Gruntowy wymiennik ciepła – lub Gruntowy Powietrzny Wymiennik Ciepła (GPWC) urządzenie służące do wspomagania wentylacji budynków zwiększające ich komfort cieplny poprzez ujednolicenie temperatury dostarczanego do budynku powietrza. W literaturze spotyka się też określenie „gruntowa / podziemna czerpnia powietrza”. Urządzenie w zależności od sposobu wymiany ciepła, można podzielić na przeponowe oraz bezprzeponowe. Przeponowe wymienniki są to takie w których istnieje warstwa oddzielająca (przepona) media między którymi następuje wymiana ciepła (wymienniki rurowe). W wymiennikach bezprzeponowych przepływające powietrze ma bezpośredni kontakt z odpowiednio przygotowaną warstwą gruntu (wymienniki żwirowe i płytowe).
W gruntowym wymienniku ciepła wykorzystuje się dużą pojemność cieplną gruntu, dzięki której można zmniejszyć wahania temperatury powietrza dostarczanego do budynku (w stosunku do pobieranego bezpośrednio z atmosfery). Instalacja jest wykorzystywana do wstępnego ogrzewania (w zimie) lub chłodzenia (w lecie) powietrza wprowadzanego do budynków. Najczęściej jest to system połączony z wentylacją mechaniczną budynku i rekuperatorem, powietrznym systemem grzewczym (np. pompą ciepła), ewentualnie z wentylacją grawitacyjną wspomaganą kominem słonecznym.
Gruntowe wymienniki ciepła początkowo znajdowały zastosowanie w budownictwie budynków autonomicznych oraz wznoszonych zgodnie z niemiecką normą domu pasywnego. Obecnie rozwiązanie to wykorzystywane jest coraz częściej w instalacjach wentylacyjnych nowo wznoszonych obiektów, gdzie zwraca się szczególną uwagę na niską energochłonność budynku. Ze względu na korzystny mikroklimat jaki powoduje eksploatacja GPWC, coraz częściej wymiennik instalowany jest w budynkach jedno- i wielorodzinnych.
Umiejscowienie GPWC
Istotnym przy wykonywaniu gruntowego wymiennika ciepła jest umieszczenie go minimum 20 centymetrów poniżej głębokości przemarzania gruntu, przy czym badania prowadzone nad gruntowymi wymiennikami wykazały ,że największe zyski energetyczne uzyskuje się przy wkopaniu wymiennika na głębokość pomiędzy 4 a 5 m. Posadowienie go na takiej głębokości znacznie poprawia jego wydajność energetyczną. Dla podniesienia sprawności wymiennika umieszcza się nad nim (około 30 cm) warstwę izolacji termicznej. Termoizolacja, w zależności od grubości warstwy, symuluje posadowienie wymiennika na głębokości 4 – 5 m poprzez oddzielenie czynnej objętości gruntu od wpływów warunków atmosferycznych. Powoduje to podniesienie izoterm w gruncie i stabilne warunki pracy wymiennika. W przypadku wymienników płytowych, termoizolacja umożliwia posadowienie go na głębokości od 0,7 do 2 metrów.
Rozwiązania konstrukcyjne
Wymiennik rurowy
Wymiennik rurowy jest kanałem powietrznym wbudowanym pod powierzchnią gruntu. Składa się on z długiego rurociągu zbudowanego z rur PVC bądź też innych tworzyw sztucznych. Wymiennik tego typu jest wymiennikiem przeponowym, ponieważ między gruntem a przepływającym powietrzem istnieje ścianka rury. W zależności od wielkości terenu jaki jest do zagospodarowania, zagłębienia oraz warunków cieplnych gruntu, wymienniki rurowe układać można w postaci jednego długiego rurociągu – często o długości przekraczającej obwód budynku, lub w układach rozdzielonych (np. układ Tichelmana). W układach takich strumień powietrza rozdziela się na kilka rurociągów o mniejszej średnicy – w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła – a następnie łączy się i kierowany jest do budynku. W wymiennikach przeponowych należy pamiętać o właściwym nachyleniu (spadku) rurociągu, aby umożliwić swobodny spływ skroplin (duża wilgotność powietrza – sezon letni) do studzienki odwodnieniowej, która jest niezbędnym elementem tego typu wymiennika. Aby ułatwić odprowadzenie wody, należy zadbać aby spływ skroplin był zgodny z kierunkiem przepływającego powietrza. Woda zalegająca w rurociągu przez dłuższy czas może powodować zauważalny spadek jakości powietrza nawiewanego do budynku.
Wymiennik żwirowy
Istnieją rozwiązania, w których na drodze przepływu powietrza konstruuje się złoże ze żwiru, bądź kruszywa łamanego o dużej granulacji (wymiennik bezprzeponowy żwirowy), które rozwija znacznie powierzchnię wymiany termicznej, jednak powoduje obniżenie pojemności cieplnej samego złoża oraz obniża jego przewodność cieplną. Z tego powodu istotną rolę odgrywa prawidłowy dobór złoża do strumienia powietrza. Wymiennik jest najbardziej efektywny podczas pracy cyklicznej – należy przewidzieć czas na jego regenerację. Dobrym rozwiązaniem jest układ podwójny, gdzie w trakcie pracy jednego wymiennika, drugi jest w fazie regeneracji. Wymienniki żwirowe bezwzględnie muszą być zabezpieczone przed działaniem wody infiltrującej złoże, aby uniemożliwić wymieszanie warstwy złoża z gruntem. Taka sytuacja może spowodować częściową lub nawet całkowitą niedrożność wymiennika. Znaczne podwyższenie oporów przepływu przez złoże, może skutkować brakiem wymaganych ilości powietrza wentylacyjnego oraz intensywnym zużywaniu wentylatora nawiewnego. Wymiennik tego typu zabezpiecza się stosując geowłókniny oraz geomembrany. Rurociągi doprowadzające oraz odprowadzające powietrze z wymienników bezprzeponowych, muszą być układane ze spadkiem w stronę wymiennika.
Wymiennik płytowy
Wymiennik płytowy składa się ze specjalnych płyt z tworzywa sztucznego, układanych w rzędach, w układzie zwartym bądź z rozstawem między rzędami płyt. Płyta uniesiona jest ponad zagęszczoną podsypkę na specjalnych klockach dystansowych. Powstaje wówczas szczelina między gruntem a płytą. Przestrzenią miedzy gruntem a płytą przepływa powietrze – szczelina ma wysokość zapewniającą optymalne warunki do wymiany ciepła. Oprócz płyt, wymiennik składa się z dwóch kolektorów oraz rurociągu doprowadzającego powietrze z czerpni terenowej do kolektora wlotowego i odprowadzającego powietrze z kolektora wylotowego do budynku. Wymienniki płytowe przystosowane są do wbudowania w gruncie na głębokości od 0,7 m. Warunkiem jest zastosowanie izolacji termicznej ułożonej nad wymiennikiem. Zwarta konstrukcja umożliwia także umieszczenie wymiennika wewnątrz obrysu fundamentowego budynku, pod płytą fundamentową (pod budynkiem). Wbudowanie wymiennika płytowego wymaga wykonania wykopu o dużej powierzchni lecz niewielkiej głębokości. O ile wbudowanie go wewnątrz obrysu fundamentowego jest wykonywane wraz z zasypaniem fundamentów i nie stanowi większego problemu, to wykonanie wykopu poza budynkiem uzależnione jest od powierzchni działki przeznaczonej pod GPWC. Nie ma konieczności stosowania specjalnego układu do odprowadzania skroplin, ponieważ jest to wymiennik bezprzeponowy i nadmiar wilgoci w powietrzu (w okresie letnim) absorbowany jest przez grunt. Analogiczna sytuacja ma miejsce w okresie zimowym. Jako że, grunt stanowi nie tylko bufor cieplny ale także zawiera pewne ilości wody, powietrze w okresie zimowym jest dodatkowo nawilżane.
Prawidłowo dobrany i wbudowany GPWC powinien się charakteryzować:
- dużą sprawnością wymiany ciepła (duże zyski ciepła lub chłodu)
- małymi oporami przepływu (brak konieczności stosowania wentylatorów wspomagających powodujących zwiększenie zużycia energii elektrycznej oraz hałas)
- odpornością na warunki atmosferyczne i gruntowe
Zalety:
- ogrzewanie powietrza w sezonie zimowym
- ochładzanie powietrza w sezonie letnim
- redukcja bakterii i grzybów (wymienniki bezprzeponowe)
- dowilżanie powietrza w sezonie zimowym (wymienniki bezprzeponowe)
- osuszanie powietrza w sezonie sezonie letnim (wymienniki bezprzeponowe)
Wady:
- nakłady inwestycyjne
Czerpnia do gruntowego wymiennika ciepła w myśl polskiego prawa musi znajdować się co najmniej 2,00 metry nad powierzchnią przyległego terenu.
Comments are closed.