Porównanie gruntowych powietrznych wymienników ciepła.
Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła (GPWC) to urządzenia, które wykorzystują energię zgromadzoną w gruncie do podgrzewania lub chłodzenia powietrza wentylacyjnego. GWC mogą być zastosowane w budownictwie niskoenergetycznym i pasywnym jako uzupełnienie systemu wentylacji mechanicznej z rekuperacją. W tym artykule porównamy różne rodzaje GWC pod względem wydajności, czystości i higieny powietrza, konstrukcji i kosztów.
Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła jest urządzeniem służącym do ogrzewania lub chłodzenia powietrza wentylacyjnego za pomocą energii zgromadzonej w gruncie. GPWC składa się z rur umieszczonych na niewielkiej głębokości pod ziemią, przez które przepływa powietrze napędzane przez wentylator.
W zależności od pory roku, powietrze to może być cieplejsze lub chłodniejsze niż temperatura zewnętrzna, co pozwala na oszczędność energii i poprawę komfortu termicznego w budynkach. GWC jest przyjaznym dla środowiska rozwiązaniem, ponieważ nie emituje zanieczyszczeń ani hałasu, a także wykorzystuje odnawialne źródło energii.
Na rynku dostępne są różne rodzaje GWC, które można podzielić na:
- Rurowe GWC – są to rury z tworzywa sztucznego lub metalu, które układane są w gruncie na głębokości około 1,5-2 m i mają długość od kilkudziesięciu do kilkuset metrów. Powietrze przepływa przez rury i wymienia ciepło z gruntem.
- Żwirowe GWC – są to rury umieszczone w specjalnie przygotowanym złożu żwirowym lub piaskowym, które ma lepszą przewodność cieplną niż grunt naturalny. Powietrze przepływa przez złoże i wymienia ciepło z żwirem lub piaskiem.
- Płytowe GWC – są to płyty z tworzywa sztucznego lub metalu, które układane są płytko pod powierzchnią terenu (około 0,7 m) i mają dużą powierzchnię wymiany ciepła. Powietrze przepływa w bezpośrednim kontakcie z płytami i wymienia ciepło z gruntem.
- Grzebieniowe GWC – są to płyty z tworzywa sztucznego lub metalu, które mają kształt grzebienia i układane są płytko pod powierzchnią terenu (około 0,7 m). Powietrze przepływa w szczelinach między zębami grzebienia i wymienia ciepło z gruntem.
Najlepsze warunki panują na głębokości 7 metrów gdzie temperatura w ziemi na tej głębokości zależy od strefy przemarzania gruntu, w której się znajdujemy. W Polsce są cztery takie strefy, oznaczone od I do IV. Im wyższa strefa, tym głębiej zamarza grunt i tym chłodniejszy jest na tej głębokości. Na przykład, w strefie I temperatura w ziemi na głębokości 7 m wynosi około 10 °C przez cały rok, natomiast w strefie IV temperatura ta spada do około 8 °C.
Temperatura w ziemi zależy także od pory roku i rodzaju gruntu. Zimą temperatura w ziemi jest wyższa niż temperatura powietrza, a latem jest odwrotnie. Dlatego też jesteśmy wstanie pozyskać darmową energię cieplną w zimie i chłodniczą w lecie którą następnie jesteśmy wstanie wykorzystać dzięki rekuperacji.
Należy również pamiętać iż grunt suchy i piaszczysty ma mniejszą pojemność cieplną niż grunt wilgotny i gliniasty, co oznacza, że szybciej się nagrzewa i szybciej stygnie.
Wydajność GWC zależy od wielu czynników, takich jak:
• Warunki termiczne – temperatura i wilgotność gruntu oraz powietrza zewnętrznego i wentylacyjnego.
Żwirowy, płytowy i grzebieniowy GWC nad złożem stosuje się izolację z styropianu o grubości około 15 cm, co pozwala osiągać takie same temperatury, jak na głębokości 7m. W wymienniku rurowym z powodu dużych długości rur nie stosuje się izolacji. Na głębokość posadowienia rury ~2m, jest mniej korzystna temperatura i z zasady gorsze parametry termiczne.
• Regeneracja termiczna – zdolność gruntu do odzyskiwania energii cieplnej po okresie intensywnej pracy GWC.
Podczas pracy GWC ciepło z powietrza kumuluje się w gruncie, co zmniejsza różnicę temperatur i sprawność termiczną. Im więcej pracującego gruntu tym lepiej. Najbardziej odporne na kumulacje ciepła są wymienniki rurowe (zajmują najwięcej miejsca). Dobrze radzą sobie płytowy i grzebieniowy (płaskie rozległe złoże, kontaktujące się z dużą ilością gruntu). Najgorzej pracuje żwirowy GWC, którego złoże jest zbliżone do sześcianu, zaleca się tu pracę z przerwą na regenerację termiczną.
• Równomierność pracy – równomierne rozłożenie przepływu powietrza po całej długości lub powierzchni GWC.
Na wejściu do GWC różnica temperatury pomiędzy powietrzem i gruntem jest duża i mamy tu intensywną wymianę ciepła. Przy wyjściu powietrze ma temperaturę zbliżoną do gruntu, mała różnica temperatur i mała wymiana ciepła. Praca GWC jest nierównomierna. Innym problemem jest przepływ powietrza na które działają siły bezwładności (tzw. ciśnienie dynamiczne) - powietrze płynie prosto i „nie chce” skręcać. Występuje obszar GWC, gdzie przepływa mała ilość powietrza –mamy znikomy przepływ ciepła.
Nierównomierność pracy obniża efektywność pobierania ciepła z gruntu. Ma też znaczenie dla wymienników umieszczonych pod fundamentem. „Zimna” strona na wejściu wymiennika, może powodować miejscowe przemarzanie i ruchy wysadzinowe pod posadzką.
Najlepszą kulturą pracy wyróżnia się GrzebieniowyGWC. Powietrze jest rozprowadzane po całym wymienniku przez rury perforowane i zmiana temperatury następuje na stosunkowo krótkich odcinkach, pomiędzy parami rur perforowanych – nie występuje strona zimna i ciepła. Zastosowane mufy połączeniowe do rur perforowanych mają kierownice powietrz, które „wyłapują” powietrze z przepływającego strumienia co generuje jednakowy przepływ na całej powierzchni GWC.
• Opory przekazywania ciepła – opór cieplny rur lub płyt oraz opór hydrauliczny powietrza.
Wymiennik płytowy i grzebieniowy mają opory około 15Pa (opory samego wymiennika, bez czerpni i kolektorów doprowadzających powietrze). Pojedynczy rurowy GWC ma opory około 25Pa. Najgorzej wypada GWC żwirowy z oporami około 100Pa. Często występuje tu konieczność instalowania dodatkowych wentylatorów wspomagających.
• Czystość powietrza
Wymiennik żwirowy i grzebieniowy pracują jak naturalny filtr powietrza. Na ziarenkach żwiru osadzają się drobne zanieczyszczenia (adsorpcja). Publikowane są badania powietrza po 30-to letniej eksploatacji wymiennika żwirowego, gdzie ilość zarodników grzybów i bakterii zmniejszyła się kilkanaście razy. Badania powietrza pokazują skuteczność dla filtracji drobnych cząstek smogu PM2,5 i PM1,0.
W wymienniku płytowym powietrze przepływa pod płytami z dużą prędkością (od 1 do 3 m/s). Brakuje fizycznych podstaw do zaistnienia procesu filtracji. Publikowane przez producenta wyniki badania czystości powietrza wynikają raczej z dobrej jakości filtra stosowanego w czerpni. Badania te jednak potwierdzają bezpieczeństwo bezprzeponowych wymienników podczas długoletniej eksploatacji.
Źle wypada wymiennik rurowy. Na wilgotnych ściankach rur może pojawić się pleśń. Stosuje się rury z specjalną bakteriobójczą powłoką. Dodatkowo zaleca się regularne mycie wymienników (kłopotliwy proces).
• Wilgotność
Zimą mroźne powietrze zawiera bardzo mało wilgoci. Powietrze może być nawilżone w GWC od naturalnej wilgoci gruntu. Najlepiej nawilża wymiennik płytowy i grzebieniowy, gdzie istnieje duża powierzchnia kontaktu powietrza z gruntem. Trochę gorzej pracuje wymiennik żwirowy. Rurowy GWC jest wymiennikiem przeponowy i nie nawilża powietrza.
• Specjalne kruszywo: dolomit, zeolit.
Pojawiły się oferty na GWC ze specjalnym kruszywem dolomitem lub zeolitem. Brak jest miarodajnych badań potwierdzających skuteczność dla powietrza wentylacyjnego (są tylko opisy bez wartości liczbowych). Z drugiej strony istnieje ryzyko kumulacji zanieczyszczeń z powietrza w porach kruszywa i w konsekwencji pogorszenie jakości powietrza. Moim zdaniem w złożach GWC najbezpieczniej jest stosować nienasiąkliwy i obły (zmywalny) żwir.
• Wytrzymałość na obciążenia
Dla wymienników pod fundamentami wymagana jest tu duża odporność na obciążenia, szczególnie w przypadku umieszczenia GWC pod fundamentem płytowym.
W wymienniku rurowym trzeba stosować rury o odpowiedniej wytrzymałości (najlepiej SN8) i starannie zagęszczać piach wokół rur.
Wymiennik żwirowy jest odporny na ściskanie, ma jednak głębokie posadowienie (około 2m). Jest ryzyko naruszenia spoistości gruntu rodzimego pod fundamentami. Musi być odsunięty od fundamentów. Jego instalacja jest problematyczna.
W wymienniku płytowym występuje zagrożenie ugięcia płyt oraz zagłębienia się ich podpór w podłoże. Trzeba starannie wykonywać podbudowę pod płyty (odpowiednia gęstość i nośność).
GrzebieniowyGWC wykonany z rur o wytrzymałości SN8 i nieściśliwego żwiru i jest bardzo wytrzymałą konstrukcją, odporną na błędy wykonawcze.
• Wody gruntowe
Wymiennik rurowy jako jedyny jest odporny na wysoki poziom wód gruntowych. Pozostałe wymienniki muszą być posadowione powyżej poziomu wód gruntowych. Dodatkowe problemy pojawiają się w żwirowych wymiennikach w związki z głębokim posadowieniem złoża żwirowego.
• Instalacja zroszeniowa
Podczas długotrwałych upałów wymienniki gruntowe ulegają przegrzaniu. Temperatura nawiewu rośnie powyżej 20°C. Rozwiązaniem jest instalacja zroszeniowa. Woda zraszająca złoże niesie z sobą dużo chłodu. Dodatkowo wilgotny grunt lepiej się regeneruje. Instalacja jest używana awaryjnie (przy ekstremalnych upałach) i zużywa relatywnie mało wody.
Łatwiejsze do wykonania instalacje można zrobić samodzielnie lub zlecić ekipie budowlanej. Te bardziej skomplikowane lepiej zlecić autoryzowanym wykonawcom.
• Rurowy GWC - Przy dużej długości rur łatwo o błąd spadku, co skutkuje zastoiną wody w rurze (miejscowe wygięcie rury w kształcie „U”). W stojącej wodzie pojawia się pleśń i nieświeży zapach. Trudność wykonania: średnia.
• Płytowy GWC - Niedostateczna nośność podłoża może powodować zagłębienie płyt w gruncie. Podłoże powinno być wykonane starannie z starannie zagęszczonej mieszaniny odpowiednich frakcji żwiru i piachu. Trudność wykonania: duża.
• Żwirowy GWC - Żwirowe wymienniki są stosunkowo łatwe do wykonania. Wyzwaniem jest zapewnienie czystości żwiru (dodatkowo płukany na budowie), którego w żwirowym GWC jest dużo. Instalacja wymaga staranności nie umiejętności. Trudność wykonania: mała.
• GrzebieniowyGWC - Producent oferuje szczegółową, przystępną instrukcję wykonania. Korzystną opcją dla inwestorów jest możliwość wykonania wymiennika przez ekipę budowlaną, która stawia budynek. Wymiennik można też wykonać samodzielnie. Trudność wykonania: mała.
Cena zależy od rodzaju i wielkości wymiennika. Najlepiej przesłać kilka zapytań i uzyskać wyceny dla konkretnej instalacji. Na cenę ma wpływ koszt materiałów i robocizny.
• Rurowy GWC - Wykonany z zwykłych rur PVC wydaje się być najtańszym rozwiązaniem. Jednak jakość powietrza ulega tu pogorszeniu. Poprawnie wykonany wymiennik z rur z wkładką antybakteryjną o odpowiedniej długości i głębokości posadowienia, jest rozwiązaniem drogim. Dochodzą koszta okresowego przemywania instalacji. Rurowy GWC będzie raczej drogim rozwiązaniem.
• Płytowy GWC - Płyty do wykonania wymiennika to duże gabarytowe elementy produkowane metodą pół-seryjną i mają wysoki koszt wytworzenia. Dochodzi koszt montażu przez specjalizowaną ekipę. Płytowy GWC to rozwiązanie z wyższej półki cenowej.
• Żwirowy GWC - Wymiennik wykonany z ogólnodostępnych materiałów. Często wykonywany samodzielnie przez inwestorów. Jeżeli nie liczymy kosztów robocizny może to być najtańsze rozwiązanie.
• GrzebieniowyGWC - Wykonywany w większości z standardowych materiałów. Dostępna opcja, wykonania wymiennika przez brygadę wykonującą fundamenty. Przy uwzględnieniu robocizny, jedno z najbardziej opłacalnych rozwiązań.
GWC stawia dodatkowy opór dla powietrza wentylacyjnego. Nie są to duże wartości. Przykładowo przy dodatkowym oporze 30Pa silnik zużywa 5W mocy więcej co stanowi roczny koszt około 20zł. Wartość pomijalna. Większe wartości otrzymujemy dla żwirowego GWC, gdzie mamy opory około 120Pa i wydamy na dodatkową energię elektryczną około 80zł rocznie. W wymienniku rurowym dochodzi koszt okresowego przemywania. Orientacyjny koszt 200zł rocznie (robocizna)
Rekuperator zamarza przy ujemnych temperaturach. Podczas mrozów na wejściu do rekuperatora trzeba podgrzewać powietrze grzałkami elektrycznymi. Zastosowanie GWC pozwala utrzymywać dodatnią temperaturę powietrza na wejściu do rekuperatora i jest to jego podstawowe zadanie zimą. Mniejsze znaczenie ma wysokość temperatury z GWC (ważne żeby była dodatnia), gdyż wysoka sprawność rekuperatorów sprawia, że temperatura nawiewu będzie zawsze zbliżona do temperatury pobieranego z pomieszczeń powietrza.
Liczba dni z upałem jest niewielka i ilość zaoszczędzonej energii przez GWC (w porównaniu do klimatyzatora) jest stosunkowo nieduża. Jednak efekt schłodzenia powietrza wentylacyjnego ma duże znaczenie dla komfortu mieszkania. Największym zyskiem jest tu brak konieczności montowania klimatyzatorów.
Gruntowy wymiennik ciepła to urządzenie opłacalne. Korzystnie wpływa na jakość powietrza wentylacyjnego i komfort mieszkania. Koszt instalacji zwraca się w akceptowalnym okresie, a dla niektórych konstrukcji jest bardzo krótki. Z pewną rezerwą należy podchodzić do reklamowanych osiągów GWC. Producenci mogą stosować przewymiarowane konstrukcje i przy niedużych przepływach powietrza chwalić się temperaturą nawiewu bliską 10°C (i latem i zimą). W praktyce, wyniki będą się znacząco różniły. Przy analizie różnych ofert należy zwrócić uwagę na wielkość (powierzchnię) wymiennika. Im więcej tym lepiej.
Tytułem podsumowania poniżej pokazano tabelę z oceną różnych aspektów GWC. W tabeli zastosowano skalę ocen: od 1 – bardzo źle, do 5 – bardzo dobrze.
Porównanie gruntowych powietrznych wymienników ciepła
Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła (GPWC) to urządzenia, które wykorzystują energię zgromadzoną w gruncie do podgrzewania lub chłodzenia powietrza wentylacyjnego. GWC mogą być zastosowane w budownictwie niskoenergetycznym i pasywnym jako uzupełnienie systemu wentylacji mechanicznej z rekuperacją. W tym artykule porównamy różne rodzaje GWC pod względem wydajności, czystości i higieny powietrza, konstrukcji i kosztów.
