Jak działa gruntowy wymiennik ciepła glikolowy, żwirowy i płytowy
Gruntowy wymiennik glikolowy, żwirowy i płytowy - zasada działania. Wentylacja mechaniczna zwiększa zapotrzebowanie na energię do ogrzewania powietrza wentylacyjnego. Gruntowy wymiennik ciepła pomaga je ograniczyć, a także poprawić jakość pracy rekuperatora.
Gruntowy wymiennik ciepła to rodzaj instalacji umożliwiającej wstępne ogrzanie lub ochłodzenie powietrza wentylacyjnego przed wprowadzeniem go do budynku. Wymiana ciepła między powietrzem a gruntem może się odbywać bezpośrednio przez warstwę gruntu - w wymiennikach bezprzeponowych żwirowych i płytowych – albo przez przeponę - w wymiennikach rurowych oraz glikolowych.
Wymiennik rurowy
Jest zbudowany z rur ułożonych 1,5-2 m pod powierzchnią gruntu. Z jednej strony są one zakończone czerpnią, z drugiej połączone z systemem wentylacji w domu.
Czerpnia powinna mieć rewizję oraz zabezpieczenie z siatki o drobnych oczkach przed kurzem, liśćmi i owadami. Można również wyposażyć ją w filtr uzdatniający zasysane powietrze, popularny węglowy albo bardziej wyrafinowany, z naturalnych złóż, które dodatkowo zabezpieczają przed smogiem.
Wymiennik rurowy najlepiej zbudować z rur sztywnych lub elastycznych z polietylenu, dopuszczonych do stosowania w instalacjach wentylacyjnych. Nie należy stosować tanich rur kanalizacyjnych, bo PCW, z którego się je produkuje, słabo przewodzi ciepło, więc wymiennik musiałby być znacznie dłuższy.
Można użyć rur antybakteryjnych (z tworzywa zawierającego związki srebra o silnym działaniu). Zapobiegną one namnażaniu się bakterii i grzybów, zwłaszcza w okresach przejściowych, wiosną i jesienią, kiedy wymiennik nie jest używany.
Optymalna długość rury wynosi od 30 do 60 m i zależy od wilgotności gruntu. Dłuższy wymiennik jest potrzebny w gruncie piaszczystym i suchym, bo akumuluje on mniej energii cieplnej.
W domach jednorodzinnych o zapotrzebowaniu na powietrze wentylacyjne 150-250 m3/h średnica rur powinna wynosić 180-200 mm, aby tłoczone nimi powietrze miało odpowiednią prędkość - 1-3 m/s.
W rurach o mniejszej średnicy opory przepływu mogłyby być zbyt duże, w większych – nadmiernie zmniejszyłaby się efektywność wymiany ciepła. Wpływ długości rur na opory przepływu jest odwrotny – dłuższe stawiają większy opór, w krótkich zmniejsza się ilość wymienianego ciepła.
Z rur formuje się spirale, odcinki proste, łamane albo tak zwany układ Tichelmana, czyli kilka krótkich odcinków o mniejszej średnicy ułożonych równolegle. Wymiennik może mieć także postać pojedynczej rury o odpowiednio dużej średnicy poprowadzonej wokół fundamentów domu. Rury łączy się kolanami 33o i 45o. Układać się je bez podsypki z piasku i żwiru (gorzej przewodzą ciepło niż grunt rodzimy), ze spadkiem minimum 2% w kierunku czerpni, aby zapewnić swobodny spływ kondensatu do wnętrza studzienki. Po zasypaniu wykopu należy zagęścić grunt do poziomu rur, a powyżej pozostawić luźny, aby lepiej przepuszczał wodę, która jest dobrym nośnikiem energii.
Wymiennik glikolowy
Jest odmianą wymiennika rurowego, z glikolem jako czynnikiem pośredniczącym w wymianie ciepła, polecaną na działkach z wysokim poziomem wód gruntowych.
Roztwór glikolu tłoczony pompą obiegową krąży w rurach zakopanych w ziemi. Wymiana ciepła między glikolem a powietrzem wentylacyjnym odbywa się w wymienniku ciepła umieszczonym w przewodzie wentylacyjnym, na wlocie do rekuperatora. Dzięki szczególnym właściwościom glikolu sprawność takiego wymiennika jest większa niż wymienników powietrze-grunt. Rozwiązanie jest bardzo dobre, ale stosunkowo drogie, ponieważ rury trzeba rozłożyć na dużym obszarze. W zależności od wilgotności gruntu ze 100 m2 uzyskuje się moc chłodniczą 1-4 kW.
Rury ukształtowane w pętle układa się co najmniej 1,5 m pod powierzchnią gruntu, poniżej strefy przemarzania, przynajmniej 1,5 m od fundamentów oraz instalacji na działce. Jeśli to możliwe, pętle powinny mieć kontakt z wodą gruntową, bo wtedy układ osiąga najwyższą efektywność.
Powierzchni nad wymiennikiem glikolowym nie należy obsadzać gęstą ani głęboko ukorzeniającą się roślinnością.
Wymiennik żwirowy
To rodzaj wymiennika bezprzeponowego. Stanowi go złoże ze żwiru o granulacji 20-50 mm wypełniające wykop o objętości kilku metrów sześciennych.
Powietrze przepływające przez złoże oczyszcza się z alergenów, bakterii i grzybów oraz ogrzewa. Ma bezpośredni kontakt z gruntem, więc sprawność wymiany ciepła jest większa niż w wymienniku rurowym. W instalacji jest potrzebny dodatkowy wentylator. Dla złoża o powierzchni 150 m2 wystarczy jednak taki o mocy około 150 W.
Złoże żwirowe ma właściwość samooczyszczania. W deszczowe dni wilgoć z powietrza trafiającego do GWC skrapla się. Woda spływa po żwirze, spłukuje zanieczyszczenia, a one wsiąkają w grunt rodzimy poniżej wymiennika, więc żwir robi się czysty.
GWC żwirowy powinien być zbudowany powyżej poziomu wód gruntowych. Jeśli woda zalega płytko (do 1 m pod powierzchnią), można go ulokować nawet nad powierzchnią ziemi - w kopcu. Trzeba go wtedy przykryć warstwą izolacji cieplnej. Dno wykopu należy wyłożyć geowłókniną, aby do złoża nie przedostawały się gryzonie i owady. Żwir musi być oczyszczony (płukany).
Z czerpni gruntowej do wymiennika powietrze doprowadza pionowa rura. Dalej pozioma rura drenarska rozprowadza je w złożu, a druga, ulokowana po przeciwnej stronie złoża, zbiera je i kieruje do budynku. Do tłoczenia powietrza jest potrzebny mocny, a więc także energochłonny wentylator.
Ponieważ złoże nie może pracować dłużej niż 12 h (przez drugą część doby musi się regenerować), warto zbudować dwa równoległe wymienniki, które będą pracowały naprzemiennie.
Odmianą GWC żwirowego jest wymiennik grzebieniowy, czyli złoże żwirowe z perforowanymi kanałami z polipropylenu do przepływu powietrza. Dzięki nim wymiennik może być płaski i wydajny, a opory tłoczenia powietrza znikome. Nad złożem montuje się instalację zraszającą, która latem zapewni szybszą regenerację złoża.
Złoże izoluje się styropianem. Nad wymiennikiem może być jedynie trawnik, chyba że zainstaluje się barierę wzmacniającą.
Wymiennik płytowy
Wymiennik płytowy to udoskonalony model wymiennika żwirowego, w którym powietrze nie tylko się podgrzewa albo schładza, ale także zmienia wilgotność. Zimą jest nawilżane, latem na skutek schłodzenia w naturalny sposób wykrapla się z niego wilgoć, której nadmiar jest odprowadzany bezpośrednio do gruntu. Parametry wymiennika mogą być jeszcze lepsze, kiedy zastosuje się podłoże dolomitowe.
Wymiennik płytowy umieszcza się w płytkim wykopie o dużej powierzchni (3-4 razy większej niż powierzchnia wymiennika żwirowego).
Wykop wypełnia się podsypką żwirowo-piaskową o grubości około 5 cm. Na niej układa się specjalne płyty z tworzywa sztucznego i izolację ze styropianu z folią o grubości 12 cm i całość zasypuje gruntem rodzimym. Płyty mają od spodu rowki. Powierzchnia wymiany ciepła jest duża (znacznie większa niż w rurach), więc wymiennik ma wysoką sprawność. Jednocześnie ma jednak dużą bezwładność, ale dzięki niej jest możliwa samoczynna regeneracja gruntu, więc wymiennik może pracować bez przerwy na regenerację.
Wielkość gruntowego wymiennika ciepła
Długość rury wymiennika rurowego i glikolowego wyznacza się na podstawie obliczeń cieplnych sporządzonych dla warunków zimowych, czyli temperatury obliczeniowej odpowiedniej strefy klimatycznej. Przewidywane efekty chłodzenia ocenia się w odniesieniu do statystyk temperatury w okresie letnim.
Przeczytaj też:
Wentylacja mechaniczna - zalety i koszty wykonania >>>
Parametry wymiennika żwirowego dobiera się na wyczucie, dlatego warto zlecić jego budowę fachowcom z doświadczeniem w realizacji takich rozwiązań. Istotne jest zwłaszcza możliwie dokładne określenie oporów wymiennika gruntowego oraz instalacji wentylacyjnej. Podobnie jest z wymiennikiem płytowym, ale dystrybutorzy mają tabele i diagramy doboru urządzeń.
