Urządzenia - Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła - GPWC

Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła (w skrócie GPWC) jest instalacją wspierającą i dopełniającą instalację wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Świeże powietrze czerpane z zewnętrz, zanim dotrze do instalacji wentylacyjnej wewnątrz budynku, przepływa przez GPWC umieszczony w gruncie sąsiadującym z budynkiem.
Zasada działania gruntowego powietrznego wymiennika ciepła polega na wykorzystaniu temperatury gruntu (oscylującej na poziomie ok. 8°C na głębokości ok. 1,5 m poniżej rzędnej terenu) do ocieplenia lub schłodzenia powietrza płynącego przez wymiennik zakopany w gruncie. Powietrze to jest następnie przekazywane do centrali wentylacyjnej (najczęściej rekuperatora) i rozprowadzane w budynku systemem przewodów wentylacyjnych. Doświadczenia pokazują, że dzięki zastosowaniu GPWC można podnieść temperaturę doprowadzanego powietrza nawet o 22 °C w zimie i obniżyć o 20 °C w lecie. Dzięki takiemu zabiegowi powietrze zasysane zimą do centrali wentylacyjnej zostaje wstępnie ogrzane, co przekłada się na mniejsze zużycie energii potrzebnej do podgrzania powietrza do wymaganej temperatury w danym obiekcie. Analogicznie w lecie w przypadku wystąpienia upałów powietrza po przejściu przez wymiennik ochłodzi się. Ponadto proces schładzania powietrza latem w GPWC prowadzi do powstania wody kondensacyjnej, czyli wykroplenia wilgoci zawartej w powietrzu. Obniżenie wilgotności powietrza latem wpływa zdecydowanie na poprawę jakości powietrza i zmniejsza odczucie ciężkiego oraz parnego powietrza.
 

Zasada działania GPWC latem

Zasada działania GPWC zimą

Wśród dostępnych na rynku rozwiązań GPWC można wymienić wymienniki powietrzne:
- rurowe (transport powietrza odbywa się specjalną rurą),
- płytowe (transport powietrza odbywa się przez płytową strukturę),
- żwirowe (transport powietrza odbywa się przez warstwę żwiru).
Bezpośrednio powietrze pełni rolę medium dla energii cieplnej przekazywanej przez wymiennik.
Spotyka się także wymienniki glikolowe (takie same jak stosuje się do pomp ciepła), gdzie ciepło z gruntu przekazywane jest najpierw do zamkniętego układu glikolowego, a potem do powietrza.
 
GPWC to również element projektu budynku.
Decyzję o montażu wentylacji mechanicznej należy podjąć już na etapie projektowania budynku. Decydując się na takie rozwiązanie, należy uwzględnić w projekcie umiejscowienie rekuperatora (najlepiej w pomieszczeniu gospodarczym, w piwnicy lub w garażu) oraz rozprowadzenie przewodów wentylacyjnych. GPWC najlepiej przewidzieć w momencie sporządzania projektu budynku. Wynika to przede wszystkim z konieczności określenia przestrzeni wymaganej do ułożenia GPWC w gruncie, wskazania miejsca wejścia wymiennika do budynku oraz usytuowania czerpni powietrza.
W projekcie należy określić moc grzewczą i chłodniczą wymiennika. Parametry te pozwolą ograniczyć przewidywaną  moc grzewczą zaprojektowanej instalacji grzewczej, tak żeby jej nie przewymiarować i niepotrzebnie przeinwestować. Specjalistyczne oprogramowanie do wyliczania tych danych oferuje np. firma Rehau (dostawca systemu GPWC AWADUKT thermo).
Średnio dla domu jednorodzinnego o powierzchni użytkowej ok. 150 m2 moc grzewcza samego GPWC waha się w granicach 3-4 kW. Dlatego o taką wartość możemy zmniejszyć projektowaną moc kotłowni. Pozwoli to zbilansować te oszczędności w kosztach inwestycyjnych systemu wentylacji mechanicznej z GPWC oraz odpowiednio obniży koszty eksploatacyjne mniejszej kotłowni.
 
GPWC a wody gruntowe
Chciałbym w tym miejscu obalić mit, jakoby nie jest wskazane układanie GPWC w przypadku wysokiego poziomu wód gruntowych. Problem ten dotyczy na pewno wymienników powietrznych typu płytowego lub żwirowego, gdzie powierzchnie wymiany ciepła mają bezpośredni kontakt z gruntem. W tych przypadkach wody gruntowe najzwyczajniej zaleją wymiennik i uniemożliwią przepływ powietrza. Natomiast w momencie stosowania rurowego wymiennika powietrznego takiego zagrożenia nie ma. Bliskość wód gruntowych wpływa korzystnie na działanie tych wymienników ciepła, ponieważ gwarantuje stałą i wyższą temperaturę gruntu, co przekłada się na wyższą efektywność i wydajność takich instalacji. Dodatkowo zapewniona jest lepsza i szybsza regeneracja cieplna gruntu.
System rurowego GPWC powinien gwarantować szczelność na przenikanie wód gruntowych nawet pod ciśnieniem do 2,5 bar. Dla przykładu w  rozwiązaniach firmy REHAU wymagana szczelność systemu uzyskana została m.in. dzięki specjalnej konstrukcji mufy z pierścieniem zabezpieczającym Safety-Lock, który mocuje uszczelkę na stałe w mufie i zabezpiecza ją przed wypięciem.
Układanie wymiennika w wodzie gruntowej jest związane z koniecznością tymczasowego osuszenia gruntu, starannego zagęszczenia gruntu wokół rur wymiennika i czasami wymiany tego gruntu. Przysparza to oczywiście dodatkowych problemów firmie wykonawczej, która często z tego względu odradza montowanie GPWC.
 
Jak układać rurowy GPWC?
Rury GPWC układa się tak samo jak rury kanalizacji zewnętrznej. Nie ma też obowiązku zachowania szczególnych przepisów w zakresie wykonywania podsypki. Przy wypełnianiu i wykonywaniu podsypki zalecane jest użycie gruntu rodzimego zamiast piasku, ponieważ przewodność cieplna piasku jest gorsza niż innych rodzajów gruntu (np. gliny). Spadek rurociągu powinien wynosić w kierunku przepływu co najmniej 2%. Odpływ kondensatu lub studzienkę zbierającą kondensat należy zainstalować w najniższym punkcie.
Średnica rur, długość instalacji oraz metoda ułożenia zależy w pierwszej kolejności od wielkości wymiany powietrza.
W celu zapewnienia stałych warunków oraz pożądanej częstotliwości wymiany powietrza, prędkość przepływu powietrza powinna mieścić się w granicach 1 – 3 m/s. Przekroczenie tej prędkości wpływa negatywnie zarówno na stratę ciśnienia, jak i wymianę ciepła.
Generalnie można wyróżnić dwa typy instalacji: pierścieniową (jednorurową) lub w formie Tichelmann’a, jak na schemacie poniżej:

Instalacja pierścieniowa

Instalacja w formie Tichelamnn`a

Wybór konkretnego typu ułożenia GPWC zależy głównie od dwóch czynników: ilość dostępnego miejsca (w tym również kolizje z innymi instalacjami) oraz wielkość instalacji.
 
Zwykłe rury PVC jako wymiennik?
Zdarza się, że zamiast specjalnych do budowy GPWC są używane rury z PVC, zamiast specjalnych rur przeznaczonych do tego celu. Nic bardziej błędnego! Zwykłe rury PVC są zbudowane z materiału, który nie jest przeznaczony do wymiany ciepła z gruntem. Podwyższona przewodność cieplna rur polipropylenowych przeznaczonych do GPWC umożliwia optymalną wymianę ciepła między zasysanym powietrzem a gruntem, co przekłada się na bardzo wysoką sprawność systemu. Ten parametr w przypadku zwykłych rur kanalizacyjnych z PVC jest kilkukrotnie mniejszy. Dodatkowo ze względu na działanie izolacyjne zamkniętego powietrza nie należy stosować rur kanalizacyjnych z rdzeniem spienionym lub rur dwuściennych strukturalnych (patrz rys. niżej).
 

Współczynnik przewodzenia ciepła różnych materiałów

Jeżeli do budowy GPWC zostaną użyte zwykłe rury kanalizacyjne z PVC, to aby uzyskać żądaną wymianę ciepła, trzeba ułożyć tych rur znacznie więcej. Owszem cena samego materiału na 1 m będzie mniejsza, ale licząc jego niezbędną ilość, może się okazać, że całkowity koszt okaże się wyższy. Koszty związane z wykonawstwem również wzrosną. Do tego może się okazać, że nie wystarczy przestrzeni na działce, żeby ułożyć tak długą instalację. Ponadto większy spadek ciśnienia przy dłuższych instalacjach wymaga zastosowania mocniejszych wentylatorów, co również należy zweryfikować przy doborze centrali wentylacyjnej.
 
Jakość powietrza w GPWC
Kontynuując powyższy wątek rur kanalizacyjnych z PVC wykorzystywanych do GPWC, należy zwrócić uwagę na to, że żadne tego typu rozwiązania nie mają dopuszczenia do stosowania w układach wentylacyjnych. Stanowią o tym względy higieniczne. Rury takie nie są zabezpieczone przed rozwojem drobnoustrojów, bakterii lub pleśni na ściankach wewnętrznych. Dlatego do systemów GPWC należy stosować wyłącznie produkty do tego przeznaczone i dopuszczone przez Państwowy Zakład Higieny oraz Instytut Techniki Budowlanej. Wskazane jest stosowanie rur z wewnętrzną powłoką antybakteryjną, która zapewnia higieniczne i czyste powietrze doprowadzane do budynku.
 
Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne a zwrot z inwestycji
Inwestycja związana z wentylacją mechaniczną z GPWC dla domu jednorodzinnego o powierzchni ok. 200 m² kształtuje się następująco:
 
 
                           

Koszty materiału
Gruntowy wymiennik ciepła	9 000 – 10 000 zł
Rekuperator Storkair	6 000 – 10 000 zł
Instalacja wentylacyjna wewnątrz budynku	3 000 –   7 000 zł
Koszty montażu
Gruntowy wymiennik ciepła	3 000 – 4 000 zł
Instalacja wentylacyjna	4 000 – 5 000 zł
Koszty łącznie	25 000 – 36 000 zł
Kalkulację przygotowała firma Rehau

 
Kalkulując koszty należy pamiętać, że już na samym starcie budowy domu, w którym przewidziano wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, oszczędza się na koszcie wykonania kominów do wentylacji grawitacyjnej. Jest to element, o którym inwestorzy często zapominają, a ich koszt może wynieść nawet 10.000 zł. Odejmując ten koszt, zmniejsza się zdecydowanie koszt całkowity wykonania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Trzeba jednak pamiętać o tym już na etapie projektowania domu, tak by decyzji o budowie wentylacji mechanicznej nie podejmować zbyt późno.
Doświadczenie pokazuje, że dzięki zastosowaniu gruntowego wymiennika ciepła w połączeniu z urządzeniem do odzysku ciepła (rekuperatorem) można zaoszczędzić na kosztach ogrzewania w okresie zimowym ok. 30%.
 
Koszty eksploatacyjne GPWC są niewielkie. Należy uwzględnić jedynie nieznaczne zużycie energii urządzenia wentylacyjnego. Poza tym konieczna jest regularna kontrola lub wymiana filtrów powietrza. W zależności od warunków środowiska, lokalizacji i klasy filtra, filtry na czerpni powietrza należy czyścić lub wymieniać co 6 – 12 miesięcy.
 

Jakub Koczorowski
Rehau

Ocena: brak ocen
Musisz się zalogować by móc ocenić ten artykuł.