Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła (w skrócie GPWC) jest instalacją zapewniającą stały dopływ świeżego, higienicznego i przefiltrowanego powietrza do centrali wentylacyjnej oraz gwarantującą wstępne podgrzanie lub schłodzenie tego powietrza. GPWC jest instalacją nadającą się świetnie do wspomagania systemu ogrzewania i chłodzenia hal o różnym przeznaczeniu (produkcyjnym, handlowym, magazynowym, sportowym, itp.), ponieważ w tych przypadkach najczęściej stosowanym medium w instalacji jest właśnie powietrze.
System GPWC spełnia przede wszystkim funkcje wspomagające i uzupełniające system ogrzewania i chłodzenia hal, a tylko czasami może je całkowicie zastąpić. Zatem standardowo potrzebne jest podstawowe źródło ciepła (kocioł, pompa ciepła, itp.) lub źródło chłodu (agregat wody lodowej). Zależy to od wymogów temperaturowych powietrza w hali, czy musi być zachowany reżim maksymalnej, nieprzekraczalnej temperatury wewnątrz hali. Wówczas należy poza GPWC zainstalować agregat wody lodowej, co niestety wiąże się z dużymi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi. W innym przypadku może wystarczyć jedynie obniżenie temperatury powietrza w hali dla uzyskania komfortu przebywania w niej, ale nic się nie stanie, jeżeli okresowo przy długotrwających upałach, temperatura powietrza będzie nieco wyższa od zakładanej. Wtedy wystarczy wyłącznie system GPWC do schłodzenia powietrza w hali.
Projektowanie i dobieranie GWC
Podczas projektowania i dobierania systemu gruntowego powietrznego wymiennika ciepła trzeba postawić sobie zasadnicze pytanie: jaką funkcje priorytetowo ma spełniać GPWC? Rozważmy 2 sytuacje, w których zamontowany gruntowy wymiennik ciepła spełnia jako priorytet funkcję grzania lub chłodzenia.
Priorytet – funkcja grzania
W pierwszym przypadku dobieramy długość instalacji GPWC tak, żeby w okresie zimowym podgrzewał on powietrze do możliwie maksymalnej temperatury, ale jednocześnie ekonomicznie uzasadnionej. Przyjmuje się, że jest to poziom ok. -2°C, bo taka temperatura zabezpiecza wystarczająco rekuperator czy centralę wentylacyjną przed zamarzaniem i nie powoduje włączania się nagrzewnicy elektrycznej (mocno energochłonnej). Dlaczego zatem nie projektuje się GPWC jeszcze dłuższych, które podniosą temperaturę świeżego powietrza zimą do temperatury otaczającego instalację gruntu, czyli ok. 8°C? Z długoletnich doświadczeń firmy Rehau wynika, że podnoszenie temperatury powietrza o kolejne stopnie powyżej O°C jest związane z koniecznością montowania zdecydowanie dłuższych wymienników, co staje się inwestycją nieuzasadnioną ekonomicznie. W ten sposób dobrany GPWC będzie oczywiście spełniać również swoją funkcję w okresie letnim, czyli będzie chłodzić powietrze wentylacyjne, tworząc efekt naturalnej klimatyzacji. Sprawność chłodnicza takiego GPWC będzie wówczas wartością wynikową i będzie uzależniona głównie od strefy klimatycznej oraz warunków gruntowych. Należy się tutaj spodziewać, że tak dobrany GPWC będzie w stanie obniżyć temperaturę powietrza świeżego latem o ok. 15 K przy maksymalnej temperaturze zewnętrznej na poziomie 35°C. Daje to ok. 20°C, co wydaje się być satysfakcjonującym wynikiem.
Priorytet – funkcja chłodzenia
W drugim przypadku projektujemy instalację GPWC pod kątem maksymalizacji efektu chłodzenia w okresie letnim. Na bazie specjalistycznego programu obliczeniowego, który bierze pod uwagę takie parametry instalacji, jak: strefa klimatyczna, typ gruntu, strumień świeżego powietrza, poziom wód gruntowych, usytuowanie GPWC pod lub poza budynkiem, itp. określamy długość takiej instalacji, która skutecznie obniży temperaturę powietrza i zapewni zadowalający stopień schłodzenia, czyli temperaturę na wylocie z GPWC na poziomie ok. 17°C. Na bazie licznych doborów projektowych mogę stwierdzić, że w ten sposób dobrany GPWC będzie o ok. 20-30% dłuższą instalacją aniżeli ten z pierwszego przypadku (przy założeniu identycznych parametrów doborowych). Z kolei taki wymiennik będzie charakteryzować się większą efektywnością ogrzewania, którą w tym przypadku traktujemy jako wartość wynikową, ale nie możemy pozostać obojętni na jego zyski energetyczne i oszczędności, jakie przyniesie.
W obu przypadkach dobór instalacji GPWC odbywa się na podstawie przebiegu wartości temperatury dziennej w ciągu całego okresu eksploatacji GPWC dostarczonych przez IMGW (typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków – 24.12.2008, dostępne na www.transport.gov.pl). IMGW podaje w tym zakresie dane temperaturowe z 61 stacji pomiarowych na terenie Polski, z czego ok. 40 ma pełne ciągi pomiarowe z okresu 30 lat (1971-2000), które przyjęto do programu obliczeniowego. Najczęściej wielkość instalacji GPWC dobiera się, analizując pracę instalacji zarówno w okresie grzewczym, jak i okresie chłodniczym. Wybierana jest wielkość optymalna instalacji zapewniająca wysoki poziom odzysku ciepła z gruntu zimą oraz jak najwyższą temperaturę wylotową za GPWC zimą, jak również gwarantująca schłodzenie powietrza świeżego w okresie letnim do możliwie minimalnej temperatury w celu wyeliminowania konieczności montowania układów klimatyzacyjnych. Podczas doboru optymalnej wielkości instalacji GPWC bierze się pod uwagę następujące czynniki:
- strumień powietrza świeżego,
- warunki geologiczne w danej lokalizacji (w tym również głębokość wody gruntowej),
- warunki klimatyczne w danej lokalizacji (dane IMGW),
- dostępna przestrzeń pod budynkiem w obrysie fundamentów,
- ułożenie GPWC pod budynkiem lub poza nim,
- parametry hydrauliczne, jak prędkość przepływu powietrza (celem zapewnienia przebiegu burzliwego) oraz straty ciśnienia (możliwie minimalne).
Jak układany jest rurowy GPWC?
Rury GPWC układane są tak samo jak rury kanalizacji zewnętrznej, najlepiej zgodnie z wytycznymi normy PN-EN 1610. Materiał wypełniający w strefie posadowienia rurociągu musi spełniać wymagania dotyczące montażu i wypełnienia, aby zapewnić trwałą stabilność i wytrzymałość komponentów w gruncie na obciążenie. Przy wypełnianiu i wykonywaniu podsypki zalecane jest użycie gruntu rodzimego (o ile da się go zagęścić) zamiast piasku, ponieważ przewodność cieplna piasku jest gorsza niż innych rodzajów gruntu (np. glina, pył). Spadek rurociągu powinien wynosić 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 oscylować na poziomie 2-4 m/s. Przekroczenie tej prędkości wpływa negatywnie zarówno na stratę ciśnienia, jak i wymianę ciepła. Zbyt niska prędkość przepływu powietrza nie zapewnia z kolei przepływu burzliwego, a tylko w takich warunkach wymiana ciepła między powietrzem a gruntem jest optymalna. Generalnie można wyróżnić dwa typy instalacji: pierścieniową (jednorurową) lub w formie Tichelmanna.
Przykład montażu GPWC pod budynkiem
Wybór konkretnego typu ułożenia GPWC zależy głównie od 2 czynników: ilość dostępnego miejsca (w tym również kolizje z innymi instalacjami) oraz wielkość instalacji. Tutaj do tematu trzeba podejść indywidualnie i spojrzeć na lokalne uwarunkowania każdej inwestycji. W przypadku budowy hal idealnym miejscem na ułożenie wymiennika jest przestrzeń pod posadzką hali. Rury systemu GPWC z polipropylenu są wystarczająco odporne na obciążenia statyczne pod budynkiem. Wykorzystujemy wówczas miejsce, którego często brak poza budynkiem oraz oszczędzamy na pracach ziemnych. Skoro przygotowujemy już grunt pod fundamenty, to możemy pokusić się również o montaż GPWC. Dodatkową zaletą instalacji GPWC w obrysie fundamentów jest możliwość posadowienia wymiennika nieco płycej niż miałoby to miejsce poza budynkiem. Chodzi o to, że poza budynkiem musimy układać GPWC poniżej strefy przemarzania gruntu, co w Polsce oscyluje w zakresie ok. 1-1,4 m. Pod posadzką można rozpocząć układanie GPWC już na głębokości 0,8 m, bo chroni go skorupa budynku przed czynnikami atmosferycznymi.