Gruntowy wymiennik ciepła - zasada działania, rodzaje, koszty

Gruntowy wymiennik ciepła (GWC) to urządzenie, które stosuje się w wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. To stosunkowo prosta instalacja, dzięki której pozyskuje się ciepło zakumulowane w gruncie. Dzięki GWC latem powietrze można ochłodzić, a zimą ogrzać. Wyjaśniamy, dlaczego warto zainstalować gruntowy wymiennik ciepła, jak to prawidłowo zrobić i ile będzie nas to kosztowało.

Gruntowy wymiennik ciepła GWC to rodzaj instalacji umożliwiającej wstępne ogrzanie lub ochłodzenie powietrza wentylacyjnego przed wprowadzeniem go do budynku. Następuje ono w wyniku wymiany ciepła między powietrzem a gruntem, który jest ośrodkiem o dużej pojemności cieplnej, a co za tym idzie – stabilnej temperaturze.

Jak działa gruntowy wymiennik ciepła

Na głębokości 1,5 m pod powierzchnią gruntu temperatura waha się w ciągu roku w przedziale zaledwie 4-7°C. Tymczasem różnica między temperaturą gruntu a temperaturą powietrza w otoczeniu domu jest spora. Jeśli powietrze przetłoczy się przez grunt, zimą znacznie cieplejszy od powietrza, a latem zdecydowanie od niego chłodniejszy, jego temperatura może się zmienić nawet o niemal 20°C. Co ważne – bez dodatkowych nakładów energii. Potrzebna jest jedynie ta do napędu wentylatora wprawiającego powietrze w ruch, a w instalacji wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej wentylator (wentylatory) i tak pracuje cały czas.

Przeczytaj też: Montaż wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej - układanie kanałów wentylacyjnych

Wymiana ciepła między powietrzem a gruntem może się odbywać bezpośrednio przez specjalnie przygotowaną warstwę gruntu – w wymiennikach bezprzeponowych żwirowych i płytowych – albo przez przeponę – w wymiennikach rurowych oraz glikolowych.

Gruntowy wymiennik ciepła przeponowy rurowy oraz glikolowy

• wymiennik rurowy

To po prostu rury ułożone w ziemi, 1,5-2 m pod powierzchnią gruntu. Z jednej strony są 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 glikolowy

Jest odmianą wymiennika przeponowego o konstrukcji rurowej, z glikolem jako czynnikiem pośredniczącym w wymianie ciepła. Rozwiązanie jest znane z systemów ogrzewania z gruntową pompą ciepła i polecane na działkach z wysokim poziomem wód gruntowych, na których trudno jest wykonać wymiennik powietrzny.

Roztwór glikolu tłoczony pompą obiegową z odpowiednim układem sterującym krąży w długich rurach zakopanych w ziemi. Wymiana ciepła między nim a powietrzem wentylacyjnym odbywa się w wymienniku ciepła umieszczonym w przewodzie wentylacyjnym, na wlocie do rekuperatora. Powietrze nie musi więc przepływać rurami pod ziemią i nie ma obawy, że zostanie zanieczyszczone czymkolwiek, co się w niej może znajdować.

Dzięki szczególnym właściwościom glikolu sprawność takiego wymiennika jest większa niż wymienników powietrze-grunt. Rozwiązanie jest bardzo dobre, ale też stosunkowo drogie, ponieważ rury trzeba rozłożyć na dużym obszarze. W zależności od wilgotności gruntu ze 100 m2 uzyskuje się moc chłodniczą 1-4 kW.

Wykonanie wymiennika bezprzeponowego żwirowego

Nieco bardziej kłopotliwe jest wykonanie wymiennika bezprzeponowego. Tworzy go oczyszczony (płukany, bez piasku) żwir o granulacji 20-50 mm wypełniający wykop o bokach długości 3-4 m i głębokości około 80 cm.

Do złoża żwirowego doprowadzona jest pionowa rura – czerpnia – przechodząca w poziomą rurę drenarską rozprowadzającą powietrze na całą szerokość wymiennika. Po przeciwnej stronie złoża znajduje się druga rura, którą powietrze jest zasysane do instalacji wentylacyjnej wewnątrz budynku. By temperatura złoża była zawsze dodatnia, powinno być ono przykryte od góry grubą warstwą gruntu, ale można też ułożyć na nim izolację cieplną, uzyskując podobny efekt mimo niewielkiego zagłębienia wymiennika w gruncie.

Jeśli jest taka potrzeba, wymiennik można wykonać ponad terenem – izolacja sprawi, że temperatura wewnątrz złoża będzie odpowiadała tej, jaką ma grunt na głębokości nawet 5 m.

W porównaniu z innymi rodzajami wymienników żwirowy ma wysoką sprawność i jest stosunkowo niedrogi.

Wymiennik płytowy

Wymiennik płytowy to modyfikacja GWC żwirowego. Składa się on z ułożonych na podsypce żwirowo-piaskowej grubości 5 cm specjalnych płyt ze szczelinami, wewnątrz których przepływa powietrze mające bezpośredni kontakt z gruntem. Na płytach układa się izolację ze styropianu grubości 12 cm zabezpieczonego folią, a całość jest zasypana gruntem rodzimym. Wykop powinien mieć powierzchnię trzy-czterokrotnie większą niż w przypadku złoża żwirowego.

Zaletą GWC płytowego jest większa niż w żwirowym stabilność temperatury powietrza po przepłynięciu przez wymiennik. Wynika to z większej powierzchni kontaktu wymiennika z gruntem rodzimym, w którym akumulowane jest ciepło.

Gruntowy wymiennik ciepła wymiary

Długość rury wymiennika rurowego i glikolowego można ustalić dość dokładnie. Wyznacza się ją 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.

W przypadku wymiennika żwirowego nie ma dokładnych wytycznych instalacyjnych i projektowych. Parametry systemu dobiera się na wyczucie, dlatego warto zlecić budowę wymiennika 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. Można na przykład na podstawie wielkości powierzchni przeznaczonej pod wymiennik płytowy określić ilość ciepła, którą będzie on w stanie dostarczyć, a do tego dobrać centralę wentylacyjną, która zapewni prawidłową pracę instalacji. Albo odwrotnie – do ilości ciepła, którą chce się uzyskać, dobrać liczbę i powierzchnię płyt wymiennika gruntowego i w ten sposób ustalić powierzchnię niezbędną do zainstalowania wymiennika.

Gruntowy wymiennik ciepła cena

Na materiały i montaż gruntowego wymiennika ciepła trzeba przeznaczyć od 3 do nawet 15 tys. zł. Wymienniki rurowe i płytowe są droższe. Uzyskany dzięki nim komfort wydaje się jednak większy niż ten, który są w stanie zapewnić stosunkowo drogie klimatyzatory z filtrami powietrza.

Dodatkowo warto zwrócić również uwagę na zużycie energii, które w przypadku klimatyzatorów wynosi od 2,5 do 15 kW. Wysokiej jakości GWC potrzebuje do pracy zaledwie kilkadziesiąt watów, czyli wielokrotnie mniej. Zależnie od rodzaju instalacji grzewczej i używanego do jej zasilania paliwa dzięki GWC można zaoszczędzić nawet kilkaset złotych rocznie.

Piotr Laskowski

Agata Szczygielska-Dynia