Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła – ciekawe rozwiązanie czy kosztowny gadżet?

W tej części artykułu przedstawiono podstawowe rodzaje gruntowych powietrznych wymienników ciepła (GPWC) , współpracujących z układami wentylacji mechanicznej w budynkach.

Dla każdego z wymienników omówiono zasady jego funkcjonowania oraz problemy wykonawczo-eksploatacyjne. W 2. części opracowania zostanie przedstawiona analiza ekonomiczna opłacalności stosowania wymienników.

Ciągła eksploatacja istniejących, nieodnawialnych źródeł energii oraz postępujące zmiany klimatyczne stają się problemem o zasięgu międzynarodowym. Stopniowe wyczerpywanie się zasobów energii przy równoczesnym wzroście jej zużycia sprawiają, że ceny nośników energii (gazu, prądu, ciepła) wciąż rosną. W skrajnym przypadku mogą one w przyszłości osiągnąć poziom dobra luksusowego, dostępnego jedynie dla najbogatszych mieszkańców Ziemi. Dlatego też, niezwykle istotnie są działania wspierające rozwój istniejących i powstawanie nowych technologii umożliwiających wykorzystanie odnawialnych źródeł energii oraz redukcję jej zużycia. Do źródeł odnawialnych zalicza się energię słoneczną, wiatrową, geotermalną oraz wodną. Jednym z rozwiązań zyskujących popularność w ostatnich latach, pozwalających wykorzystać energię geotermalną jest gruntowy powietrzny wymiennik ciepła (GPWC) współpracujący z instalacją wentylacji mechanicznej w budynku.


Zastosowanie i zasada działania
Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła, niezależnie od ich rodzaju wykorzystują ciepło/chłód zmagazynowane w gruncie pod powierzchnią ziemi – jest to tzw. energia geotermalna płytka. Wymienniki te wykorzystują właściwości akumulacyjne gruntu i utrzymywanie się na pewnej głębokości pod powierzchnią ziemi względnie stałej temperatury w okresie całego roku. Na rys. 1 przedstawiono przebieg zmienności temperatury powietrza zewnętrznego oraz temperatury gruntu na głębokości 1,9 m [1].

Naniesione na wykresie krzywe przebiegu temperatury określono na podstawie:

• dla powietrza zewnętrznego – danych meteorologicznych dla Poznania, prezentowanych na stronie internetowej Ministerstwa Środowiska (są to średnie wartości temperatury powietrza zewnętrznego odnotowane podczas wieloletnich (30 lat) obserwacji);
• dla gruntu na wybranej głębokości – wartości wyznaczonych z zależności matematycznej, opisującej zmienność temperatury gruntu w funkcji dnia roku oraz zagłębienia. Przebieg krzywych pozwala zauważyć wykorzystywane przez GPWC właściwości cieplne gruntu – spłaszczenie przebiegu i ograniczenie skrajnych wartości temperatury. Warstwa gruntu (lub izolacji stosowanej w niektórych typach gruntowych wymienników) ogranicza wpływ warunków atmosferycznych na temperaturę gruntu pod powierzchnią ziemi, zapewniając niewielkie jej wahania w okresie całego roku. Przyjmuje się, że temperatura gruntu na głębokości ok. 1,5 m mieści się w przedziale 4-8°C. Zasadę działania gruntowego wymiennika ciepła opisano na przykładzie rurowego wymiennika ciepła, przy czym przedstawione na rysunkach 2 i 3 wartości temperatury mają charakter orientacyjny.

Zima
W okresie zimowym (rys. 2) powietrze zasysane przez czerpnię powietrza ma temperaturę -15°C. Przepływając przez rurę wymiennika umieszczoną w gruncie o temperaturze 8°C stopniowo ogrzewa się, pozwalając uzyskać dodatnią temperaturę powietrza (2°C) „na wejściu” do budynku.

Lato
W okresie letnim (rys. 3) powietrze zasysane przez terenową czerpnię powietrza ma temperaturę 30°C. Przepływając przez rurę wymiennika, umieszczoną w gruncie o temperaturze 8°C, stopniowo ochładza się i o temperaturze 16°C jest nawiewane do budynku.

Zastosowanie GPWC może zapewnić szereg korzyści:

• dodatkową filtrację (oczyszczanie) powietrza dostarczanego do budynku (w zależności od zastosowanego rodzaju wymiennika);
• wstępny podgrzew powietrza w okresie zimowym, co pozwala na: ograniczenie kosztów ogrzewania, zwiększenie sprawności rekuperatora w centrali wentylacyjnej oraz zapobiega oszronieniu powierzchni wymiennika ciepła w centrali (dotyczy wymienników krzyżowych);
• regulację wilgotności powietrza (w okresie letnim i/lub zimowym w zależności od zastosowanego rodzaju wymiennika);
• nawiew chłodnego powietrza w okresie letnim, co może stanowić alternatywę dla niezależnego układu klimatyzacji w budynku.

Wpływ na osiągane efekty energetyczne ma:

• powierzchnia wymiany ciepła pomiędzy gruntem a przepływającym powietrzem;
• chwilowa różnica temperatury pomiędzy gruntem a przepływającym powietrzem;
• strumień objętości powietrza przetłaczanego przez wymiennik.

Autor: Arleta Bogusławska

Więcej informacji w artykule na stronach 31–35 Polskiego Instalatora 12/2012.