Gruntowy wymiennik ciepła

W nowoczesnym budownictwie pojęcie gruntowego wymiennika ciepła pojawia się w dwóch dziedzinach. Te dwa rodzaje wymienników bardzo się od siebie różnią i dlatego postanowiłem omówić je w jednym artykule, lecz osobno.

Zadaniem gruntowego wymiennika ciepła jest odebranie ciepła (lub chłodu) od gruntu, w którym został on wykonany. Czynnik, który odbiera to ciepło a także cel jego odebrania może być bardzo różny.

Gruntowy wymiennik ciepła w wentylacji

Gruntowy wymiennik ciepła jest urządzeniem, które pozwala ograniczyć straty ciepła w drodze wentylacji. Te straty ciepła polegają na tym, że dla zapewnienia odpowiedniej wilgotności w pomieszczeniach konieczne jest dostarczanie do nich powietrza z zewnątrz – suchego, ale też i zimnego. Z drugiej strony konieczne jest usuwanie ciepłego i wilgotnego powietrza z budynku, a to powietrze niesie ze sobą spory strumień energii.

Aby zminimalizować te straty, w budynkach pasywnych (ale nie tylko) stosuje się wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła (rekuperacją). Zamiast nawiewać powietrze przez nawiewniki w oknach i usuwać przez kominy wentylacyjne z łazienek i kuchni, powietrze rozprowadza się po budynku (i usuwa z niego) za pomocą kanałów wentylacyjnych i wentylatorów. Dzięki zebraniu całego strumienia powietrza wpływającego do budynku w jednym kanale możliwe było zastosowanie wymiennika ciepła (rekuperator), który pozwala na odbieranie sporej części ciepła z powietrza usuwanego na zewnątrz, podgrzewając nieco powietrze nawiewane z zewnątrz.

Niestety, w naszej strefie klimatycznej zimą rekuperator lubi pokrywać się warstwą lodu. Wilgoć z zużytego powietrza skrapla się na zimnych powierzchniach tego wymiennika ciepła i zamarza, co utrudnia przepływ powietrza i wymianę ciepła. Aby tego uniknąć, stosuje się różne metody rozmrażania (np. okresowe zwiększenie ilości usuwanego powietrza, aby roztopić lód, albo wstępne podgrzewanie powietrza elektryczną grzałką). Ale najlepszą metodą jest z całą pewnością zastosowanie gruntowego wymiennika ciepła.

Taki gruntowy wymiennik ciepła może mieć postać rury lub układu rur zakopanych pod ziemią, ale też złoża płukanego żwiru umieszczonego pod powierzchnią gruntu. O szczegółach nie chcę tu na razie pisać (poświęcę temu osobny artykuł). Tak czy siak, służy on do wstępnego podgrzania zimnego powietrza atmosferycznego.

I tak, zamiast dostarczać zimą do centrali wentylacyjnej powietrze o temperaturze -20°C, dostarczamy powietrze o temperaturze nieco wyższej niż 0°C. Dzięki temu nie dość, że zabezpieczamy rekuperator przed zamarzaniem, to jeszcze zmniejszamy straty ciepła z budynku.

Lycée Roanne 10

Gruntowy wymiennik ciepła w trakcie budowy. Ten konkretny układ równoległych przewodów nosi nazwę układu Tichelmanna. Foto: Pascal POGGI.

Gruntowy wymiennik ciepła a wentylacja latem

Koncepcje wykorzystania gruntowego wymiennika ciepła jako metody na obniżanie temperatury w pomieszczeniach latem są w naszych warunkach trudne do zastosowania. Oczywiście nie sposób zaprzeczyć, że powietrze latem wciągane przez gruntowy wymiennik będzie miało niższą temperaturę, niż powietrze atmosferyczne. Mimo to, efekt chłodniczy takiego rozwiązania nie wystarczy dla utrzymania niskich, komfortowych temperatur w pomieszczeniach.

Nie chcę tu przedstawiać skomplikowanych wzorów, które mają to uzasadnić (jak komuś to będzie do szczęścia niezbędne, zapraszam do komentarzy), ale jakieś dwa słowa poparcia jednak muszą się tu znaleźć. Wystarczy powiedzieć, że klimatyzatory służące do chłodzenia pomieszczeń operują przy temperaturach powietrza chłodzącego rzędu 10°C i wydatkach rzędu kilkuset metrów sześciennych na godzinę. A takie temperatury i wydatki nie są do osiągnięcia za pomocą gruntowego wymiennika ciepła.

Gruntowy wymiennik w pompie ciepła

100_4546

Wykop z jedną rurką glikolowego wymiennika ciepła. Foto: Vic, Tim, Finley and Freya

Pompy ciepła glikol-woda (zwane też pompami solanka-woda) czerpią ciepło również z wymiennika ciepła umieszczonego w gruncie. Tyle tylko, że i zasada działania i budowa takiego wymiennika są zupełnie różne, niż w przypadku wentylacji.

W tym przypadku, wymiennik ciepła ma charakter długiej rury o małej średnicy, umieszczonej na podobnej głębokości, jak w przypadku wymiennika dla wentylacji. Tyle tylko, że tą rurką płynie nie powietrze, a czynnik niezamarzający, który odbiera ciepło od gruntu i później podgrzany trafia do pompy ciepła.

Nie chcę tu wchodzić w informacje o zasadach działania pompy ciepła, bo poświęciłem temu osobny artykuł, ale kilka słów jednak muszę powiedzieć. Ten czynnik krążący w pętli wymiennika ciepła jest schłodzony do temperatury rzędu -5…0°C, aby mógł odebrać ciepło od gruntu, który na tej głębokości zimą może mieć niewiele wyższe temperatury. Jest to istotne z tego względu, że wymiennik ten będzie się w czasie sezonu pokrywać warstwą lodu, co pogarsza nieco parametry wymiany ciepła. Dlatego właśnie tak ważne jest, by gruntowy wymiennik ciepła miał dostatecznie dużą długość i wydajność. Jeśli do danej pompy ciepła zostanie dobrany zbyt mały wymiennik, zamrozi on ziemię w dużej odległości od siebie i będzie pracować przy bardzo kiepskiej wydajności, co odbije się na rachunkach za ogrzewanie.

Taki wymiennik ciepła można też wykorzystać do wentylacji. Nie bezpośrednio, bo puszczenie przez rurkę o małej średnicy dużych ilości powietrza byłoby bardzo kosztowne (z punktu widzenia eksploatacji wentylatora, który by to umożliwił). W tym celu potrzebny będzie jeszcze jeden wymiennik ciepła ciecz-powietrze, który zostanie umieszczony w kanale wentylacyjnym. A później trzeba przepompować przez wymiennik w gruncie ciecz, która trafi do dodatkowego wymiennika i wstępnie podgrzeje lub schłodzi powietrze nawiewane do domu.

Opublikował 18.01.2011 mgr inż. Krzysztof Lis i oznaczył hasłami , , , ,

16 komentarzy do artykułu “Gruntowy wymiennik ciepła”

  1. Witam Pana,

    może to karkołomne rozwiązanie…

    ale co gdyby wykorzystać w charakterze gruntowego wymiennika ciepła stojącą w pobliżu budynku nieużywaną studnię?

    Zastanawiam się nad sensownością takiego rozwiązania. Mam do dyspozycji klasyczną studnię z betonowych kręgów, która niestety nie może być wykorzystywana zgodnie z przeznaczeniem (brak dostatecznej ilości wody).
    Studnia ma głębokość 13 metrów i średnicę 1 m.

    Oczywiście powstaje kwestia jego wilgotności, choć w gruncie rzeczy chodzi o powietrze chłodne, t. zn. o mniejszej pojemności dot. zawartości wilgoci…

    Wykorzystanie całej studni jako jednolitego wymiennika ciepła to jedno rozwiązanie (przy założeniu pobierania powietrza z jej spodu). Innym mogłoby być wykorzystanie studni jako „pojemnika” do zamontowania wewnątrz jakiegoś systemu rur, przez które można by przepuszczać powietrze atmosferyczne dla jego ochrony przed zawilgoceniem.

    Czy takie rozwiązanie ma sens? Pozdrawiam!

  2. @Michał: jeśli miałoby być tamtędy czerpane powietrze wentylacyjne, może to być całkiem niezły pomysł. Wystarczyłoby wpuścić aż do dna studni dobrze zaizolowaną rurę, którą wciągane byłoby powietrze, uzupełniane następnie przez świeże powietrze atmosferyczne, które powoli spadałoby w dół studni, ogrzewając się.

    Zwiększająca się wilgotność tego powietrza akurat będzie atutem, bo zimą mamy zawsze problemy z przesuszaniem wnętrz wentylowanych domów.

  3. Zadaniem wentylacji jest dostarczenie TLENU do domu natomiast temperatura wewnętrzna i wilgotność to parametry o których decyduje użytkownik
    cyt. z artykułu
    dla zapewnienia odpowiedniej wilgotności w pomieszczeniach konieczne jest dostarczanie do nich powietrza z zewnątrz TO KOMPLETNA BZDURA

  4. @juma: gdybyśmy mieli ograniczać wydajność wentylacji do poziomu zapewniającego odpowiednią ilość tlenu, mielibyśmy w domach zbyt dużą wilgotność powietrza, powodującą dyskomfort. Dlatego twierdzę, że w pierwszej kolejności zadaniem wentylacji jest usuwanie z domu wilgoci, a nie dostarczanie tlenu.

    Oczywiście, że dla usuwania wilgoci wcale nie trzeba używać wentylacji — równie dobrze można włączyć klimatyzator w tryb osuszania. Ale póki co w zdecydowanej większości domów to właśnie wentylacja słuzy do tego celu, a nie inne urządzenia.

  5. Mimo to, efekt chłodniczy takiego rozwiązania nie wystarczy dla utrzymania niskich, komfortowych temperatur w pomieszczeniach.
    Nie chcę tu przedstawiać skomplikowanych wzorów,
    Bez wzorów może praktycznie wlot do GWP +30C /to naprawdę dużo -kilka dni w roku/,wykonany tradycyjnie,orurowanie 150m , jaka będzie temperatura na wylocie-w domu.Ktoś wie?

  6. @juma: spodziewałbym się temperatury rzędu 17-19°C.

  7. Piękne zdjęcie GWP i jaki układ- a może je położyć inaczej i zrobić podgrzewane.Czy ktoś spróbował?

  8. czyli efekt chłodniczy GWP jest wystarczający, a w artykule jest odwrotnie

  9. to że jest w większości to nie znaczy że należy rozpowszechniać błędne poglądy.
    A co w przypadku gdy na zewnątrz jest przez kilka dni wilgotność 85%

  10. @juma: co, gdy jest 85% wilgotności? Nic. Powietrze z zewnątrz może zmniejszyć wilgotność w domu nawet wtedy, gdy samo ma wilgotność 100%. Polecam zapoznać się z tym artykułem o wilgotności i wentylacji.

    Jeśli zaś chodzi o efekt chłodzenia z pomocą GWC, to nijak nie jest on w stanie zastąpić klimatyzatora. Cóż z tego, że daje powietrze o temperaturze 17°C, skoro daje go za mało, by zrównoważyć zyski ciepła w domu?

  11. Panie inżynieże , czy my piszemy o nowoczesnym budownictwie czy przedwojennym, gdzie koszule nawet w zimie suszyło się na polu az zamarzły. A teraz poważnie -wilgotność :
    zrozumiałem ,że Pana zdaniem nawet kilkunastokrotna np.20x po 150m3 / godz. wymiana powietrza w domu o stałej temperatyrze 20C nie zmieni w nim wilgotności
    Proszę o uzasadnienie tej tezy

  12. Witam, teraz cd. tematu GWP
    Jako ekspert jaki klimatyzator by Pan doradził/ może bez firmy/ aby wychłodzić dom o kubaturze ok. 500m3, chodzi mi o parametry techniczne
    Czy można przewidzieć do jakiej temperatury nagrzeje sie taka kubatura przy wyłączonych wszystkich regulatorach domu i ew. ile kW trzeba będzie do schłodzenia do 20C

  13. @juma: odpowiadając po kolei…

    1) Jest dokładnie odwrotnie — wymiana powietrza zmienia wilgotność w domu. Jedyna sytuacja, gdy tej zmiany nie ma, to identyczna wilgotność bezwzględna powietrza zewnętrznego i wewnętrznego. To sytuacja dość rzadka. W każdej innej sytuacji albo wilgoć z domu usuwamy (zimą), albo ją wprowadzamy (latem). Pomijam rzecz jasna ewentualne wykraplanie się wilgoci na wymienniku ciepła w rekuperatorze.

    2) To jest do policzenia, ale to za mało danych. Proszę się skonsultować w tym temacie z firmą, od której Pan ten klimatyzator kupi. To w końcu oni powinni brać odpowiedzialność za to, żeby ten klimatyzator miał wystarczającą wydajność.

  14. Zrozumialem, że przy utrzumywaniu stałej temperatury w domu 20C i nawiewie z rekuperatora będzie się jednak zmieniać wilgotność w domu w zależności od wilgotności zewnętrznej tak czy nie?
    Powyżej twierdzi Pan że wymienione przeze mnie GWP/projektowane/ nie zrównoważy zysków ciepła w domu czyli nie utrzyma stałej temperatury w domu tak czy nie? A skąd te zyski ciepła wymagające chłodzenia? Tylko przoszę nie pisać o gotowaniu ,praniu i suszeniu oraz oddawaniu ciepła i wilgoci przez człowieka.

  15. @juma: czy się będzie zmieniać wilgotność w domu, czy nie, to zależy wyłącznie od tego, jaka jest wilgotność powietrza nawiewanego i wywiewanego. Czyli od tego, ile pary wodnej dom opuści z zużytym powietrzem wydmuchiwanym przez kanały/kominy wentylacyjne, a ile do domu dotrze ze świeżym powietrzem.

    Tłumaczyłem to w materiale o wilgotności i wentylacji i nie chcę tego tu powtarzać.

    Z kolei temat chłodzenia z pomocą gruntowego wymiennika ciepła jest na tyle ciekawy, że omówię go w osobnym materiale za jakiś czas.

  16. Dziękuję Panu za cierpliwość i wszystkie udzielone wyjaśnienia
    pozdrawiam

Pozostaw komentarz

Subscribe without commenting