W tej części artykułu przedstawiono podstawowe rodzaje 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 tempera-tury 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 tempera-tury powietrza zewnętrznego odnotowane podczas wieloletnich (30 lat) obserwacji);
• dla gruntu na wybranej gbokości – wartości wyznaczonych z zależności matematycznej, opisującej zmienność temperatury gruntu w funkcji dnia roku oraz zagłębienia.

1. Rozkład temperatury gruntu i powietrza zewnętrznego w ciągu roku [1]. Obj.: zbiór punktów – średnia dobowa temperatura powietrza zewnętrznego; linia czerwona – linia trendu średniej dobowej temperatury powietrza zewnętrznego, linia niebieska – temperatura gruntu na głębokości 1,9 m

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.

2. Zasada działania gruntowego powietrznego wymiennika ciepła w zimie [2]

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.

3. Zasada działania gruntowego wymiennika ciepła w lecie [2]

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.

4. Przekrój przez żwirowy gruntowy wymiennik ciepła [5]. Obj.: 1– czerpnia powietrza zewnętrznego, 2 – kanał rozprowadzający powietrze w poziomie, 3 – złoże rozprowadzające, 4 – żwirowe złoże akumulacyjne, 5 – złoże zbierające powietrze, 6 – poziomy kanał zbierający, ujęcie powietrza do budynku, 7 – humus, ziemia, trawa, 8 – folia+styropian, 9 – grunt rodzimy, 10 – instalacja zraszająca

...pełna wersja artykułu w PI 12/12