Gruntowy wymiennik ciepła. Co daje i jaki wybrać? Omawiamy 4 rodzaje wymienników ciepła
Zwiększa sprawność rekuperacji, a zimą umożliwia wykorzystywanie energii akumulowanej w gruncie do ogrzewania pomieszczeń. Latem przydaje się do ich chłodzenia wyłącznie z użyciem wentylacji, bez potrzeby instalowania dodatkowych energochłonnych urządzeń.
Spis treści
- Co daje gruntowy wymiennik ciepła?
- Gruntowy wymiennik ciepła żwirowy
- Gruntowy wymiennik ciepła płytowy
- Gruntowy wymiennik ciepła rurowy
- Gruntowy wymiennik ciepła glikolowy
Co daje gruntowy wymiennik ciepła?
Dzięki dużej pojemności i bezwładności cieplnej gruntu na głębokości kilku metrów pod ziemią niezależnie od pory roku panuje mniej więcej stała, dodatnia temperatura. Najlepsze warunki, czyli 8-10°C, są na głębokości 7 m. Powietrze wentylacyjne przetłoczone przez takie środowisko może się zimą ogrzać, a latem schłodzić o kilka stopni.
Im bliżej powierzchni gruntu, tym parametry gruntu są gorsze. Energię dostarcza do gruntu głównie słońce, a woda „transportuje” ją w głąb. Z wilgotnego gruntu można odebrać więcej energii, bo jest ona szybciej uzupełniana. Do wymiany ciepła między powietrzem a gruntem służą powietrzne gruntowe wymienniki ciepła (GWC). W jej trakcie powietrze może mieć bezpośredni kontakt z gruntem (tak działają wymienniki bezprzeponowe – żwirowy, płytowy i grzebieniowy) albo być od niego odizolowane barierą (w wymiennikach przeponowych – rurowych). W instalacji wentylacyjnej z GWC są potrzebne dwie czerpnie powietrza – jedna umożliwiająca przepływ powietrza przez wymiennik, druga – pobierająca powietrze wentylacyjne z jego pominięciem. W instalacjach wentylacyjnych można też stosować wymienniki niepowietrzne, takie jak w instalacjach z pompą ciepła.
- Sprawdź także: Jaki rekuperator wybrać? Pomagamy w wyborze centrali wentylacyjnej do domu jednorodzinnego
Gruntowy wymiennik ciepła żwirowy
GWC żwirowy odpowiedni do domu jednorodzinnego ma postać prostopadłościennego wykopu o wymiarach mniej więcej 3 x 4 x 1 m (długość x szerokość x głębokość), wypełnionego płukanym żwirem o granulacji 20-50 mm. Wymiennik musi być posadowiony powyżej poziomu wód gruntowych albo zabezpieczony instalacją drenażową, ponieważ zalanie go przez wodę uniemożliwiłoby przepływ powietrza. Dno wykopu pokrywa się geowłókniną, aby zabezpieczyć złoże przed przedostaniem się do niego gryzoni i owadów. Od góry złoże można przykryć izolacją z płyt styropianowych – taki zabieg poprawi jego parametry termiczne. Jeśli ze względu na niekorzystne warunki gruntowe (wysoki poziom wód gruntowych) wymiennik trzeba posadowić bardzo płytko (w strefie przemarzania gruntu) albo nawet w nasypie na powierzchni gruntu, izolacja jest niezbędna.
Powietrze jest doprowadzane do wymiennika pionową rurą wystającą kilkadziesiąt centymetrów nad poziom gruntu, rozprowadzane poziomą rurą drenarską na całej szerokości wykopu, a następnie taką samą – znajdującą się po przeciwnej stronie złoża – zbierane i szczelną rurą tłoczone do instalacji w budynku. Żwir działa jak naturalny filtr powietrza. Powietrze przepływające przez wymiennik może być w okresie zimowym dowilżane, a w okresie letnim osuszane. Przepływ między grudkami żwiru ma działanie antybakteryjne i antygrzybiczne.
Konstrukcja wymiennika żwirowego jest stosunkowo prosta. Ewentualne niedokładności w wykonaniu nie mają większego wpływu na jego pracę. Najważniejsze jest zapewnienie odpowiedniej czystości żwiru. Jego płukanie na budowie bywa pracochłonne, ale nie jest trudne, co sprawia, że wielu inwestorów decyduje się samodzielnie zbudować wymiennik. W tego rodzaju wymiennikach ma miejsce samooczyszczanie żwiru przez wykraplającą się wilgoć. Są przez nią zmywane drobne zanieczyszczenia, które osadzają się na ziarenkach żwiru. Jest to rodzaj stałej równowagi, dzięki której wymiennik może pracować przez kilkadziesiąt lat.
Podczas przepływu przez złoże wymiennika żwirowego powietrze napotyka na znaczny opór. Konsekwencją tego jest duża energochłonność wentylatora wymuszającego jego ruch w instalacji wentylacyjnej, która niekorzystnie odbija się na efektywności wymiennika. Problemem jest też wolna regeneracja złoża. Trzeba je okresowo wyłączać z użytkowania – zaleca się 12-godzinne naprzemienne cykle pracy i regeneracji. Aby ograniczyć negatywny wpływ takiego działania wymiennika na pracę instalacji wentylacyjnej, można zbudować większe złoże, podzielić je na dwie części i wykorzystywać na zmianę – raz jedną, raz drugą. Regenerację złoża może przyspieszyć zraszanie go wodą zbieraną następnie przez studzienkę na dnie wykopu. Taki zabieg powoduje przy okazji nawilżenie powietrza, co jest korzystne dla mikroklimatu ogrzewanych pomieszczeń, ale podnosi koszt eksploatacji systemu. Woda zraszająca złoże niesie ze sobą dużo chłodu, więc instalacja zroszeniowa może być też używana okresowo podczas upałów. Jeśli na działce nie ma dostatecznie dużo wolnego miejsca, można rozważyć wykonanie wymiennika gruntowego pod budynkiem. Jego efektywność nie jest jednak wysoka, bo suchy żwir albo piasek wypełniające przestrzeń między ławami (dobrze zagęszczone, żeby ściany domu nie popękały) są znacznie gorszym otoczeniem dla wymiennika niż wilgotna ziemia bądź glina. Izolacja fundamentu dodatkowo utrudnia regenerację gruntu.
- Sprawdź też: Jaka wentylacja w domu? Grawitacyjna czy mechaniczna? Która lepsza i dlaczego? Ile zaoszczędzisz?
1. Gdy chcesz go wykonać samodzielnie z powszechnie dostępnych materiałów.
2. Jeżeli zależy ci na rozwiązaniu najtańszym i bezobsługowym.
3. Jeśli chcesz optymalizować wilgotność powietrza w budynku.
Gruntowy wymiennik ciepła płytowy
Istotną wadą wymiennika żwirowego jest znaczny opór napotykany przez strumień powietrza podczas przemieszczania się przez złoże i wynikająca z tego konieczność instalowania energochłonnych wentylatorów o mocy znacznie większej niż wynikająca z potrzeb samej instalacji wentylacyjnej. To negatywnie wpływa na efektywność rozwiązania. Osłabia ją także wolna regeneracja złoża żwirowego.
Konstrukcja wymiennika płytowego wykonana ze specjalnie do tego przeznaczonych płaskich płyt z tworzywa sztucznego powstała z myślą o wyeliminowaniu albo przynajmniej znacznym ograniczeniu wad wymiennika żwirowego. Płyty układa się w wykopie na głębokości mniej więcej 70 cm, na podsypce żwirowo-piaskowej o grubości 5 cm. Zajmują powierzchnię trzy do czterech razy większą niż przeciętne złoże żwirowe. Dzięki elementom dystansowym (na przykład w postaci rowkowanego spodu) powstaje pod nimi przestrzeń do przepływu powietrza wentylacyjnego. Od góry płyty izoluje się 12-centymetrową warstwą styropianu zabezpieczonego folią i przysypuje gruntem rodzimym. W tak zbudowanym wymienniku nie ma sprzyjających warunków do rozwoju bakterii i grzybów, a opory przepływu powietrza są niewielkie – wynoszą mniej więcej 15 Pa. Strumień powietrza kontaktuje się z gruntem bezpośrednio, a do tego na bardzo dużej powierzchni, co przekłada się na wysoką sprawność wymiany ciepła i sprzyja zaciąganiu naturalnej wilgoci z gruntu. Również dzięki temu wymiennik regeneruje się na bieżąco, więc nie ma potrzeby przerywania w tym celu jego pracy, tak jak to ma miejsce w przypadku klasycznego wymiennika żwirowego.
Płytowy gruntowy wymiennik ciepła jest znacznie droższy od żwirowego i trudniejszy do zbudowania. Najwięcej trzeba zapłacić za płyty, ale dochodzą także koszty montażu przez wyspecjalizowaną ekipę, bo w tym wypadku nie wchodzi już w grę samodzielne budowanie, przynajmniej z pozoru „bezkosztowe”, ale na pewno tańsze. Cechy wymienników żwirowego i płytowego łączy wymiennik grzebieniowy. Złoże ma w tym przypadku formę przestrzenną zbliżoną do wymiennika płytowego. Ma dużą powierzchnię, więc i duże opory przepływu powietrza. Aby je zmniejszyć, do bocznych kolektorów doprowadzających powietrze do złoża i odbierających je po przeciwnej stronie przyłącza się perforowane rury zachodzące na siebie jak dwa grzebienie.
1. Gdy zależy ci na dobrej jakości higienicznej i odpowiedniej wilgotności powietrza.
2. Jeśli chcesz ograniczyć opory przepływu, a więc moc wentylatorów i zużycie energii.
3. Jeżeli jesteś w stanie zaakceptować wyższe koszty budowy.
Gruntowy wymiennik ciepła rurowy
Jest zbudowany z rury zakopanej w ziemi na głębokości 1,5-3 m. Jej długość zależy od wilgotności gruntu i powinna być tym większa, im bardziej jest on piaszczysty i suchy. Taki bowiem akumuluje mniej energii, więc powierzchnia wymiany ciepła musi być większa, czyli rura dłuższa. Ścianka rury, nawet takiej o zwiększonej przewodności cieplnej, specjalnie przeznaczonej na wymienniki, stanowi barierę osłabiającą wymianę ciepła między gruntem a powietrzem. Aby powietrze zdążyło przejąć ciepło z otaczającego gruntu, rury muszą być stosunkowo długie – optymalna długość to 30-60 m. Muszą też być szczelne, by nie przedostawała się do nich woda gruntowa, więc pojedyncze odcinki trzeba starannie łączyć. Średnica rury powinna być tak dobrana, aby powietrze zasysane przez wentylator przemieszczało się nią z prędkością 1-3 m/s. Do domów jednorodzinnych odpowiednie są zazwyczaj rury o średnicy 180-200 mm. W cieńszych nadmiernie wzrastają opory przepływu, w takich o większej średnicy spada efektywność wymiany ciepła.
Opór przepływu powietrza przez wymiennik rurowy z pojedynczej rury wynosi około 25 Pa. Jest i tak kilkakrotnie mniejszy niż opór wymiennika żwirowego. W wymiennikach w tak zwanym układzie Tichelmanna średnica rur może być mniejsza (jest ich więcej). Nie używa się jednak rur węższych niż 110 mm.
Na wymienniki gruntowe powinno się używać specjalnych rur z polietylenu z warstwą antybakteryjną wewnątrz, dopuszczonych przez Państwowy Zakład Higieny i Instytut Techniki Budowlanej. Można jednak spotkać instalacje ze zwykłych kanalizacyjnych rur z PCW. Są tańsze, ale mogą pogarszać jakość powietrza. Ze względu na niebezpieczeństwo rozwoju mikroorganizmów na wilgotnych ściankach rur zaleca się regularne mycie wymienników rurowych. Dobrze dobrany i poprawnie zamontowany wymiennik z rur z wkładką antybakteryjną to rozwiązanie najdroższe inwestycyjnie. Konieczne zabiegi eksploatacyjne (okresowe płukanie rur) to dodatkowy wydatek i kłopot.
1. Gdy poziom wód gruntowych utrudnia wykonanie wymiennika bezprzeponowego.
2. Jeżeli na działce jest miejsce do ułożenia dostatecznie długiej rury.
3. Jeśli jesteś w stanie zaakceptować wyższy koszt inwestycji i konieczność okresowego czyszczenia wymiennika.
Gruntowy wymiennik ciepła glikolowy
Większość gruntowych wymienników ciepła stosowanych w systemach wentylacji mechanicznej z rekuperacją to wymienniki powietrzne. Jedynym niepowietrznym jest glikolowy, który do wymiany ciepła między gruntem a powietrzem wykorzystuje czynnik pośredniczący. Jest zbudowany podobnie do wymienników będących dolnym źródłem ciepła dla gruntowych pomp ciepła. W rurach uformowanych w pętle, zakopanych w gruncie na głębokości 1,5-2 m, krąży wodny roztwór glikolu, zwykle 30-procentowy. Przewody z roztworem glikolu muszą być dość długie (w przypadku instalacji do domu jednorodzinnego mają mniej więcej 200 m), więc trzeba je rozłożyć na znacznej powierzchni. W zależności od wilgotności gruntu ze 100 m² uzyskuje się moc chłodniczą 1-4 kW. Czasem zakopuje się je w pionowych odwiertach, takich jak dla pomp ciepła.
Za pośrednictwem glikolu energia akumulowana w ziemi jest z niej odbierana (zimą) bądź do niej oddawana (latem). Dobrze jest, gdy rury mają kontakt z wodą gruntową, bo wtedy możliwa do uzyskania ilość energii jest największa. Po ogrzaniu się (lub ochłodzeniu) w gruncie glikol trafia do wymiennika ciepła typu glikol-powietrze (nagrzewnicy/chłodnicy powietrza), zamontowanego na przewodzie wentylacyjnym doprowadzającym powietrze do rekuperatora. Wymiennik umieszcza się w pomieszczeniu technicznym przed rekuperatorem, od strony czerpni powietrza. Przepływ glikolu jest wymuszany przez pompę obiegową z odpowiednim układem sterującym. Nie jest potrzebna dodatkowa czerpnia terenowa, taka jak w wymiennikach powietrznych.
Wymiennik glikolowy może być z powodzeniem montowany na działkach z wysokim poziomem wód gruntowych, a nawet w ciekach wodnych, jeziorach czy stawach. Gdy rury z czynnikiem pośredniczącym są zanurzone w stawie lub cieku wodnym, uzyskuje się najwyższą wydajność układu. W przypadku wymiennika z czynnikiem pośredniczącym znika ryzyko zanieczyszczenia powietrza substancjami mogącymi znaleźć się w rurze zakopanej w ziemi. Czyszczenie instalacji wentylacyjnej jest łatwiejsze, bo żaden z jej elementów nie jest zakopany w gruncie. Gdy jednak rury wymiennika się rozszczelnią, spada jego skuteczność i wówczas trzeba je uszczelnić i uzupełnić glikol, co jest kłopotliwe.
- Sprawdź również: Klimatyzacja a ulga termomodernizacyjna 2024. Czy klimatyzację w domu można odliczyć od podatku?
1. Gdy na działce jest wysoki poziom wód gruntowych.
2. Jeśli masz na posesji zbiornik wodny, w którym można ułożyć wymiennik.
3. Kiedy obawiasz się zanieczyszczenia powietrza podczas przepływu przez grunt.
- Przejdź do galerii: Wzorowa przebudowa starego domu na miejskiej działce w Beskidzie Śląskim
Autor: Tomasz Zakrzewski
Po przebudowie dom zyskał nową jakość, spełnia wysokie standardy funkcjonalne. Jednocześnie wykorzystano potencjał miejsca, sytuując go na trzech poziomach
