Ponizszy artykul pochodzi z Magazynu Instalatora. Postanowilismy dodac fragment artykulu ponizej aby przyblizyc historie i czym jest gruntowy wymiennik ciepla (GWC). Artykuł pochodzi z 1998 roku.
W połowie sierpnia 2022 roku minęło 65 lat od dnia publikacji opisu patentowego nr 40054 pt. „Sposób klimatyzacji powietrza za pomocą przeprowadzenia go przez warstwę gleby”. Autor zgłoszenia mgr inż. Stefan Bortkiewicz napisał, że ten sposób klimatyzacji: „…wykorzystuje naturalny zapas ciepła gleby w ciągu chłodnej pory roku, a naturalna zdolność chłodnicza gleby w ciepłej porze roku…” Sprawa jest tak oczywista, że podjęcie oryginalnej inicjatywy w kierunku wykorzystania naturalnych właściwości gruntu należałoby uznać za przebłysk geniuszu.
—
Do tematu wykorzystania gruntowego wymiennika ciepła trafiłem pośrednio studiując problem ustalenia strat ciepła w pomieszczeniach nie podpiwniczonych. W podręczniku prof. A. Pogorzelskiego „Fizyka cieplna budowli” (PWN 1976 str. 240) znalazłem interesujący opis doświadczeń Henrikssona poprzedzony lakonicznym stwierdzeniem „Wiadomo, że na odpowiedniej głębokości temperatura gruntu jest prawie stała i równa średniej wieloletniej temperaturze słonecznej powietrza (dla Polski około 9,5-10 st. C.)”.
W tym samym czasie w miesięczniku „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” (nr 10-11/1980) przeczytałem artykuł Jana Besslera i Zbigniewa Spryszyńskiego z Politechniki Wrocławskiej pt. „Możliwości wykorzystania naturalnej energii gruntu dla termowentylacji i klimatyzacji pomieszczeń”. Z powołanych przez autora źródeł mogłem się zorientować, że jeden ośrodek szwajcarski (w roku 1939) a w latach powojennych dwa ośrodki niemieckie oraz jeden węgierski instytut budownictwa podjęły badania w kierunku realizacji podobnych zamierzeń.
Nie trafiłem, niestety, na żaden ślad przedsięwzięć inż. Bortkiewicza w celu wprowadzenia w życie tej cennej idei. Mogę zatem wyrazić mu uznanie za próbę wzbudzenia zainteresowania rewelacyjnym tematem oraz rozczarowanie faktem zaniechania prób praktycznego wykorzystania nietuzinkowego pomysłu.
Natomiast należą się wyrazy uznania zespołowi badawczemu Instytutu Inżynierii Chemicznej i Urządzeń Cieplnych Politechniki Wrocławskiej, który od przełomu lat 70 i 80 nie tylko przeprowadził badania teoretyczne i eksperymentalne oryginalnego sposobu pozyskiwania naturalnej energii odnawialnej przy zastosowaniu tzw. bezprzeponowych (otwartych) gruntowych wymienników ciepła.
W 1980 roku wykonano w Zespole Uzdrowisk Kłodzkich w Polanicy-Zdroju pilotowa instalację do pozyskiwania energii cieplnej z gruntu.
Wyniki pięcioletnich badań doświadczalnej instalacji wentylacyjnej wykonanej w Polanicy-Zdroju potwierdzają wcześniejsze przewidywania, że z niewielkich głębokości gruntu można w tani sposób pozyskać duże ilości energii zarówno w okresach letnich jak i zimowych. Zastosowanie wymienników gruntowych w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych w znacznym stopniu obniża zapotrzebowanie na moc cieplną w okresie zimowym oraz eliminuje potrzebę stosowania urządzeń chłodniczych w okresie letnim.
Podobnie rewelacyjne wyniki wykazały trzech geometrycznie podobnych bezprzeponowych gruntowych wymienników ciepła zaprojektowanych dla wentylacji niektórych pomieszczeń w gmachu C-6 Politechniki Wrocławskiej przy ulicy Norwida we Wrocławiu.
Wyniki badań dla wymienników gruntowych
Instytut zaprojektował również kilka urządzeń dla obiektów o różnym przeznaczeniu – jak np. Zakładów Przemysłu Odzieżowego w Przeworsku, Teatru Zdrojowego w Polanicy, klubu studenckiego w Częstochowie, pralni w Polanicy itp., wreszcie uczestniczył w projektowaniu Centrum Kongresowego EXBUDU w Kielcach.
Dotychczasowe badania eksploatacyjne wymienników gruntowych pozwalają stwierdzić iż umożliwiają one:
- rezygnację z urządzeń chłodniczych w układach klimatyzacyjnych, gdyż są w stanie pokryć całkowite zapotrzebowanie na chłód dla urządzeń klimatyzacyjnych i wentylacyjnych zaprojektowanych z normowaniem temperatury w okresie letnim, powodując schłodzenie powietrza zewnętrznego (lub obiegowego) np. od +32 do +20 st. C. co zazwyczaj w klimatyzacji wystarcza,
- już w fazie projektowania zmniejszenie rozmiarów urządzeń wentylacyjnych do około połowy w stosunku do rozwiązań tradycyjnych wtedy, gdy te urządzenia zaprojektowane są z uwagi na nadmiar zysków ciepła powstających w tych pomieszczeniach,
- uzyskanie łatwej poprawy mikroklimatu w okresie letnim w pomieszczeniach obsługiwanych przez urządzenia mało sprawne (mało wydajne lub źle zaprojektowane) – w wyniku zastosowania wymiennika po stronie czerpni powietrza zewnętrznego,
- przedłużenie czasu eksploatacji istniejących urządzeń wentylacyjnych (klimatyzacyjnych) w zimie przy pełnej wydajności, z uwagi na uzyskiwane wstępne podgrzewanie powietrza w wymienniku,
- uzyskanie taniej i ekonomicznie uzasadnionej poprawy mikroklimatu w budownictwie mieszkaniowym, szpitalnym i innym wtedy, gdy wymienniki gruntowe umieści się w układach nawiewających niezbędne ilości powietrza zewnętrznego do pomieszczeń; pozwala także na wychładzanie pomieszczeń w lecie w przypadku, gdy zastosowano w tych budynkach np. pośrednie ogrzewanie powietrzne,
- przez swe energooszczędne działanie powszechniejsze wdrożenie w budownictwie uzasadnionego systemu pośredniego ogrzewania powietrznego z wentylacją nawiewną lub klimatyzacją pomieszczeń; system ten niesie ze sobą nie tylko wspomnianą energooszczędność i poprawę mikroklimatu, ale pozwala również na rezygnację z montażu żeliwnych lub stalowych grzejników, rur i osprzętu.
| Tu konieczne jest dla niespecjalistów objaśnienie dodatkowe. O ile za właściwą temperaturę pomieszczeń w sezonie ogrzewania przyjmujemy zwykle +20 st. C, o tyle w czasie upałów temperatura ta winna być zbliżona do średniej arytmetycznej tych +20 st. C i temperatury zewnętrznej. Jeśli np. temperatura na dworze wynosi +28 st. C, to temperaturę wewnątrz należy utrzymywać na poziomie około +24 st. C. Jest to oczywiste. Gdy zimą wchodzimy do budynku, zdejmujemy wierzchnie okrycie, aby dostosować warstwę izolacji do temperatury otoczenia. Natomiast latem zarówno na dworze, jak i w budynku stopień okrycia ciała na ogół pozostaje taki sam. Gdybyśmy zatem ochłodzili wnętrze o 8 st. C poniżej temperatury zewnętrznej – u osoby wchodzącej następowałby szok termiczny. A więc ochładzamy wnętrza pomieszczeń tylko do poziomu tej średniej arytmetycznej, a nie o 8 st. czy 10 st. C | Z bogatych danych liczbowych opublikowanych przez instytut wybrałem kilka najistotniejszych. Gruntowy wymiennik ciepła (GWC) przy: – eksploatacji przez 12 do 16 godzin na dobę, – napływie 400-500 m3 /h na 1 m2, – przekroju złoża (tzn. prędkości 0,10 do 0,15 m/s), – wahaniu temperatur zewnętrznych (zarówno latem jak i zima) o 20-22 st. C w skali ok. 3 tygodni, – pełnym zaspokojeniu chłodu dla klimatyzacji, jednocześnie latem obniża wilgotność bezwzględną powietrza o 3 do 6 g/kg, co eliminuje możliwość odczuwania duszności w wentylowanych pomieszczeniach, – zimą pobór powietrza wentylacyjnego przez wymiennik gruntowy ogranicza zużycie ciepła w nagrzewnicach o ok. 30 do 40%, – stosunek mocy włożonej (wentylator) do pozyskanej (chłód, ciepło) zawiera się w granicach 1:16 do 1:40, wykorzystana (nie całkowita!) moc jednostkowa wymienników przekraczała 2,5 kW z każdego m3 złoża, – nawet w dniach występowania na zewnątrz temperatur ekstremalnych (do +34 st. C) – regeneracja termiczna złoża wymiennika w godzinach nocnych pozwala na utrzymanie właściwych temperatur w pomieszczeniach przez cały dzień. |
Wyniki współpracy wrocławskich uczonych z Zespołem Uzdrowisk Kłodzkich (Polanica-Zdrój) wskazują na szerokie możliwości wprowadzenia klimatyzacji w obiektach służby zdrowia. A przecież nie tylko. Można stosunkowo niewielkim kosztem wprowadzić klimatyzacje we wszystkich obiektach, gdzie może ona przynieść wymierne korzyści. Przede wszystkim w handlu spożywczym, gastronomii, w mniejszych i średnich zakładach pracy, przedszkolach, szkołach itp. itd.
Autor artykułu: Jerzy Całuń
Plik PDF z opisem patenowym – Sposob klimatyzacji powietrza za pomoca przeprowadzania go przez warstwy gleby