Gruntowy wymiennik ciepła - to warto wiedzieć

Gruntowy wymiennik ciepła ma spełniać dwie funkcje: wstępnie podgrzewać powietrze zimą oraz schładzać je latem. Ale jak jest z tym schładzaniem naprawdę?

Pierwszym elementem wpływającym na pracę GWC jest jakość materiałów użytych do jego wykonania. Niedawno jeden z inwestorów zwrócił się do nas z zapytaniem, jaka może być przyczyna bardzo kiepskich parametrów pracy jego GWC. Okazało się, że do wykonania gruntowego wymiennika ciepła wykorzystał kupione okazyjnie rury kanalizacyjne z PVC. Koszt materiału był niewielki, koszt koparki - akceptowalny, rura jak rura, działać będzie! Niestety, była to tylko teoria. Wykonany przezeń GWC o długości 42m, mimo umieszczenia na głębokości niemal 1,8 m podczas 32-stopniowych upałów zbijał temperaturę powietrza o. niecałe 3 stopnie. Do rekuperatora i budynku wchodziło powietrze o temperaturze 29ºC.

Materiał, z jakich wykonuje się większość rur kanalizacyjnych ma właściwości izolacyjne - wypełniony jest mikropęcherzykami powietrza. Rury przeznaczone do zastosowań jako GWC mają zwiększoną przepuszczalność termiczną poprzez usunięcie z nich powietrza w innym, niż standardowy dla rur kanalizacyjnych procesie produkcji. Oszczędzanie na materiałach w tym wypadku może przynieść fatalne skutki. Podobnie sprawa ma się z wykonaniem wymiennika gruntowego: wszystkie jego elementy nie znajdujące się w ziemi muszą zostać bardzo dokładnie zaizolowane. Może okazać się, że powietrze schłodzone w ziemi o kilkanaście stopni przechodzi przez odcinek nieizolowany wewnątrz pomieszczenia, w którym panuje temperatura powyżej 25ºC. W efekcie schłodzone powietrze ogrzeje się ponownie od cieplejszych ścianek wymiennika obniżając sprawność całego układu. Znane są również przypadki, gdy zgłaszali się do nas inwestorzy, którym GWC zamiast schładzać ogrzewał powietrze wchodzące do budynku. Najczęściej w wyniku umieszczenia go na zewnętrznej ścianie budynku, bez wystarczającej izolacji. W przypadku, gdy jakiś fragment wymiennika gruntowego znajduje się na zewnątrz budynku, np. na jego ścianie zewnętrznej, należy pamiętać, że aby zabezpieczyć zewnętrzne elementy wymiennika gruntowego. Powinny one zostać zaizolowane warstwą minimum 20 cm wełny mineralnej oraz zabudowane odpowiednim szachtem. W innym wypadku efekt działania wymiennika zostanie po prostu zlikwidowany.

Mamy więc wymiennik o dobrej sprawności, wykonany z niezłych materiałów. Okazuje się jednak, że jego działanie nadal jest bardzo niezadowalające. Nawiewane z anemostatów powietrze jest nadal stosunkowo ciepłe. Skąd ten problem? Niektóre firmy instalacyjne, aby obniżyć koszty instalacji wentylacyjnej umieszczonej wewnątrz budynku, stosują przewody nieizolowane. W efekcie powietrze schłodzone w GWC do nawet kilkunastu stopni, przechodząc w takim właśnie przewodzie wentylacyjnym znajdującym się w pokoju, w którym panuje temperatura ok. 25ºC czy 28ºC na kilku metrach przewodu ogrzeje się właśnie do tej temperatury. Efekt: nieodczuwalna praca GWC, czyli spora kwota po prostu wyrzucona w błoto. Dużo gorszą sytuację mamy w momencie, gdy instalacja znajduje się na poddaszu nieużytkowym, w dodatku nieizolowanym. W słoneczny dzień panuje tam temperatura ok. 50ºC, co ma niekorzystny wpływ na temperaturę przepływające w instalacji powietrza. Nie pomoże najlepsze GWC. Zastosowanie przewodów izolowanych fabrycznie warstwą 2 czy 4 cm wełny nie na wiele się zda: przewód taki zabezpieczy instalację przed stratami ciepła, ale w przypadku, gdy różnica temperatur wynosi kilka stopni, czyli w momencie, gdy przewód umieszczony jest wewnątrz strefy izolowanej budynku. Umieszczenie takiego przewodu na poddaszu nieużytkowym czy w warstwie izolacji dachu (przy samych dachówkach), gdzie przewód podlegał będzie silnemu nagrzewaniu, na pewno spowoduje całkowitą likwidację efektów pracy GWC. Często oferowane są tańsze instalacje, pozbawione czerpni ściennej, przez co GWC pozbawiony zostaje możliwości regeneracji. Należy pamiętać, że wbrew deklaracjom niektórych firm instalacyjnych każdy bezwzględnie wymiennik gruntowy latem ogrzewa otaczający go grunt, zimą zaś schładza, obniżając powoli swoją sprawność. Dlatego każdy GWC potrzebował będzie prędzej czy później odpoczynku, który pozwoli na zregenerowanie temperatury gruntu otaczającego GWC do wartości standardowych. Ponadto w okresach przejściowych, gdy nie chcemy już korzystać z pieca, np. wiosną, przy temperaturach sięgających 15-17ºC, GWC spowoduje dodatkowe schłodzenie powietrza wchodzącego do budynku i paradoksalnie - zwiększenie kosztów ogrzewania! Dlatego konieczne jest stosowanie w instalacji wentylacyjnej wyposażonej w GWC również czerpni ściennej, umożliwiającej czerpanie powietrza bezpośrednio ze ściany domu. W niektórych przypadkach niemożliwe jest wykonanie czerpni ściennej - ze względu na już wykończoną elewację budynku, brak miejsca wynikający z nieprzystosowania projektu domu do zastosowania rekuperatora lub po prostu ze względu na decyzję inwestora. W takim wypadku konieczne jest uzyskanie informacji, w jaki sposób korzystać z instalacji wentylacyjnej tak, aby umożliwić regenerowanie się GWC co jakiś czas. Warto również pomyśleć o zastosowaniu rekuperatora, który w skrajnych sytuacjach pomyśli za nas, w jaki sposób korzystać z GWC. Dotyczy to korzystania z by-passu, czyli obejścia wymiennika ciepła w rekuperatorze w celu doprowadzenia do budynku powietrza maksymalnie schłodzonego oraz automatyki umożliwiającej korzystanie z czerpni ściennej bez konieczności pamiętania o ręcznym przekładaniu przepustnicy czerpnia ścienna/GWC, w zależności od temperatury zewnętrznej. Łyżka dziegciu psuje beczkę miodu: najlepszy rekuperator i najdroższy GWC nie pomogą, gdy instalacja wentylacyjna wykonana zostanie niewłaściwie. Dlatego warto dokładnie wypytać się nie tylko, z jakich materiałów korzysta instalator, ale także jakie przyjął założenia konstrukcyjne instalacji i jak zamierza umieścić ją w budynku. Jakich również udziela gwarancji co do skuteczności działania instalacji i czy udziela ich na piśmie. Temat rekuperacji stał się w Polsce tematem modnym, więc coraz więcej instalatorów nie posiadających odpowiednich kwalifikacji próbuje wykonywać tego typu instalacje. Często z marnym skutkiem.

Załóżmy jednak, że mamy poprawnie wykonane GWC i doskonale wykonaną instalację. Czy wymiennik gruntowy zastąpi nam klimatyzację w budynku? Najczęściej nie. W budynkach silnie przeszklonych, gdzie duża ilość energii słonecznej kumuluje się wewnątrz, rozwiązanie to będzie na pewno zbyt słabe, by zapewnić schłodzenie domu. Skuteczny, dobrze odczuwalny efekt uzyskamy w domu pasywnym lub dobrze wykonanym domu energooszczędnym. W budynku takim ilość energii potrzebna do ogrzania jest niewielka, ale zazwyczaj również ze względu na doskonałą izolację dużo łatwiejsze będzie schłodzenie go. Jednak uwaga: dom pasywny projektowany jest w sposób umożliwiający maksymalną kumulację energii wewnątrz budynku, więc często w skrajnych warunkach letnich może być narażony na silne przegrzewanie, szczególnie w sytuacji, gdy jego okna nie będą miały możliwości "odcięcia" dopływu energii słonecznej do budynku. Najgorszy efekt działania GWC uzyskamy w budynku o kiepskiej izolacji lub w budynku posiadającym dużą ilość nieszczelności (kominy wentylacyjne, rozszczelnienia okien lub nawiewniki podokienne, mostki termiczne w okolicach okien i drzwi, słaba izolacja dachu itp).

Czego możemy więc oczekiwać od GWC w przypadku dobrze wykonanego domu z poprawnie wykonana instalacją wentylacyjną? GWC nie jest urządzeniem klimatyzacyjnym i nie posiada możliwości utrzymywania ustalonej temperatury. Na pewno zapewni jednak utrzymanie stosunkowo stałej, przyjemnej temperatury w budynku w okresie upałów, pod warunkiem, że nie dopuścimy do wcześniejszego przegrzania wnętrza budynku poprzez np. notorycznie otwierane okno czy drzwi balkonowe. Dobrze działający system wentylacyjny wyposażony w GWC zapewni nawiew świeżego powietrza o temperaturze w granicach 21ºC-25ºC przy upałach na zewnątrz rzędu 28ºC-32ºC.

Uwaga: Przy minimalnym przepływie powietrza schłodzenie odczuwalne będzie jedynie w pobliżu anemostatu. Nawiewane powietrze szybko miesza się z powietrzem wewnątrz pomieszczenia, więc z anemostatu nigdy nie popłynie silny strumień chłodu, jak ma to miejsce w przypadku klimatyzatora, który niejednokrotnie nawiewa silny strumień powietrza o temperaturze zaledwie kilkunastu stopni. Aby uzyskać skuteczniejsze chłodzenie poprzez GWC należy zwiększyć ilość powietrza nawiewanego do budynku, czyli ustawić pracę rekuperatora na średni lub maksymalny tryb pracy. Praca w takim trybie spowoduje szybsze ogrzewanie rury wymiennika, dlatego, aby zachować skuteczną pracę rządzenia w ciągu całego okresu letniego należy bezwzględnie pamiętać o kilku zasadach korzystania z GWC:

Zasada 1: Korzystaj z GWC rozsądnie! Oznacza to, że intensywna praca GWC powinna odbywać się w godzinach, gdy skwar na zewnątrz nie osiągnął swych maksymalnych wartości. Logicznym jest, że łatwiej schłodzić powietrze o temperaturze 25 czy 29 stopni niż powietrze 32 czy 35-stopniowe. W okresie największych upałów należy do minimum ograniczyć korzystanie z systemu wentylacyjnego. Uzyskamy dzięki temu dłuższą żywotność pracy wymiennika i jego skuteczniejszą pracę.

Zasada 2: Pozwól GWC na regeneracje! Oznacza to, że w ciągu nocy, gdy temperatura powietrza spada warto korzystać z czerpni ściennej, aby pozwolić na regenerację temperatury ziemi otaczającej rurę wymiennika.

Zasada 3: Mniej słońca! Jeśli przez okna czy okna połaciowe wpadać będzie duża ilość energii słonecznej, ogrzewać się nią będą wszelkie przedmioty znajdujące się w pomieszczeniu: meble, dywany, ściany itp. Rozgrzana plama słoneczna na dywanie jest odczuwana przez człowieka porównywalne z dobrze rozgrzanym kaloryferem zimą! W takim wypadku nie pomoże nawet najlepiej zaprojektowane GWC.

Na skuteczną pracę GWC, poza materiałem, z jakiego wykonany jest sam GWC, olbrzymi wpływ mają jeszcze dwa elementy: głębokość jego umieszczenia w gruncie oraz rodzaj gruntu, w jakim umieszczony jest wymiennik.

Jeśli GWC umieszczony będzie za płytko, czyli powyżej tzw. strefy przemarzania gruntu, na jego pracę wpływ będą miały zimowe mrozy oraz letnie upały: zimą rura będzie zamarzać i tracić sprawność, latem skuteczność wymiennika spadnie ze względu na ogrzewanie się gruntu wokół niego. Oczywiście przesadzanie z głębokością wkopywania GWC poza zwiększeniem kosztów wykonania wykopu nie na wiele się zda - zarówno 2 czy 4 metry pod ziemią panują praktycznie identyczne warunki temperaturowe. Warto w tym temacie zasięgnąć opinii fachowca z odpowiednim doświadczeniem. Wymiennik umieszczony w gruncie gliniastym i wilgotnym będzie zawsze miał nieco większą sprawność i dłuższą żywotność bez konieczności regeneracji niż wymiennik umieszczony w gruncie piaszczystym. Rodzaj gruntu powinien zostać również uwzględniony już przy projektowaniu wymiennika raz współpracującej z nim instalacji wentylacyjnej.