Gruntowy wymiennik ciepła w zastosowaniu z wentylacją

Marta KOŚCIELSKA, Maciej ŻYRKOWSKI
Opiekun: Dr inż. Marcin RYWOTYCKI
GRUNTOWY WYMIENNIK CIEPŁA W ZASTOSOWANIU Z
WENTYLACJA MECHANICZNĄ.
1. WENTYLACJA
Podstawowym elementem każdego budynku jest system wentylacji.
Poprawnie zaprojektowany powinien zapewnić odpowiednią wymianę
powietrza, w przeciwnym wypadku może wystąpić tzw. Syndrom Chorego
Budynku (ang. SBS – Sick Building Syndrome) co stanowi poważne
zagrożenie dla zdrowia i samopoczucia mieszkańców. W nowoczesnym
budownictwie standardem staje się wentylacja mechaniczna, pozwalająca w
łatwy sposób kontrolować wymianę powietrza oraz odzyskiwać ciepło z
usuwanego powietrza. Ponadto, w przeciwieństwie do wentylacji
grawitacyjnej, jej działanie nie zależy od warunków atmosferycznych.
2. ODZYSK CIEPŁA
Odzysk ciepła w systemie wentylacji mechanicznej realizowany jest w
centrali wentylacyjnej za pomocą wymienników ciepła. Najczęściej
stosowane są krzyżowe wymienniki typu powietrze – powietrze w których
wymiana odbywa się przeponowo. Wyróżniamy wymienniki pojedyncze
oraz podwójne o zwiększonej sprawności. Schemat działania takiego
urządzenia opisuje rys. 1.
Rys.1. Źródło: www.ekoryniec.pl (2010r.)
3. GRUNTOWY WYMIENNIK CIEPŁA
Do wspomagania systemów wentylacji mechanicznej coraz częściej stosuje
się ciepło zawarte w ziemi. Promienie słoneczne ogrzewają grunt i na
głębokości ok. 1,5 m panuje już niemal stała dodatnia temperatura. Ciepło
to wykorzystać można poprzez tzw. gruntowe wymienniki ciepła. Zasada
ich działania polega na przepuszczeniu, przeponowo lub bezprzeponowo,
czynnika odbierającego lub oddającego ciepło do złoża gruntowego. Jak
wynika z rys. 2 możliwość wykorzystania ciepła zawartego w ziemi mocno
zależy od wilgotności i rodzaju gruntu.
Rys. 2. Źródło: www.solis.pl (2009r.)
Korzyści płynące z zastosowania gruntowego wymiennika ciepła widoczne
są zimą, kiedy temperatura powietrza spada poniżej 8°C, a także latem
kiedy wzrasta powyżej 24°C. Zimą, zamiast podawać mroźne powietrze do
centrali wentylacyjnej wprowadzamy je do wymiennika gdzie odbiera
ciepło od złoża gruntowego. Przy dobrze zaprojektowanym wymienniku
temperatura u jego wylotu nie powinna być nigdy niższa niż 0°C.
Rozwiązuje to problem zamarzania skroplin w centrali wentylacyjnej.
Latem istnieje możliwość ochłodzenia gorącego powietrza w analogiczny
sposób. System taki nie zastąpi klimatyzacji jednak nieporównywalnie
niższym kosztem pozwoli uzyskać w pomieszczeniach przyjemny chłód.
Schemat działania instalacji przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Źródło: www.rehau.pl (2009r.)
4. RUROWY WYMIENNIK CIEPŁA
Jest to pierwszy z wynalezionych wymienników i zarazem najprostszy w
konstrukcji. W podstawowej wersji jest to zakopane w ziemi kilkadziesiąt
metrów cienkościennej rury na końcu której znajduje się czerpnia
powietrza. Wykorzystywane jest przy tym zjawisko przewodzenia
cieplnego. Sprawność instalacji zależeć będzie od pojemności cieplnej
gruntu oraz od grubości i materiału rury wymiennika. Większa długość
zakopanej rury to większa powierzchnia wymiany cieplnej ale także
większe opory przepływu, czyli większe koszty energii potrzebnej na
przetłoczenie powietrza. Do budowy zamiast kolanek 90° powinno
stosować się dwa kolanka 45°, a ilość zakrętów powinna być jak
najmniejsza w celu zmniejszenia oporów przepływu.
Korzystna sytuacją dla rurowego wymiennika ciepła jest występowanie wód
gruntowych. Wymiennik taki należy starannie zaprojektować i dokładnie
wykonać tak aby nie występowały nieszczelności. Rurę zakopuje się na
głębokości 1,5-2 m z lekkim spadkiem umożliwiającym odprowadzenie
wilgoci. U wlotu do wymiennika instaluje się czerpnię powietrza
Rys. 4. Źródło: www.geo-went.pl (2010r.)
.
Przeprowadzone zostały szacunkowe obliczenia wymaganej długości
wymiennika, oraz kosztów wykonania i eksploatacji dla trzech rodzajów
stosowanych w tego typu wymiennikach rur. Efekty obliczeń przedstawia
tabela 1. a przykładową instalację rurowego wymiennika ciepła pokazano
na rys.4.
Tabela 1. Porównanie instalacji
5. ŻWIROWY WYMIENNIK CIEPŁA
Innym typem gruntowego wymiennika ciepła jest tzw. żwirowiec. Jak
wskazuje nazwa, idea jego działania polega na przepuszczeniu powietrza
przez złoże żwiru który bardzo dobrze akumuluje ciepło. W wymienniku
tym stosowane są rury perforowane umożliwiające przepływ powietrza
przez żwir. Wymiennik ten jest stosunkowo wydajny jednak złoże trzeba
regenerować. W praktyce, oznacza to np. działanie przez ok. 12 godzin i
tyle samo czasu na regenerację. Nie jest to jednak wielki problem przy
odpowiednim rozplanowaniu czasu pracy złoża. Jeżeli możemy sobie
pozwolić na dwa oddzielne złoża żwirowca, będą one mogły funkcjonować
na zmianę. W chwilach kiedy powietrze nie przepływa przez GWC, centrala
wentylacyjna korzysta z dodatkowej czerpni zamontowanej na ścianie
budynku.
Przeprowadzając proste obliczenia na podstawie bilansu energii Q=m•cw•ᴧT
dla złoża żwirowego oraz powietrza, można oszacować wymiary
wymiennika. Przyjęto przepływ wynoszący 200m3, ciepło właściwe gruntu
0,9 J/kgK, temperaturę zewnętrzna równą -20°C oraz wychłodzenie złoża
ok. 2°C dla 12 godzinnej pracy wymiennika. Z obliczeń wynika, że objętość
złoża żwirowego powinna wynosić 14m3. Taka metodyka obliczeń nie
uwzględnia jednak bardzo wielu ważnych czynników, np. przewodnictwa
cieplnego, przemian fazowych wody czy
Rys. 5. Źródło: www.forum.muratordom.pl (2009r)
transportu ciepła przez promieniowanie. Dlatego w praktyce przyjmuje się
większe wymiary złoża, dla danego przepływu będzie to ok. 20m3 żwiru.
GWC żwirowy buduje się kiedy poziom wód gruntowych jest stale niski a
okoliczna gleba nie jest gliniasty czy ilasta. Jeżeli woda jest wyżej, należy
podnieść całość tak żeby nie uległa zalaniu, grunt powyżej złoża
wypiętrzyć, aby wierzchnia warstwa ziemi była wystarczająco gruba, a
warstwę izolującą poprowadzić w odpowiedni sposób. Na położonym złożu
można zainstalować system zraszający w celu utrzymania stałej wilgoci.
Przykład takiej instalacji przedstawiono na rys. 5.
6. INNE TYPY GWC
Wymiennik płytowy
Jest to wymiennik bezprzeponowy o budowie modułowej. Umieszczany jest
płytko pod powierzchnią gruntu, na podsypce z płukanego żwiru i piasku.
Wymiennik ten musi być umieszczony powyżej wód gruntowych. Firma
Pro-vent produkująca wymiennik zastrzegła sposób budowy w urzędzie
patentowym.
Ziemny wymiennik ciepła
Wymiennik ten zbudowany jest z rurek wypełnionych wodą lub roztworem
glikolu. Płyn odbiera energię z gruntu i przekazuje ja do powietrza w
wymienniku typu woda-powietrze. Instalacja najlepiej sprawdza się w
sytuacji, gdy wody gruntowe znajdują się płytko pod powierzchnią.
Umieszczając wymiennik na poziomie wód gruntowych, można znacznie
ograniczyć niezbędną powierzchnię instalacji. Wymiennik taki możemy
umieścić także na dnie zbiornika wodnego. Analogiczną instalacją jest
poziomy gruntowy kolektor dla pomp ciepła.
Wymiennik w studni
Innym ciekawym pomysłem jest wykorzystanie studni i urządzenie w niej
mechanizmu znanego z chłodni kominowych. Woda jest wypompowywana
na pewną wysokość i rozpylana. Powietrze poruszające się w
przeciwprądzie odbiera ciepło od kropel. Zaleta takiego rozwiązania jest
bardzo duża skuteczność oraz uzyskanie naturalnego filtru antyalergicznego
i nawilżacza w jednym. Jest to jednak bardzo nowatorski pomysł i wymaga
on jeszcze gruntownego przetestowania. Najważniejsze pytanie dotyczyć
będzie czystości powietrza wewnątrz studni.
7. PODSUMOWANIE
Podsumowując, gruntowe wymienniki ciepła służą do wspomagania
systemów wentylacji w budynkach. Dzięki wykorzystaniu odnawialnej
energii z otoczenia można znacznie ograniczyć koszty ogrzewania. Nie ma
jednak jednoznacznej recepty która z wymienionych instalacji lepiej
sprawdzi się w danych warunkach. Przy projektowaniu takich instalacji
istotne jest, aby każdy budynek i każdy projektowany wymiennik
potraktować indywidualnie dobierając wielkość i parametry w zależności od
kubatury budynku, ilości przebywających w nim osób oraz rodzaju gruntu w
którym ma znaleźć się wymiennik. Warto również pamiętać, że korzystając
z takich rozwiązań technologicznych chronimy środowisko naturalne.
LITERATURA
[1]
S. Firląg: Współpraca wentylacji mechanicznej z GWC w budynku
pasywnym, Rynek Instalacyjny 3/2007, s.21-26.
[2]
A. Dębska: Gruntowe wymienniki ciepła,
www.rynekinstalacyjny.pl (2010 r.)
[3]
R. Tytko: Odnawialne źródła energii, Dimkor, Kraków 2007.
[4]
http://forum.muratordom.pl (2010 r.)
[5]
www.rehau.pl (2009 r.)
[6]
www.rekuperator.pl (2009 r.)
[7]
www.wentylacja.com.pl (2009 r.)
[8]
www.pro-vent.pl (2010 r.)