Gruntowy wymiennik ciepła – najprostsze i najtańsze

Gruntowy wymiennik ciepła to urządzenie służące do wstępnego ogrzewania lub schładzania powietrza pobieranego na potrzeby wentylacji domu. Nie pobiera on jednak energii do podgrzewania lub schładzania powietrza, lecz jedynie do jego ruchu. Rolę podgrzewacza pełni grunt, który na pewnej głębokości, posiada niemal stałą temperaturę wynoszącą ok. 10 oC. Powietrze wpada do czerpni, a następnie przepuszczane jest przez warstwę gruntu, dzięki czemu jego temperatura stabilizuje się. Taki system wentylacji sprawia, że do domu trafia powietrze, które jest już wstępnie ogrzane w zimie. W przypadku skrajnych mrozów GWC jest w stanie ogrzać wpadające powietrze nawet o 20 stopni. Gruntowe wymienniki, działają również latem, schładzając gorące powietrze z zewnątrz. Dzięki wykorzystaniu wymienników, temperatura powietrza wentylującego dom jest stała, a jej zmiana w ciągu miesiąca niezauważalna. Różnice temperatur pojawiają się w cyklach wielomiesięcznych.

 

Gruntowe wymienniki ciepła to rozwiązania tak proste, że niemal każdy byłby w stanie wykonać je sam. Ogólnie możemy je podzielić na:

  • przeponowe – w których istnieje przepona, czyli warstwa oddzielająca, pomiędzy powietrzem a gruntem, między którymi zachodzi wymiana ciepła. Do takich wymienników zalicza się wymienniki rurowe – czyli, najprościej rzecz ujmując, rury zakopane w ziemi na odpowiedniej głębokości, przez które płynie powietrze, które ogrzewa się bądź ochładza od otaczającego je gruntu.
  • bezprzeponowe – w których wymiana ciepła zachodzi bezpośrednio miedzy powietrzem a odpowiednio przygotowanym do tego celu gruntem. W tej grupie znajdują się wymienniki płytowe i żwirowe.

Wymienniki rurowe


Są to wymienniki przeponowe, zbudowane z rur PCV lub innych tworzyw wkopanych w ziemię. Powietrze nie ma tu bezpośredniego kontaktu z gruntem, a wymiana ciepła zachodzi przez ściany rur. Najczęściej tego typu wymienniki buduje się w układzie spiralnym – w którym rura biegnie na około domu, oczywiście z zachowaniem odległości od fundamentów. Należy pamiętać, aby zachować odpowiedni spadek rur, który w letnim okresie będzie w stanie odprowadzić skropliny, mogące być przyczyną zanieczyszczenia powietrza. Również kierunek ruchu powietrza powinien być zgodny z kierunkiem spadku rur ułatwiając usuwanie wody. Często rury układa się rozdzielnie (tzw. układ Tichelmana), czyli rozgałęzienia równoległe o mniejszej średnicy. Pozwala to uzyskać większą powierzchnię wymiany cieplnej. Następnie powietrze wpada do rury zbiorczej kierującej je do domu. Rury zabezpieczone są filtrami, które uniemożliwiają przedostanie się zanieczyszczeń. Niektóre firmy proponują również rozwiązania rur aseptycznych, wyścielonych jonami srebra, w celu poprawy właściwości bakteriobójczych.


Wymienniki żwirowe

W wymienniku tego typu, powietrze przez niego przepływające ma bezpośredni kontakt ze złożem. Jest to bardzo prosty, tani a za razem bardzo wydajny system, który niemal każdy jest w stanie skonstruować. Budowa żwirowego wymiennika ciepła oparta jest o złoże (z płukanego żwiru lub granitu), przez które przepuszczane jest powietrze. Złoże pokryte jest warstwą, która uniemożliwia przedostawanie się wód gruntowych, oraz dodatkowo ocieplone od góry, aby zwiększyć jego bezwładność cieplną. Dzięki temu zmiany temperatury powietrza zewnętrznego są niemal nieodczuwalne. Niestety pojedynczy wymiennik nie jest w stanie pracować w cyklu ciągłym.  Ze względu na czas regeneracji proponowane są rozwiązania tzw. wymienników syjamskich, w których występują dwa złoża w jednym zagłębieniu pracujące na zmianę. Największymi zaletami wymienników żwirowych są niewielkie koszty (tańsze niż klimatyzacja – a zapewnia 100% zapotrzebowania na chłód w lecie), prostota wykonania i trwałość – potrafią pracować kilkanaście a nawet kilkadziesiąt lat bez ingerencji człowieka.

Wymienniki płytowe


Jest to kolejne rozwiązanie bazujące na bezpośredniej wymianie ciepła z gruntem, posiadające bardzo wysoką sprawność. Wymienniki płytowe zbudowane są z segmentów, które mogą znajdować się już 70 cm pod powierzchnią gruntu, co sprawia, że mogą być stosowane w miejscach, gdzie wody gruntowe znajdują się płytko. Płytę wymiennika umieszcza się pod ziemią na żwirowej podsypce tak, że pod nią tworzy się strefa wymiany cieplnej. Na płycie umieszczana jest warstwa termoizolacji, dzięki której w miejscu wymiany ciepła, odtwarzane są warunki takie, jakie znajdują się znacznie głębiej pod ziemią. Do płyty powietrze doprowadzane jest z jednej strony, a odbierane z drugiej. Zaletą tego typu wymienników jest możliwość umieszczenia ich w obrysie fundamentów budynku. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie jesteśmy zmuszeni do wykopywania dużych powierzchni.

Wymienniki gruntowe charakteryzuje jeszcze jeden istotny element – w znacznym stopniu są w stanie oczyszczać powietrze z bakterii czy wirusów. Wbrew pozorom na ich właściwości oczyszczające nie ma wpływu czas ich funkcjonowania. Jak dowodzą badania przeprowadzone przez sanepid, nawet po 15 latach pracy ilość drobnoustrojów i alergenów w powietrzu za wymiennikiem jest niższa niż w tym, które do niego wpada. Kolejną korzyścią wynikającą z użycia GWC jest utrzymywanie odpowiedniej wilgotności powietrza, które w lecie jest osuszane, a w zimie nawilżane.

Często spotykanym zastosowaniem GWC, poza bezpośrednią wentylacją pomieszczeń domowych, jest zasilanie systemów rekuperacji. Niesie to za sobą wiele korzyści związanych ze znacznie wydajniejszą pracą rekuperatora, możliwością ciągłego pobierania świeżego i czystego powietrza praktycznie eliminując straty ciepła.

Oczywiście nie jest to jedyne wykorzystanie GWC w systemach łączonych. Powietrze przepływające przez wymiennik świetnie nadaje się do wykorzystania przez powietrzną pompę ciepła. W naszym klimacie takie rozwiązanie świetnie się sprawdza, ponieważ wraz ze spadkiem temperatury poniżej zera, praca pompy jest bardzo mało wydajna. Należy pamiętać, że sprawność pompy ciepła (COP), zależy od różnicy temperatur górnego i dolnego źródła, zatem ustabilizowanie temperatury przez GWC oraz jej stały zakres sprawi, że pompa będzie działać znacznie wydajniej. Więcej na temat pomp ciepła znajdą Państwo tutaj.

Gruntowe wymienniki ciepła to urządzenia, które pozwalają na znaczne obniżenie rachunków za energię w zimie, ale również umożliwiają chłodzenie domu w lecie. Posiadają też wiele niewymiernych, lecz trudnych do pominięcia zalet, jak utrzymywanie odpowiedniej wilgotności i czystości powietrza. Szczególną uwagę należy zwrócić na ich stosunkowo niską cenę, ale także prostotę, a co za tym idzie, bardzo małą awaryjność i niskie koszty eksploatacji.

Projekt „Centrum Technologii Energetycznych Powiązania Kooperacyjnego Dolnośląskiego Klastra Energii Odnawialnej” jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego zgodnie z zasadami działania 5.1 Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013