Jednym ze sposobów jest dostosowanie temperatury powietrza zewnętrznego (zimą ogrzanie, latem schłodzenie) do wymagań dla danych pomieszczeń jeszcze przed wejściem do budynku – można to osiągnąć dzięki przepuszczeniu powietrza przez tzw. gruntowy wymiennik ciepła (GWC). Powietrze przed wejściem do budynku przechodzi przez odpowiednio zaprojektowany i wykonany układ wymiany ciepła. Zimą grunt oddaje ciepło przepływającemu strumieniowi powietrza, które znacząco ogrzewa się, latem ciepło ze strumienia powietrza jest oddawane do gruntu, a tym samym powietrze jest zauważalnie schładzane. Do budynku dopływa zatem powietrze o temperaturze dużo bliższej wartościom wymaganym w pomieszczeniu.

Możliwości wymiennika gruntowego

Grunt jest naturalnym zasobnikiem (akumulatorem) ciepła i pełni zależnie od pory roku funkcję „chłodnicy” lub „nagrzewnicy” dzięki temu, że na pewnej głębokości poniżej rzędnej terenu – w Polsce wynoszącej od 1 do 4 metrów – temperatura przez cały rok jest stała i niezależnie od warunków pogodowych wynosi ok. 8-10°C. Jeśli powietrze przepłynie z odpowiednią prędkością przez odpowiedni odcinek takiego wymiennika, spadek lub wzrost temperatury może być znaczący – średnio jest to kilkanaście stopni Celsjusza. Dzięki temu można uzyskać oszczędności związane z niższymi kosztami ogrzewania lub chłodzenia powietrza, a w przypadku rekuperacji – stosowania dodatkowych nagrzewnic zabezpieczających centralę wentylacyjną przed zamarzaniem. Warto też wspomnieć o dodatkowym aspekcie ekonomicznym: ponieważ działanie wymiennika gruntowego oparte jest o naturalne ciepło gruntu, mówimy o wykorzystaniu energii ze źródeł odnawialnych. Przekłada się to na możliwość wykorzystania narzędzi finansowych, np. kredytów preferencyjnych oferowanych na inwestycje związane z odnawialnymi źródłami energii. Skuteczność wymiennika gruntowego jest najbardziej zauważalna przy temperaturach ekstremalnych (szczytowych), szczególnie zimą: wówczas temperatura może wzrosnąć nawet o 20°C (22°C); zaś latem maksymalny spadek temperatury powietrza to ok. 10°C (16°C) – zależnie od konstrukcji wymiennika. Oznacza to, że szczyty temperaturowe są dużo mniej odczuwalne dla użytkownika. Należy jednocześnie zwrócić uwagę na problem ze stosowaniem wymiennika gruntowego w okresach przejściowych (wiosna, jesień) – temperatura powietrza zewnętrznego może być wówczas wyższa niż gruntu (np. 15°C), zatem przechodzenie powietrza przez wymiennik spowoduje niepotrzebne obniżenie temperatury powietrza wchodzącego do budynku. Rozwiązaniem jest zastosowanie przepustnicy i dodatkowej czerpni, czyli wyłączanie wymiennika wtedy, gdy jego działanie jest niekorzystne. Gruntowy wymiennik ciepła może współpracować praktycznie z każdym systemem wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej. Szczególnie zalecany jest do współpracy z centralami rekuperacyjnymi (z odzyskiem ciepła) – zimą po przejściu przez wymiennik powietrze dopływające do budynku ma zwykle temperaturę dodatnią, co chroni rekuperator przed zamarzaniem, bez stosowania dodatkowych nagrzewnic.

Zorganizowana wymiana ciepła

Ze względu na wymienione zalety, a także stosunkowo niską cenę wykonania i nieznaczny koszt eksploatacji, wymiennik może mieć szerokie zastosowanie – od domów jednorodzinnych po rozbudowane biurowce i centra handlowe. Ponieważ zasadniczą sprawą jest właściwie zorganizowany przepływ powietrza, gruntowy wymiennik ciepła wymaga odpowiednio dużej powierzchni, by płynące powietrze spędziło w gruncie wystarczająco wiele czasu, by zmienić temperaturę. Istnieje kilka konstrukcji wymienników gruntowych – ich zadaniem jest zapewnienie odpowiedniego przepływu powietrza przez grunt. Zasadniczą sprawą jest właściwe ukierunkowanie strumienia powietrza oraz nadanie mu odpowiedniej prędkości, by kontaktował się z gruntem przez odpowiednio długi czas. Strumień powietrza musi wejść pod ziemię (czerpnia); przepłynąć przez konstrukcję w gruncie, gdzie dokona się wymiana ciepła oraz po ogrzaniu/ochłodzeniu wejść do budynku poprzez odpowiednie ujęcie. Aby powietrze mogło przepłynąć przez grunt, przy doborze centrali wentylacyjnej lub wentylatorów należy dobrać urządzenie, które będzie miało wyższy spręż przy tej samej wielkości przepływu. Dodatkowe opory przepływu, które będzie musiał pokonać wentylator ssący, zależą od wielkości i konstrukcji wymiennika i powinny być starannie wyznaczone w projekcie (więcej na ten temat w dalszych częściach artykułu w kolejnych numerach).

Gruntowe wymienniki ciepła różnią się między sobą konstrukcją samego modułu pozwalającego na wymianę ciepła między gruntem a dopro- wadzanym powietrzem. Wyróżnić można wymienniki: żwirowy, w którym powietrze wymienia ciepło z gruntem przepływając przez kilkumetrową warstwę żwiru; rurowy, w którym powietrze płynie przez układ rur o dobrej przewodności cieplnej; glikolowy, w którym wymiana ciepła następuje między gruntem a glikolem płynącym w rurkach, ogrzewanie/chłodzenie powietrza następuje dzięki wymianie ciepła między powietrzem a glikolem; płytowy (autorska konstrukcja firmy Pro-Vent), będący systemem modułowym wykonanym z odpowiednich płyt, których konstrukcja zapewnia kontakt powietrza z gruntem; żwirowo-wodny (autorska konstrukcja firmy SWP), gdzie w złożu żwirowym następuje wymuszona cyrkulacja wody, która jest czynnikiem wymiany ciepła między gruntem a powietrzem.

Najpopularniejsze – żwirowe i rurowe

Najczęściej spotykane rozwiązania konstrukcyjne GWC to wymiennik żwirowy i rurowy. Konstrukcja wymiennika żwirowego to złoże płukanego żwiru, w którym powietrze jest osuszane i schładzane latem, a nawilżane i ogrzewane zimą. Żwir pełni funkcję gruntu, w którym zachodzą procesy wymiany ciepła, jednocześnie zaś łatwo następuje regeneracja złoża (powrót do stałej temperatury) dzięki kontaktowi z otaczającym wymiennik gruntem rodzimym. Powietrze z czerpni kierowane jest do poziomego kanału rozprowadzającego, który następnie równo dystrybuuje powietrze do kanałów pionowych. Kanały pionowe mają wyloty, którymi powietrze jest kierowane już do właściwego złoża. Kontaktując się bezpośrednio z ziarnami żwiru, powietrze zmienia swą temperaturę oraz jest filtrowane (oczyszczane z drobnych zanieczyszczeń mechanicznych). Po przejściu przez złoże powietrze kieruje się do analogicznych kanałów zbierających, a stamtąd przepływa do wejścia do budynku. Jedną z wątpliwości związanych ze stosowaniem wymiennika żwirowego jest jakość powietrza po przejściu przez grunt. Jak wykazały badania Sanepidu przeprowadzone na najstarszym polskim żwirowym wymienniku gruntowym, jakość mikrobiologiczna powietrza po przejściu przez złoże jest wręcz lepsza niż powietrza wchodzącego do złoża.

W wymienniku rurowym powietrze prowadzone jest przez system rur o wysokiej wartości przewodności cieplnej. Wysoka przewodność cieplna rur zapewnia dobrą sprawność wymiany ciepła, oczywiście pod warunkiem zachowania odpowiedniej prędkości w rurach (ok. 3 m/s). Innym ważnym czynnikiem są właściwości cieplne gruntu – najlepsze do współpracy z GWC są gliny i iły, najgorzej sprawdzają się piaski i żwiry. Wymienniki rurowe muszą być stosunkowo długie, dlatego stosuje się rozwiązania, w których właściwe rury odpowiedzialne za wymianę ciepła biegną równolegle (układ Tichelmanna) lub pierścieniowo. Niezwykle istotną rolę odgrywa tu dobry projekt – rury nie tylko muszą mieć odpowiednią dla wielkości budynku długość i średnicę, ale też muszą być odpowiednio rozmieszczone (odległości między nitkami równoległymi), by wymieniały ciepło z gruntem nie oddziałując na siebie nawzajem. Rury, z których budowany jest gruntowy wymiennik ciepła, to zazwyczaj wyroby z tworzyw sztucznych, głównie PVC lub polietylenu. Spotyka się zarówno rury sztywne, jak i elastyczne (flex). Aby zabezpieczyć rury przed rozwojem na ich powierzchni drobnoustrojów, niektórzy producenci stosują odpowiednią powłokę zawierającą jony srebra. Aby uniemożliwić rozwój bakterii i grzybów należy – jest to szczególnie istotne przy większych wymiennikach – zapewnić odprowadzenie kondensatu.

Nowe rozwiązania GWC

Mniej popularne są wymienniki płytowe, glikolowe i żwirowo-wodne. Nowe rozwiązania dążą do wyeliminowania często podnoszonych problemów i obaw związanych z wymiennikami „tradycyjnymi” – oporów przepływu powietrza, głębokości posadowienia wymiennika, efektywności wymiany ciepła czy czystości biologicznej powietrza. Wymiennik płytowy (bezprzeponowy) firmy Pro-Vent to konstrukcja wykonana ze specjalnych płyt, które zapewniają przepływ szczelinowy. Dzięki temu powietrze kontaktuje się bezpośrednio z gruntem, co z jednej strony bardzo obniża opory powietrza (wymagany mniejszy spręż wentylatora), a z drugiej zapewnia wysoką efektywność wymiany ciepła. Wymiennik glikolowy działa na nieco innej zasadzie: wymiana ciepła odbywa się dwustopniowo. W gruncie umieszczone są rury, w których płynie ok. 30% roztwór glikolu (alkoholu odpornego na zamarzanie). Czynnik ten wymienia ciepło z gruntem, a następnie w wymienniku glikol-powietrze ciepło jest przekazywane do powietrza wentylacyjnego.

Wymiennik wodno-żwirowy firmy SWP opiera się na przekazywaniu ciepła z gruntu do wody cyrkulującej w złożu żwirowym (ruch wody zapewnia odpowiednia pompa). Woda zapewnia stałą i wyrównaną w całej objętości temperaturę złoża. Ze złoża ciepło przekazywane jest do powietrza, które płynie w kanałach aluminiowych.

Co nieco o kontrowersjach wokół GWC

Gruntowe wymienniki ciepła są wykonywane jako konstrukcje podziemne. Ponieważ potrzebna jest odpowiednia objętość złoża żwirowego lub powierzchnia rur zapewniająca efektywną wymianę ciepła, wymagają stosunkowo sporej przestrzeni. Powierzchnię, pod którą prowadzony jest wymiennik można zazwyczaj zagospodarować jako teren rekreacyjny (np. trawnik), ale nie wszyscy inwestorzy dysponują działkami do takiego zagospodarowania. Dlatego jedną z możliwości wykonania wymiennika gruntowego rurowego jest umieszczenie go pod fundamentami budynku – rozwiązanie to często pojawia się w przypadku dużych obiektów, jak supermarkety, pojawiają się jednak opinie o wadach tego rozwiązania, związanych na przykład z osiadaniem budynku. Między firmami oferującymi oba najpopularniejsze typy wymienników trwa dyskusja dotycząca przede wszystkim efektywności urządzenia, jakości biologicznej przygotowywanego powietrza oraz kosztów wykonania. Warto przy tym wspomnieć, że w praktyce dobrymi referencjami mogą pochwalić się oba typy obiektów. Gruntowe wymienniki ciepła mogą obsługiwać zarówno domy jednorodzinne, jak i duże obiekty typu biurowce czy markety, a przykładami dużych wymienników są: największy w Polsce żwirowy wymiennik dla biurowca Exbud Skanska (przepływa przez niego 137 000 m³ powietrza/h) i największy na świecie wymiennik rurowy, wykonany dla marketu Tesco w Lubartowie. Wreszcie, wątpliwości budzi rzeczywista skuteczność wymiennika – czy koszt jego budowy i zużycia prądu przez wentylator zwraca się dzięki oszczędnościom nakładów poniesionych na energię konieczną do ogrzewania i chłodzenia. W kolejnych numerach, w dalszych częściach artykułu, pojawi się więcej informacji o kontrowersjach wokół GWC oraz najczęściej występujące argumenty pojawiające się w różnych sporach technicznych.

Katarzyna Cesluk