Dlaczego warto stosować gruntowy wymiennik ciepła?
Prawie 90% życia spędzamy wewnątrz różnych pomieszczeń, dlatego tak ważna jest skuteczna wentylacja. Niestety, przy prawidłowo działającej wentylacji grawitacyjnej prawie 50% energii cieplnej dostarczonej do budynku mieszkalnego jest zużytkowane na potrzeby ogrzania powietrza nawiewanego, dlatego należy stosować systemy ograniczające zużycie energii przez układy wentylacyjne.
Warunkiem prawidłowej pracy systemu wentylacji mechanicznej jest odpowiedni bilans powietrza: dostarczanego - nawiewanego oraz usuwanego - wywiewanego. Większość stosowanych na polskim rynku central wentylacyjnych wymaga wstępnego podgrzania powietrza, aby nie doszło do zamarzania wymienników ciepła podczas pracy. Brak podgrzania wstępnego spowoduje załączanie układu antyzamrożeniowego, a to implikuje najczęściej zwolnienie pracy lub całkowite wyłączenie wentylatora nawiewnego i stworzenie niekorzystnego podciśnienia w budynku, dlatego zaleca się zastosować podgrzanie powietrza świeżego wchodzącego do budynku.
Obecnie stosowane są trzy sposoby podgrzania wstępnego powietrza wentylacyjnego:
- nagrzewnica - najczęściej stosowana jest droga w eksploatacji nagrzewnica elektryczna, która nie jest korzystna z ekonomicznego punktu widzenia,
- recyrkulacja - rzadko stosowana ze względu na trudności regulacyjne oraz ograniczenia normowe i prawne,
- gruntowy wymiennik ciepła (GWG) - droższe pod względem inwestycji, ale zdecydowanie tańsze rozwiązanie eksploatacyjne, stanowiące doskonałą alternatywę dla tradycyjnych sposobów dogrzewania wstępnego powietrza.
Zasada działania
Wszystkie rodzaje wymienników wykorzystują energię gruntu, gdzie na pewnej głębokości temperatura się stabilizuje bez względu na warunki zewnętrzne i porę roku. Wymiana ciepła między gruntem a powietrzem następuje w sposób bezpośredni lub pośredni przy udziale czynnika - najczęściej roztworu glikolowego. Zimą powietrze zostaje podgrzane do temperatur oscylujących na poziomie 0°C. Latem natomiast następuje schłodzenie przy jednoczesnym wykropleniu pary zawartej w powietrzu.
Rodzaje wymienników ciepła
Ze względu na sposób pozyskiwania energii z gruntu wyróżniamy dwie podstawowe grupy gruntowych wymienników ciepła:
- I grupa: wymienniki pośrednie - glikolowe
Wymiana ciepła między powietrzem a gruntem następuje pośrednio w układzie zamkniętym, poprzez roztwór glikolu o odpowiednim stężeniu. Wymiana między gruntem a cieczą następuje w kolektorze zewnętrznym PE, montowanym na działce w układzie poziomym. Natomiast wymiana energii między cieczą a powietrzem następuje w specjalnym wymienniku zamontowanym na odcinku instalacji: czerpnia - centrala wentylacyjna, który latem działa jak chłodnica, a zimą jak nagrzewnica. Uzupełnieniem układu jest naczynie wzbiorcze, które pełni analogiczną funkcję jak w układach solarnych.
- II grupa: wymienniki bezpośrednie - powietrzne
Wymiana ciepła w systemach bezpośrednich następuje na drodze grunt - powietrze. W ramach tej grupy wyróżniamy następujące rodzaje GWC:
- rurowy, np. Akwadukt Thermo,
- żwirowy,
- płytowy, np. Pro-Vent Geo.
Szczelność układu gwarantuje tylko zastosowanie wymiennika rurowego w systemie Akwadukt. Wymienniki: żwirowy i płytowy wymagają określonych warunków gruntowych i nie powinny być montowane na terenach podmokłych, w których woda gruntowa osiąga wysoki poziom w cyklu rocznym. Wysoką jakość powietrza w tym pierwszym systemie dodatkowo zapewnia unikatowa warstwa antybakteryjna. Uzupełnieniem systemów powietrznych i w zasadzie jedynym widocznym elementem końcowym jest czerpnia powietrza, przez którą powietrze zostaje zassane do systemu. Ważnym aspektem prawidłowego działania systemu jest zastosowanie filtrów wstępnych na czerpni oraz przepustnicy umożliwiającej przełączanie systemu w układzie: czerpnia terenowa/czerpnia ścienna. Sterowanie układami GWC może być ręczne lub automatyczne (temperaturą zewnętrzną lub zegarem). W układach pośrednich praca układu ogranicza się do włączania i wyłączania obiegu czynnika w układzie, w oparciu o zadaną temperaturę zewnętrzną.
Wybór systemu GWC
Każde z dostępnych rozwiązań ma pewne plusy oraz minusy, dlatego ważne by dobór wymiennika zlecić specjaliście z doświadczaniem w montażu tego typu systemów. Wybór powinien dotyczyć wielu kryteriów i powinien uwzględniać następujące parametry:
- wielkość działki,
- warunki gruntowe, tj. rodzaj gruntu, poziom wód gruntowych,
- wielkość i rodzaj budynku oraz projektowany wydatek powietrza,
- rodzaj centrali wentylacyjnej,
- indywidualne ustalenia z inwestorem.
Właściwy wybór powinien zapewnić maksymalną efektywność systemu przy minimalnych nakładach finansowych. Wymiennik powinien być dobrany w sposób indywidualny, a jego zastosowanie zaleca się przewidzieć już na etapie projektu. Wówczas można zaplanować miejsce dla potrzeb przeprowadzenia instalacji oraz etapowo wykonywać niektóre elementy systemu (np. podejście do budynku), co ograniczy nieznacznie koszty montażu systemu.
Efektywność na przykładzie
Efektywność systemu zależna jest od założeń projektowych oraz wielkości systemu. Przykład pokazuje typowy układ domowy z wymiennikiem gruntowym, rurowym Akwadukt Thermo, wykonanym w układzie Tichelmanna o wydajności 350 m3/h i łącznej długości 50 m. Wymiennik został położony w gruntach piaszczysto-gliniastych.
Wyniki pomiarów przeprowadzonych w dniu 11.06.2010 r.:
- Tl - temperatura zewnętrzna = 32°C,
- T2 - temperatura po przejściu przez GWC = 23°C
- T4/T5 - temperatura powietrza usuwanego = 26°C
Niestety temperatura nawiewu bezpośrednio do pomieszczeń jest zwykle wyższa o ok. 3-5°C, gdyż następuje podgrzanie powietrza ciepłem wydzielanym podczas pracy wentylatorów. Dużą rolę odgrywa też bezwładność cieplna budynku oraz jego „izolacyjność". Głównym zadaniem GWC jest wstępne podgrzanie powietrza zimą, a efekt schłodzenia będzie wynikowy, o ile system nie zostanie do tego przygotowany na etapie projektu.
Aspekty eksploatacyjne
Każdy z systemów wymaga serwisowania, przy czym ze względu na różną specyfikę różne są wymogi dotyczące częstotliwości oraz konieczności wykonywania serwisu. Systemy powietrzne bezpośrednie powinny być wyposażone w wymienną kasetę filtracyjną, aby ograniczyć konieczność czyszczenia wymiennika. Filtr powinien być regularnie kontrolowany i w razie potrzebne wymieniony (średnio dwa razy w roku, głównie przed sezonem zimowym i letnim). W przypadku układów rurowych szczelnych należy dodatkowo kontrolować stan wypełnienia studni i w razie potrzeby wypompować powstały kondensat. Dodatkowo, należy przewidzieć możliwość okresowego przeczyszczenia wymiennika, stosując dostęp do rewizji. Systemy pośrednie glikolowe również wymagają regularnego serwisowania i wymiany kasety filtracyjnej zabezpieczającej wymiennik, do którego doprowadzona jest ciecz. Należy też kontrolować poziom ciśnienia cieczy w układzie (w razie potrzeby uzupełnić), sprawdzić drożność odprowadzenia skroplin z chłodnicy oraz okresowo czyścić i konserwować elementy składowe.
Podsumowanie
Dostępne na polskim rynku systemy odzysku energii, przy ciągle rosnących kosztach energii, są doskonałym uzupełnieniem systemów wentylacyjnych nawiewno-wywiewnych zarówno w budownictwie mieszkaniowym, jak i w budynkach komercyjnych, użyteczności publicznej itp. Systemy GWC pozwalają nie tylko obniżyć ilość energii cieplnej potrzebnej na wstępne podgrzanie powietrza świeżego, ale często wspomagają układy klimatyzacyjne i chłodnicze, w skrajnym przypadku eliminując konieczność ich stosowania. Dzięki temu przyczyniają się do ograniczenia zużycia energii pierwotnej przez budynek. Systemy działają najefektywniej przy skrajnych temperaturach zewnętrznych, a ponieważ pogoda i warunki klimatyczne są obecnie trudne do przewidzenia, trudno dokładnie określić stopę zwrotu nakładów poniesionych na ich zastosowanie. Niewątpliwe systemy GWC są niezbędnym elementem budynków energooszczędnych i pasywnych, znacznie podnosząc ich klasę energetyczną oraz komfort użytkowania.
