Darmowa energia z gruntu: jak wykorzystać ją do ogrzania powietrza wentylacyjnego?

Na ogrzewaniu domu każdy chciałby oszczędzić, jak najwięcej. Dlaczego więc nie wykorzystać darmowej energii, która jest zakumulowana w gruncie? Gruntowe wymienniki ciepła współpracujące z rekuperatorem wykorzystują ciepło z gruntu do ogrzania powietrza wentylacyjnego. Przeczytaj, jak wybudować wymiennik rurowy i na jakiej zasadzie działa.

Zobacz galerię 3 zdjęcia

Autor: Andrzej Szandomirski

Temperatura gruntu jest zima znacznie wyzsza, a latem nizsza niz powietrza trafiajacego do wnetrza domu. Warto wykorzystac to, ze gdy wczesniej przepłynie ono pod ziemia, to w mrozny dzien sie ogrzeje, a w upalny ochłodzi nawet o kilkanascie stopni

Wybudowanie domu o niskim wskaźniku zapotrzebowania na energię pierwotną wymaga nie tylko skutecznego ocieplenia i uszczelnienia przegród zewnętrznych, ale także zastosowania w nim urządzeń wykorzystujących odnawialne źródła energii. Jednym z nich jest rekuperator umożliwiający odzyskiwanie ciepła z wywiewanego powietrza wentylacyjnego i ogrzewanie nim tego nawiewanego do pomieszczeń. Mimo wysokiej sprawności temperaturowej wymienników ciepła rekuperatorów rzeczywisty odzysk energii w tych urządzeniach nie przekracza 50%. Ma na to wpływ obecna w powietrzu para wodna, która w określonych warunkach się skrapla, a w ujemnej temperaturze zamarza i blokuje przepływ powietrza przez wymiennik. Usuwanie lodu pochłania sporo energii, więc działanie systemu jej odzyskiwania z powietrza w ujemnej temperaturze jest mało efektywne.

Centrala wentylacyjna z wymiennikiem do odzyskiwania ciepła

W większości przeznaczonych do domów jednorodzinnych central wentylacyjnych z wymiennikiem do odzyskiwania ciepła z wywiewanego powietrza system rozmrażający działa tak, że gdy temperatura świeżego powietrza obniża się do 3-4^oC, sterownik zmniejsza prędkość obrotową wentylatora nawiewnego bądź nawet go wyłącza. To sprawia, że temperatura wilgotnego powietrza wywiewanego z pomieszczeń może się utrzymywać powyżej temperatury wykraplania pary wodnej, ale dzieje się tak na skutek zmniejszenia ilości odbieranej od niego energii.

Czyli ma to negatywny wpływ na sprawność odzysku ciepła. Ponieważ wentylator wywiewny działa cały czas, wytwarza w pomieszczeniach podciśnienie powodujące, że świeże powietrze napływa do nich przez wszelkie nieszczelności. Wymiana powietrza nie ustaje, odzyskiwanie ciepła – niestety tak. Rozwiązaniem tego problemu może być wykonanie gruntowego wymiennika ciepła, w skrócie GWC. Jego zaletą jest nie tylko ogrzewanie powietrza wentylacyjnego darmową energią zakumulowaną w gruncie, lecz także możliwość jego chłodzenia latem.

Przeczytaj również: Wszystko na temat budowy żwirowego GWC

W największy upał temperatura powietrza przepływającego pod powierzchnią gruntu obniża się nawet do 14^oC. Choć w systemie wentylacji natężenie przepływu powietrza jest znacznie mniejsze niż w klimatyzatorach, to jednak jego napływ do rozgrzanych przez słońce pomieszczeń znacznie poprawia ich mikroklimat. Ważne jest to, że nie trzeba za to dodatkowo płacić.

Budowa rurowego wymiennika ciepła

To powszechnie stosowany typ powietrznego przeponowego gruntowego wymiennika ciepła. Wykonuje się go z rur z tworzywa sztucznego, bardzo często cienkościennych kanalizacyjnych z PCW, bo są najtańsze. Są też rury wytwarzane specjalnie do powietrznych wymienników gruntowych – z polipropylenu bądź polietylenu, pokryte wewnątrz powłoką antybakteryjną. Są znacznie droższe niż kanalizacyjne, ale mają też ważną zaletę – lepszą przewodność cieplną. Dzięki niej ta sama ilość ciepła może być przekazana z gruntu przez krótsze rury. Przekłada się to na mniejszy pobór energii przez wentylator tłoczący powietrze. Tańsze i prostsze jest też wtedy wykonanie wymiennika.

Rurowy GWC może być zbudowany z pojedynczej rury albo z kilku równoległych rur – w układzie Tichelmanna . Stosuje się go w instalacjach transportujących duży strumień objętości powietrza, rzadko w domach jednorodzinnych – jedynie wtedy, gdy na działce nie mieści się odpowiednio długa pojedyncza rura. Nie musi ona być prosta. Może zmieniać kierunek, najlepiej łagodnie, pod kątem 33-45°, tworząc pierścień albo meander (kształt C albo S). Między jej sąsiednimi równoległymi odcinkami należy zachować odstęp 1 m.

Zobacz galerię 2 zdjęcia

Autor: Piotr Mastalerz

Dzieki temu, ze powietrze jest wstepnie podgrzane w wymienniku gruntowym, nie ma potrzeby odmrazania wymiennika rekuperatora i efektywnosc odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego jest wieksza

Dobór średnicy rur w rurowym wymienniku ciepła

Średnicę rur dobiera się tak, by powietrze płynęło nimi z prędkością 1-3 m/s. Strumień objętości powietrza wentylacyjnego w domu jednorodzinnym mieści się zwykle w przedziale 150-250 m³/h, a odpowiednia średnica pojedynczej rury wynosi wtedy 180-200 mm. Im więcej równoległych rur w układzie Tichelmanna, tym mogą być węższe, ale nie używa się takich o średnicy mniejszej niż 110 mm. Wymiennik z pojedynczej rury kanalizacyjnej powinien mieć długość 45-60 m w zależności od wilgotności gruntu – dłuższą trzeba zastosować tam, gdzie jest suchy i sypki, krótsza może być tam, gdzie jest mokry, gliniasty. Rura polietylenowa lub polipropylenowa (specjalna do GWC) może być krótsza nawet o 1/3.

Producenci rur do GWC oferują programy do projektowania wymienników, w których średnica i długość rur są obliczane w zależności od ilości powietrza wentylacyjnego, przyjętego sposobu ułożenia rur (pierścień, meander, układ Tichelmanna), rodzaju gleby i strefy klimatycznej.

Przed ułożeniem rur wymiennika przygotowuje się wykop głębokości 1,5-2 m o równym, utwardzonym (zagęszczonym) dnie. Ważne, żeby układane rury przylegały do niego na całej długości, więc zaleca się wykonanie pod nie podsypki z piasku lub żwiru i jej utwardzenie. Rury należy układać ze spadkiem 2% w kierunku od domu do czerpni powietrza. W celu uniknięcia ich przemieszczenia w trakcie zasypywania warto zabezpieczyć je po bokach kołkami.

Rurowy wymiennik ciepła wymaga precyzyjnej budowy

Rury muszą być szczelne, by nie przedostawała się do nich woda gruntowa, więc trzeba je łączyć starannie, używając środka ślizgowego zapobiegającego wywijaniu się uszczelek przy wsuwaniu końcówek do kielichów. Jeśli poziom wód gruntowych jest wysoki albo istnieje ryzyko przemieszczania się gruntu, dobrze jest dodatkowo zabezpieczyć połączenia, na przykład mufami termokurczliwymi. Przed zasypaniem rury grunt wokół niej należy utwardzić, by się nie osuwał. Mogłoby to spowodować deformację i rozszczelnienie wymiennika. Dopiero po zasypaniu wykopu do wysokości rury i utwardzeniu gruntu można kontynuować zasypywanie bez zagęszczania.

Na początku wymiennika potrzebne są czerpnia powietrza i studzienka kondensatu, więc w tym miejscu poziomą rurę łączy się z pionowym trójnikiem. Od dołu podłącza się do niego studzienkę. Grunt pod nią musi być utwardzony, żeby się nie zapadała pod ciężarem zbierającej się w niej wody. Trzeba pamiętać o tym, by ją okresowo wypompowywać. Od góry do trójnika podłącza się pionową rurę, której wlot powinien się znaleźć co najmniej 0,5 m nad ziemią, aby nie zasypał go śnieg.

Nad wlotem jest potrzebny daszek chroniący przed opadami atmosferycznymi oraz siatka zatrzymująca owady, a we wlocie filtr powietrza zatrzymujący pył. Są dostępne specjalne czerpnie terenowe do GWC wyposażone we wszystkie te akcesoria.

Piotr Laskowski