Gruntowy Wymiennik Ciepła (GWC)

W ostatnim 30-leciu w strukturze przeciętnych wydatków polskich gospodarstw domowych koszty energii (cieplnej i energetycznej) zwiększyły się o 250% (z 4,3 do 10,7%). Oczywiscie nie mowimy tutaj o sytuacji z 2022, kryzysie energetycznym i inflacyjnym. Jest to poza żywnością (37,7%) największy wydatek, a więc wymagający szczególnego traktowania i zastanowienia się nad możliwością jego obniżenia. Zmusza to do poszukiwań i wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych. Jednym z takich źródeł jest grunt na niewielkiej głębokości.

Niniejszy artykul pochodzi z roku 2003, dlatego nalezy patrzec na dane tu przedstawione z punktem odniesienia do roku bazowego 2003, a jednoczesnie mozna zauwazyc, ze wiele problemow i zagadniem stale jest aktualnych.

Prognozy i ogólnoświatowe trendy wskazują, iż w najbliższych latach, a i w dalszej przyszłości, trzeba się liczyć ze znacznie silniejszym wzrostem kosztów energii niż kosztem budowli, konstrukcji czy samych urządzeń (np. grzewczych, wentylacyjnych lub klimatyzacyjnych). Mając to na względzie, należy dać pierwszeństwo wszystkim systemom oszczędzającym energię i obniżającym koszty jej wytwarzania lub umożliwiającym jej pozyskanie w sposób możliwie tani z nowych źródeł, nawet i wówczas, kiedy obecnie koszty te wydają się nieco wyższe. Uwaga ta nie dotyczy GWC – koszt jego wykonania jest niższy lub znacznie niższy od konwencjonalnej klimatyzacji. Koszt eksploatacji jest ponad 10 razy niższy od klimatyzacji tradycyjnej. Pamiętajmy, ponosimy tylko koszty przesyłu powietrza przez złoże (120 Pa), a nie jego chłodzenia czy ogrzewania.

Na głębokości 1-4 m w naszej strefie klimatycznej w ciągu całego roku panuje stała temperatura +10oC (+/-1,5oC). Do wykorzystania tej energii służą tzw. gruntowe wymienniki ciepła (GWC). Co najmniej kilkanaście pracujących w Polsce GWC potwierdza, że powietrze zewnętrzne, przepływając przez złoże posadowione na tej głębokości podgrzewa się w szczytach zimowych o 20oC, latem zaś ulega ochłodzeniu z około +32oC do +20oC.

Konstrukcja GWC zaprojektowana jest jako naturalne złoże czystego płukanego żwiru umieszczonego w gruncie. Przepływające powietrze przez żwir (w zależności od pory roku) jest ochładzane, osuszane, podgrzewane lub nawilżane, a także filtrowane. Bezpośredni kontakt złoża z otaczającym gruntem rodzimym ułatwia szybką regenerację złoża.

Prace badawcze nad Bezprzeponowymi Gruntowymi Wymiennikami Ciepła i Masy trwają w Politechnice Wrocławskiej od 1980 r. Mimo tak wielu zalet, w ślad za tym nie wykonano wdrożeń w ilości takiej, na jaką zasługuje to rozwiązanie.

Wady i zalety

• Prosta budowa GWC, z łatwo dostępnych i tanich materiałów, pozwala na wykonanie go w zasadzie w każdych miejscu i warunkach. Stwarza to możliwość prawie powszechnego stosowania tego urządzenia dla celów wentylacji, klimatyzacji i termowentylacji.
• Wykorzystanie w tani sposób naturalnej energii gruntu z niewielkiej głębokości dla chłodzenia i ogrzewania strumienia powietrza wentylacyjnego.
• Użytkowanie Gruntowego Wymiennika Ciepła ma wybitne cechy pozyskiwania energii odnawialnej. Inwestor, który zdecyduje się na jego budowę, może starać się o dotację lub preferencyjny kredyt inwestycyjny z: Unii Europejskiej lub Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska (w oddziałach regionalnych w Urzędach Wojewódzkich)
• Jedyna wada GWC wynika z jego zalety. Precyzyjna regulacja parametrów powietrza opuszczającego potężny magazyn energii jest utrudniona. Zakres parametrów regulowanych w tradycyjnym urządzeniu klimatyzacyjnym jest korzystniejszy od zakresów parametrów możliwych do osiągnięcia przez GWC i to jest pewną zaletą urządzeń konwencjonalnych. Przy zastosowaniu GWC można jednak zaoszczędzić na kosztach automatyzacji urządzeń klimatyzacyjnych, gdyż ze względu na bezwładność GWC stan powietrza na wyjściu z wymiennika jest w dużym stopniu niezależny od wahań powietrza zewnętrznego na wejściu do wymiennika – jego parametry są w długim okresie czasu stabilne i nie wymagają bieżącej regulacji. GWC ma charakter typowego wymiennika akumulacyjnego.
• Parametry powietrza opuszczającego złoże charakteryzują się bardzo powolnymi zmianami w czasie i są zauważalne dopiero w cyklu kilkumiesięcznym. Praktycznie w okresie jednego miesiąca trudno je zauważyć. Niesie to za sobą korzystne zjawisko, gdyż niwelowane są wszelkie skoki temperatury powietrza zewnętrznego występującego w ciągu doby, jak również w kolejnych, następujących po sobie dniach, gdy występują gwałtowne ochłodzenia i ocieplenia.

• Duża wydajność i niskie koszty eksploatacji GWC w okresie letnim pozwalają na wykorzystywanie do wentylacji tylko powietrza zewnętrznego – bez potrzeby mieszania go z zużytym – recyrkulacja. Do tej pory największy działający GWC w Polsce ma sumaryczną wydajność 137 tys. m3/h.
• Zapewnia pozyskiwanie całkowitego zapotrzebowania chłodu w okresie letnim. Energia włożona (wentylator) do pozyskiwanej osiąga w szczytach letnich wartości 1:30÷35.
• Strumień powietrza z GWC zasilającego rekuperatory (nawet przy zimowych ekstremalnych temperaturach minus 20oC) nie powoduje zamarzania wymiennika krzyżowego – temperatura na wlocie jest bliska 0oC lub dodatnia.
• Zastosowanie GWC w okresie zimowym pozwala na pozyskiwanie z gruntu w szczytach do 50% ciepła wentylacyjnego. Energia włożona (wentylator) do pozyskiwanej osiąga maksymalnie zimą 1:35÷45.
• Recyrkulacja lub zastosowanie rekuperatora pozwala na dalsze pozyskanie ciepła w granicach 20÷30%.
• Średnia maksymalna różnica temperatur powietrza przed i za GWC latem 10÷12oC, zimą 18÷20oC – dotyczy to ekstremalnych temperatur zewnętrznych powietrza +32oC i -20oC.
• Średni efekt cieplny złoża wynosi 1 kW/m3, a w szczytach letnich i zimowych dochodzi nawet do 2 kW z 1m3 złoża.
• Najlepsze efekty energetyczne uzyskuje się w okresach występowania ekstremalnych warunków pogodowych, tzn. przy niskich temperaturach powietrza zewnętrznego zimą i wysokich temperaturach zewnętrznych latem. “Obcięciu” ulegają wszystkie uciążliwe szczyty.
• Po przejściu przez GWC następuje obniżenie wilgotności powietrza latem np. z 15,2 do 12,7 g/kg i nawilżenie w okresie zimowym.
• Bezobsługowa praca – nie wymaga konserwacji. Wskazuje na to ponad 22-letnia eksploatacja instalacji pilotażowej w Polanicy Zdroju (o wydajności 500 m3/h) i 13 letnia w Exbud Kielce.

Filtrowanie

Filtrowanie zanieczyszczeń biologicznych to jest następna zaleta wymiennika ciepła. Po 15 latach eksploatacji złoża Dział Epidemiologii Sanepidu wydał następujące orzeczenie: “W wyniku przeprowadzonego badania stwierdzono, iż powietrze po przejściu przez wymiennik ciepła zawiera wielokrotnie mniej komórek drobnoustrojów i alergenów niż przy wlocie”.

Gdzie można stosować wymienniki?

GWC można stosować w domach jednorodzinnych, sklepach, gastronomii, domach towarowych, biurowcach, halach produkcyjnych, szkołach itp. W odróżnieniu od klimatyzacji tradycyjnej, którą często wykonuje się tylko w pomieszczeniach reprezentacyjnych, wymiennik GWC ze względu na niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne stosuje się do zasilania całych budynków w powietrze klimatyzowane.

Artykul pochodzi ze strony www.wtb.pl, Autor: Witold Piecha