Gruntowy wymiennik ciepła - zasada działania, rodzaje i cena wymiennika
Teoretycznie oszczędności wynikające z ogrzewania i chłodzenia powietrza przez gruntowy wymiennik ciepła mogą wynieść nawet kilkaset złotych rocznie. Czy to jednak na pewno się opłaca? Jaka jest cena wymiennika i od czego ona zależy?
Zasada działania gruntowego wymiennika ciepła
W gruntowym wymienniku ciepła (GWC) świeże powietrze jest wstępnie ogrzewane, zanim trafi do rekuperatora. Służy do tego darmowe, naturalne ciepło czerpane z gruntu, który na głębokości poniżej 1 m ma przez cały rok dodatnią temperaturę. Przepływające tamtędy mroźne powietrze może się więc ogrzać. Jeśli czas kontaktu powietrza z gruntem będzie dostatecznie długi, ogrzeje się ono do temperatury na tyle wysokiej, by wymiennik rekuperatora nie zamarzł.
Powietrze, przepływając przez GWC, ogrzewa się, gdy temperatura na zewnątrz jest niższa niż w gruncie. Ponieważ zimą taka sytuacja nie należy do rzadkości, korzyści energetyczne z zastosowania takiego rozwiązania są znaczne. Ma ono jeszcze jedną ważną zaletę – latem powietrze w kontakcie z gruntem się ochładza. Nawiewane do domu obniża w nim temperaturę, wyraźnie poprawiając mikroklimat w upalne dni. Takie chłodzenie nie wymaga żadnych dodatkowych wydatków.
Gruntowy wymiennik ciepła jest przy tym systemem prostym, pozbawionym elementów mechanicznych i elektronicznych – właściwie nie ma się co w nim popsuć.
Rodzaje gruntowych wymienników ciepła
Gruntowe wymienniki ciepła dzielą się na przeponowe (powietrze przepływa przewodem zakopanym pod ziemią, nie mając bezpośredniego kontaktu z gruntem) oraz bezprzeponowe (powietrze przepływa bezpośrednio przez odpowiednio przygotowane warstwy gruntu).
Wymiennik przeponowy
Wymiennik przeponowy to najczęściej rura o dużej średnicy zakopana w ziemi. Zaczyna się od tak zwanej czerpni, czyli pionowego odcinka z wlotem umieszczonym co najmniej 0,5 m nad ziemią (by nie zasypał go śnieg), zabezpieczonym daszkiem. Czerpnia jest połączona z odcinkiem poziomym (a dokładniej ułożonym ze spadkiem około 2%, by nie gromadziła się w nim woda).
Dobry efekt ogrzewania powietrza zimą i chłodzenia latem osiąga się, umieszczając go 1,2-1,5 m pod powierzchnią terenu, czyli nieco poniżej strefy przemarzania gruntu. Dla domu jednorodzinnego, do którego wentylacji potrzeba 150-250 m3/h powietrza, wykonuje się go z rury o średnicy 180-200 mm.
Pojedyncza rura powinna mieć długość 30-50 m, można też ułożyć równolegle dwie rury, a nawet więcej (w układzie Tiechelmanna), wówczas mogą być krótsze, a ich średnica mniejsza (dobiera się ją tak, by prędkość przepływu powietrza w rurach wynosiła około 2 m/s).
Do budowy wymiennika często używa się cienkościennych rur kanalizacyjnych z PCW – wystarczająco wytrzymałych na obciążenie, szczelnych i całkowicie odpornych na korozję. Na pewno lepsze (ale droższe) są specjalne rury do budowy wymienników gruntowych – polipropylenowe i polietylenowe, sztywne albo elastyczne, z wewnętrzną warstwą antybakteryjną (z cząsteczkami srebra).
Wymiennik bezprzeponowy
Wymiennik bezprzeponowy to wykop o bokach długości 3-4 m i głębokości około 80 cm wypełniony oczyszczonym (płukanym, bez piasku) żwirem o granulacji 20-50 mm. Do takiego złoża żwirowego doprowadza się pionową rurę – czerpnię, taką jak w wymienniku przeponowym. Dalej ułożoną poziomo rurą drenarską powietrze z czerpni jest rozprowadzane na całą szerokość wymiennika. Po przeciwnej stronie złoża znajduje się druga rura, którą powietrze jest zasysane do instalacji wentylacyjnej wewnątrz budynku. Średnica i materiał rur mogą być takie jak w wymienniku rurowym.
Powietrze ogrzewa się lub chłodzi, przepływając przez warstwę żwiru. Ma z nim bezpośredni kontakt. Żeby temperatura złoża była zawsze dodatnia, powinno być przykryte od góry grubą warstwą gruntu. W praktyce zwykle żwir zakopuje się płytko i przykrywa warstwą izolacji cieplnej, uzyskując efekt podobny jak przy dużym zagłębieniu wymiennika. Dzięki temu można uniknąć problemów z wykonaniem i kłopotów z wodą gruntową (spód złoża powinien być powyżej jej poziomu). Jeśli jest taka potrzeba, wymiennik można wykonać ponad terenem, a izolacja sprawi, że temperatura wewnątrz złoża będzie odpowiadała tej, jaką ma grunt na głębokości nawet 5 m.
Wymiennik płytowy
Wymiennik płytowy stanowi pewną modyfikację żwirowego GWC. Na pierwszy rzut oka wygląda podobnie, ale zamiast złoża żwirowego pod powierzchnią gruntu na podsypce żwirowo-piaskowej o grubości 5 cm układa się specjalne płyty ze szczelinami, wewnątrz których przepływa powietrze.
Konstrukcja płyt sprawia, że ma ono bezpośredni kontakt z gruntem. Od góry płyty przykrywa izolacja ze styropianu o grubości 12 cm zabezpieczonego folią. Całość jest zasypana gruntem rodzimym. Do wykonania wymiennika jest potrzebny wykop o powierzchni trzy-, czterokrotnie większej niż w przypadku złoża żwirowego.
Zaletą takiego rozwiązania jest przede wszystkim większa bezwładność cieplna przekładająca się na stabilność temperatury powietrza po przepłynięciu przez wymiennik. Wynika ona ze zdecydowanie większej niż w przypadku złoża żwirowego powierzchni kontaktu wymiennika z gruntem rodzimym, w którym jest akumulowane ciepło. Właściwie cały strumień powietrza przepływającego przez wymiennik ma z nim kontakt, podczas gdy w złożu żwirowym znaczna część powietrza przepływa wewnątrz złoża, z dala od gruntu. Z tego powodu ilość przekazywanej energii jest zdecydowane mniejsza, jeśli nie zadba się o tak zwaną regenerację złoża.
Cena i opłacalność wymienników ciepła
Entuzjastów gruntowych wymienników ciepła nie brakuje, a ich dotychczasowi użytkownicy na ogół są z nich bardzo zadowoleni. Oprócz komfortu zastosowanie GWC ma jednak przynieść przede wszystkim korzyści ekonomiczne.
Koszt wybudowania GWC dla domu jednorodzinnego, to 2-12 tys. zł w zależności od użytych materiałów (najdroższe są rury antybakteryjne), wkładu własnej pracy i stopnia skomplikowania. A zatem wcale niemało.
Efektywność, jak w przypadku każdego urządzenia korzystającego z energii czerpanej z natury, jest uzależniona od czynników atmosferycznych, czyli w dużej mierze przypadkowa i trudno ją z góry precyzyjnie określić.
Pamiętajmy, że poza zmniejszeniem kosztów ogrzewania zyskujemy też poprawę mikroklimatu latem dzięki nawiewaniu do wnętrz chłodnego powietrza. Skuteczność chłodzenia przez GWC można porównać z efektem działania prostego klimatyzatora przenośnego kosztującego blisko 1000 zł i w dodatku pobierającego kilkakrotnie więcej energii elektrycznej niż wentylatory rekuperatora. To również przemawia na korzyść gruntowego wymiennika i trzeba to uwzględnić w kalkulacji opłacalności.
Z teoretycznych rozważań wynika, że całkowite oszczędności wynikające z ogrzewania i chłodzenia powietrza przez wymiennik gruntowy mogą wynieść nawet kilkaset złotych rocznie. Im droższym paliwem ogrzewamy dom, tym większy będzie zysk.
