnością instalacji i dostawaniem się wilgoci (pod działaniem naporu gruntu mogą ulec deformacji/rozszczelnieniu), sterowaniem pracą (grunt musi mieć czas na regenerację, z tego powodu konieczne jest stosowanie dodatkowej czerpni ściennej) skłaniają do poszukiwania kolejnych rozwiązań.

Interesującym rozwiązaniem jest też gruntowy wymiennik glikolowy. Stanowi on układ pośredni. Ciepło/chłód ziemi transportowane jest przy wykorzystaniu wymiennika gruntowego, wewnątrz którego przepływa wodny roztwór glikolu. Jego budowa jest identyczna jak poziomego wymiennika do pomp ciepła – różni się on jedynie wielkością (jest zdecydowanie mniejszy) oraz urządzeniami i armaturą znajdującą się w budynku. Wymienia ciepło ze współpracującym z centralą modułem grzewczo-chłodniczym (umieszczonym przed centralą na kanale). Wyposażony jest w wymiennik ciecz/powietrze.

Zastosowanie wymienników GWC

Ciepło gruntu może mieć różne zastosowanie:

• dostarczanie świeżego powietrza do budynku, np. na zasadzie przewietrzania;
• współpraca z układem wentylacji mechanicznej – stabilizacja parametrów powietrza dostarczanego do centrali wentylacyjnej;
• zabezpieczenie wymiennika centrali wentylacyjnej przed przemarzaniem;
• wykorzystanie w układach klimatyzacji do podgrzewania, chłodzenia i regulacji poziomu wilgotności;
• delikatne podgrzanie/schładzanie powietrza i pomieszczeń – zastosowanie jedynie w miesiącach przejściowych;
• podgrzewanie i chłodzenie w ciągu całego roku pomieszczeń o niewielkich wymaganiach cieplnych – obiektów magazynowych;
• dolne źródło dla powietrznych pomp ciepła;
• magazyn energii cieplnej ciepła odpadowego i ciepła słonecznego.

Na podstawie powyższego można zauważyć, że wiele możliwości zastosowań GWC wiąże się z wykorzystaniem w wentylacji. Ciepło gruntu może być również wykorzystane do podgrzewania pomieszczeń. Grunt ze względu na wysoką akumulacyjność jest również doskonałym magazynem energii. Można do niego „zrzucać” jej duże ilości, których nie możemy w danym momencie wykorzystać. Szczególnie ciekawe może być akumulowanie ciepła odpadowego, które w przeciwnym wypadku jest bezpowrotnie tracone.

Współpraca GWC z wentylacją

Istotną rolą wymienników gruntowych jest stabilizacja i podwyższenie lub obniżenie parametrów temperaturowych powietrza dochodzącego do centrali, a następnie do pomieszczenia. Pomimo wymienionych powyżej ograniczeń wymienniki gruntowe pozwalają zapewnić użytkownikom komfort przebywania w pomieszczeniach w zdecydowanie dłuższym okresie niż sama centrala wentylacyjna, a w przypadku wymienników bezprzeponowych pełnić funkcję klimatyzacji.

Praca wymienników płytowych central wentylacyjnych przy niskich temperaturach zewnętrznych wiąże się z możliwością wykraplania się wilgoci z powietrza wywiewanego, która może zamarzać. Nie należy do tego dopuszczać, gdyż prowadzi to do wzrostu oporów przepływu, a z powodu niskiego współczynnika przewodzenia lodu zdecydowanie obniża efektywność odzysku ciepła. W skrajnych przypadkach dłuższe funkcjonowanie w takich warunkach może doprowadzić do uszkodzenia wymiennika.

Należy zapewnić odmrażanie wymiennika, wykorzystując program balansowania strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego, lub dostarczyć dodatkowe ciepło dla zwiększenia temperatury wymiennika (np. wykorzystując GWC). Należy jednak pamiętać, że prowadzi to do obniżenia efektywności odzysku ciepła (lepsza sprawność przy większej różnicy temperatur).

Czytaj też: Obliczenia energetyczne gruntowych rurowych wymienników ciepła >>>

Wykorzystanie tzw. czerpni terenowej (czyli wymiennika GWC) powinno być skorelowane z czerpnią ścienną, którą wykorzystuje się w miesiącach przejściowych i która stanowi zabezpieczenie instalacji wentylacji w przypadku okresowych problemów z GWC (np. zalania).

Koszty instalacji wentylacji mechanicznej są znaczne, lecz niekiedy konieczne i warto korzystać z rozwiązań, które w zestawieniu z potencjalnymi oszczędnościami ekonomicznie uzasadniają inwestycję [6]. W przypadku GWC współpracującego z wentylacją kosztem decydującym o opłacalności inwestycji są prace ziemne. Koszty wykonania wymiennika są również znaczne. Nie ma większego znaczenia czy dotyczy to wymiennika przeponowego, czy bezprzeponowego. Decydującym kosztem są prace ziemne – dobierając element GWC współpracujący z wentylacją należy mieć szczególnie wyczulonym na aspekt ekonomiczny.

Wykorzystanie energii gruntu do systemów wentylacyjnych może być atrakcyjnym rozwiązaniem, jeśli poprzedzone zostanie dokładną analizą energetyczną i ekonomiczną.

Literatura

1. Besler M., Cepiński W., Fijewski M., Uzdatnianie powietrza w wymienniku gruntowym dla pomieszczeń o różnych wymaganiach, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2015.
2. Chmielewski K., Amanowicz Ł., Bezprzeponowe powietrzne gruntowe wymienniki ciepła w układach wentylacji mechanicznej, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2017.
3. Firląg S., Mijakowski M., Projekt gruntowego wymiennika ciepła, NAPE, 2004.
4. Gawryszewski M., Projektowanie, budowa i eksploatacja powietrznego gruntowego wymiennika ciepła (GWC) w warunkach krajowych, UKSW 2014.
5. Grygier G., Szyperski P., Wytyczne dla instalacji wentylacyjnej z odzyskiem ciepła (systemu rekuperacji) w domach jednorodzinnych, Stowarzyszenie Polska Wentylacja, 2011.
6. Kostka M., Szulgowska-Zgrzywa M., Konfiguracja centrali wentylacyjnej i źródła ciepła a koszty eksploatacji systemu grzewczo-wentylacyjnego domu jednorodzinnego, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2016.
7. Kurowski K., Jak właściwie wykonać gruntowe poziome wymienniki ciepła? „Instalreporter” 2013.8.
8. Müller J., Wymienniki gruntowe pod budynkiem, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2015.
9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2017 poz. 2285).
10. Szeszycka N., Kostka M., Energia gruntu w klimatyzacji obiektów hotelowych, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2014.
11. Topolańska J., Krawczyk D., Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła. Przegląd stosowanych rozwiązań, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2014.
12. Wytyczne projektowania, wykonywania i odbioru instalacji z pompami ciepła. Część 1. Dolne źródła do pomp ciepła, PORT PC, 2013.