Budowa żwirowego wymiennika ciepła: jak pozyskiwać energię do ogrzania powietrza do wentylacyjnego?
Jednym z rodzajów gruntowych wymienników ciepła jest wymiennik żwirowy. Korzysta on z ciepła, które znajduje się na pewnej głębokości gruntu. Ciepło to darmowa energia, która pozwala ogrzać powietrze wentylacyjne, a jednocześnie wspomaga instalację grzewczą domu pomagając w generowaniu oszczędności na ogrzewaniu domu.
Autor: Pązik Rafał
Wady wymienników żwirowych to duży opór stawiany przez kamienie przepływającemu powietrzu i stosunkowo niewielka powierzchnia kontaktu złoża żwirowego z gruntem rodzimym utrudniająca regenerację wymiennika
W tym wariancie powietrze wprowadzone pod powierzchnię gruntu przez czerpnię trafia do złoża żwirowego, czyli wykopu o wymiarach 3-4 x 3-4 m i głębokości około 80 cm wypełnionego płukanym żwirem o granulacji 20-50 mm. Żwir akumuluje energię, stanowi też filtr oczyszczający powietrze. Zabezpieczenie przed przenikaniem do żwiru zanieczyszczeń z gleby, owadami i gryzoniami stanowi geowłoknina.
Jak działa żwirowy GWC?
Powietrze musi być rozprowadzone na całą szerokość złoża, dlatego do pionowej czerpni jest dołączona pozioma rura rozprowadzająca z otworami na całej długości. Wypływające z niej powietrze jest zasysane do takiej samej poziomej rury zbierającej po przeciwnej stronie złoża, a do niej jest dołączona rura transportująca je do instalacji w budynku. Średnicę rury ustala się tak jak dla wymiennika rurowego. Jej długość nie wpływa na ilość odbieranej energii, więc powinna być jak najmniejsza ze względu na opór przepływu powietrza.
Przeczytaj również: Wszystko na temat rurowego wymiennika ciepła
Złoże żwirowe akumulujące energię należy posadowić powyżej poziomu wód gruntowych, by nie utrudniała ona przepływu powietrza między kamieniami. Jej obecność w złożu jest też przyczyną nieprzyjemnego zapachu stęchlizny. W celu osiągnięcia stabilnej temperatury (stosunkowo wysokiej zimą i niskiej latem) w płytkim wykopie złoże trzeba przykryć warstwą izolacji cieplnej, na przykład ze styropianu grubości co najmniej 12 cm przysypanego warstwą ziemi grubości 80 cm. Wtedy temperatura wewnątrz złoża może być równa tej, jaka jest w gruncie na głębokości około 5 m.
Złoże żwirowe regeneruje się stosunkowo wolno – jego temperatura obniża się na skutek odbierania energii przez przepływające powietrze, a do ponownego jej uzyskania potrzeba więcej czasu niż w przypadku wymiennika rurowego. Dlatego złoże żwirowe nie powinno pracować bez przerwy.
Żwirowy GWC – relaksacja złoża
Wysoką wydajność uzyskuje się, gdy po 12 godzinach pracy następuje trwająca 12 godzin przerwa na regenerację. Dlatego warto podzielić złoże na dwie części działające na zmianę – wtedy powietrze może być ogrzewane energią z gruntu bez przerwy.
Istotną wadą żwirowego GWC jest duży opór przepływu powietrza między kamieniami w złożu. Z reguły do ich pokonania jest potrzebny dodatkowy wentylator, oprócz tego w rekuperatorze. To oznacza pobór dodatkowej energii elektrycznej (moc silnika wentylatora to nawet kilkaset watów) i sprawia, że zysk z zastosowania GWC jest niewielki.
Skąd bierze się energia dla gruntowego wymiennika ciepła?
Powietrzny GWC bywa też nazywany gruntową czerpnią powietrza, bo jest to instalacja umieszczona pod powierzchnia gruntu, służąca do doprowadzenia świeżego powietrza do wentylatora nawiewnego centrali wentylacyjnej. Dzięki GWC zimą powietrze jest wstępnie podgrzewane darmowa energia zakumulowana w gruncie i gdy dociera do rekuperatora, ma dodatnia temperaturę.
Na pewnej głębokości pod powierzchnią ziemi, nazywanej głębokością przemarzania, temperatura jest zawsze wyższa od 0oC. Polska jest podzielona na cztery strefy, w których ta głębokość wynosi od 0,8 m (w I strefie) do 1,4_m (w IV strefie). Miejscowo temperatura gruntu może się nieco różnić od tych wartości, ale na głębokości większej niż 1,5 m jest na pewno dodatnia przez cały rok.
Im głębiej, tym jest stabilniejsza – gruntu nie chłodzi tam powietrze, ale i mniej się on nagrzewa na skutek nasłonecznienia. Energię do gruntu dostarcza niemal wyłącznie słońce, ale trafia ona w głąb dzięki wodzie. Dlatego im grunt jest bardziej wilgotny, tym więcej energii można z niego odbierać, bo jest szybciej uzupełniana.
Żeby powietrze odbierało te energie, wystarczy, by miało kontakt z cieplejszym gruntem. Instalacja GWC służy zatem temu, aby powietrze mogło przepłynąć pod jego powierzchnia poniżej strefy przemarzania.
Gruntowe wymienniki ciepła mogą być przeponowe – powietrze przepływa wtedy rurami zakopanymi w ziemi, a wymiana ciepła odbywa się przez ich ścianki – albo bezprzeponowe – powietrze ma bezpośredni kontakt z gruntem (odpowiednio do tego przygotowanym, aby nie ulegało zanieczyszczeniu).
