Ogrzanie, a tym bardziej schłodzenie powietrza wentylacyjnego sporo kosztuje. Można zmniejszyć te koszty, wykorzystując darmową energię, której ogromne zasoby są zgromadzone w ziemi.

W domach jednorodzinnych coraz częściej zamiast wentylacji grawitacyjnej instaluje się mechaniczną. Powody są oczywiste. Użycie wentylatorów zapewnia przepływ przez pomieszczenia stałej ilości powietrza - niezależnie od temperatury otoczenia i kierunku wiatru - i umożliwia kontrolę procesu jego wymiany. Wentylacja mechaniczna miałaby zapewne więcej zwolenników, gdyby nie koszt podgrzewania powietrza wentylacyjnego. Wiadomo, że nie warto ograniczać ilość świeżego powietrza, bo to pogarsza jakość mikroklimatu w pomieszczeniach. Dlatego stale dąży się do ograniczenia ilości ciepła, jakie trzeba przeznaczyć na jego podgrzanie. Wydawało się, że problem rozwiązały rekuperatory. Ale nie wszystkim to wystarcza. Ostatnio bardzo modne staje się więc wstępne ogrzewanie powietrza jeszcze przed rekuperatorem za pomocą tak zwanego gruntowego wymiennika ciepła - w skrócie - GWC.

Jak działa GWC?
Temperatura gruntu na głębokości 1,5 m wynosi w Polsce około 14°C w sierpniu i około 5°C w lutym. Nieco głębiej oscyluje wokół 8°C. Jeśli powietrze, które ma być nawiewane do domu, jest latem cieplejsze, a zimą chłodniejsze od gruntu, to w kontakcie z nim odpowiednio ochłodzi się lub ogrzeje. Za energię wykorzystaną w ten sposób do ogrzewania (chłodzenia) nie trzeba płacić, wiec warto z niej skorzystać.

Co można zyskać?

Wentylacja mechaniczna nawiewno-wywiewna w domu jednorodzinny jest zazwyczaj realizowana przez rekuperator, czyli urządzenie składającej z wentylatora nawiewnego i wyciągowego oraz wymiennika ciepła, w którym zimą powietrze nawiewane do pomieszczeń jest ogrzewane ciepłem powietrza wywiewanego. W ten sposób mimo intensywnej wymiany powietrza część ciepła raz dostarczonego domu przez instalację grzewczą pozostaje w nim. Wymiennik gruntowy jest dobrym uzupełnieniem tego systemu.

Dzięki niemu świeże powietrze, zanim jeszcze trafi do rekuperatora, jest już wstępnie podgrzane. W większości przypadków rozwiązuje to problem zamarzania wymiennika ciepła znajdującego się w rekuperatorze, co się zdarza, gdy dostaje się do niego zbyt zimne powietrze. Zamarznięty wymiennik wyłącza się automatycznie do czasu rozmrożenia, przez co obniża się średnioroczną sprawność odzysku ciepła. W naszym klimacie można liczyć na podgrzanie lub ochłodzenie powietrza w wymienniku gruntowym o kilka do kilkunastu stopni Celsjusza. Im większa jest różnica temperatury między powietrzem zewnętrznym a gruntem, tym więcej ciepła zostaje wymienione. Dlatego największe korzyści z GWC będą w czasie silnego mrozu (możliwe jest ogrzanie powietrza od -20°C do 0°C) albo podczas upałów (ochłodzenie od 30°C do 20°C). W okresach przejściowych, kiedy temperatura na zewnątrz wynosi od kilku do kilkunastu stopni Celsjusza, powietrze po przejściu przez GWC nie zmienia wyraźnie swojej temperatury. Co więcej, skutek działania GWC może być wtedy odwrotny do zamierzonego, to znaczy powietrze o temperaturze na przykład 10°C, czyli dość zimne, może zostać jeszcze trochę schłodzone. Wykorzystywanie wymiennika gruntowego wiosną i jesienią nie ma zatem sensu. Dlatego
system wentylacji wykonuje się zawsze tak, aby można go było przełączyć na pracę z pominięciem GWC.

Jak zbudować wymiennik?
Popularne są dwie odmiany gruntowych wymienników ciepła: przeponowe, w których powietrze przepływa w zakopanym pod ziemią przewodem, oraz bezprzeponowe, gdy przepływa przez odpowiednio przygotowane warstwy gruntu, mając z nimi bezpośredni kontakt. W obu przypadkach wymienniki podłącza się do instalacji wentylacyjnej, montując trójnik na przewodzie łączącym rekuperator z czerpnią powietrza usytuowaną zazwyczaj na ścianie domu. Konieczne jest zastosowanie przepustnic odcinających przepływ powietrza na odcinkach kanału między czerpnią ścienną a trójnikiem oraz miedzy wymiennikiem gruntowym a trójnikiem. W zależności od pory roku przepustnicami uruchamia się przepływ powietrza przez GWC albo przez czerpnię ścienną z pominięciem GWC. Wymiennik przeponowy (rurowy) wykonuje się zwykle z cienkościennych rur kanalizacyjnych z PCW. Są one wystarczająco wytrzymałe na obciążenia, szczelne i całkowicie odporne na korozję. Z myślą. o wymiennikach gruntowych zaczęto nawet produkować specjalne rury polipropylenowe, lepiej przewodzące ciepło, z wewnętrzną warstwą zapobiegającą rozwojowi drobnoustrojów.

Rury układa się na głębokości przynajmniej 1,5 m poniżej poziomu terenu, koniecznie ze spadkiem umożliwiającym naturalny spływ wody, która pojawia się w wymienniku na: skutek wykraplania się pary wodnej z powietrza. Optymalna średnica rur wymiennika dla domu jednorodzinnego to 200-250 mm, a prędkość przepływu powietrza około 3 m/s. Przy większej średnicy maleje prędkość przepływu powietrza i jego kontakt z gruntem trwa dłużej. Wydawałoby się, że dzięki temu wymiana ciepła będzie skuteczniejsza. Jednak w przewodach o dużej średnicy większość cząstek powietrza nie ma bezpośredniego kontaktu z ich ściankami, zatem nie wymienia z nimi ciepła. Idealnym rozwiązaniem byłyby liczne, oddalone od siebie cienkie kanaliki, którymi nie za szybko przepływałoby powietrze (tak właśnie jest zbudowany wymiennik rekuperatora). Taki wymiennik byłby jednak bardzo drogi. Jak długie powinny być rury? Teoretycznie im dłuższe, tym lepsze, bo wymienia się przez nie więcej ciepła. Jednak wraz z długością rosną opory przepływu. Optymalna długość to 35-50 m. W dłuższych rurach wzrost wymiany ciepła jest już niewielki. Rura wymiennika nie powinna zbyt często zakręcać. Każde kolano to dodatkowe opory przepływu. Należy unikać kolan załamanych pod katem 90°, stosując łagodniejsze luki. Jeśli działka jest za mała, aby zmieścił się na niej dostatecznie długi, w miar§ prosty odcinek rury, można ułożyć równolegle kilka rur (rys. 2). Kontakt powietrza z gruntem trwa wtedy krócej, ale za to powierzchnia wymiany ciepła jest większa.

W miarę możliwości rurę układa się blisko domu, bo temperatura gruntu jest tam nieco wyższa. Odległość rur od domu oraz między sąsiednimi rządami rur powinna wynosić co najmniej 1 m. Czerpnię, czyli wlot powietrza, należy osłonic daszkiem, aby zabezpieczyć wymiennik przed opadami atmosferycznymi. Powinna wystawać ponad poziom gruntu na wysokość uniemożliwiając zasypanie jej śniegiem.

Aby ograniczyć przedostawanie się zanieczyszczeń do wymiennika, na wlocie trzeba zamocować filtr powietrza.
Wymiennik bezprzeponowy to wykop o głębokości około 80 cm i długości 3-4 m wypełniony warstwą żwiru. Utworzone w ten sposób złoże izoluje się z wierzchu płytami styropianowymi. Dzięki temu mimo płytkiego posadowienia (warstwa żwiru może się znaleźć nawet powyżej poziomu terenu) temperatura wewnątrz złoża jest taka jak temperatura gruntu na głębokości 5 m. Ze złoża jest wyprowadzona czerpnia - rura z odpowiednim zakończeniem, taka sama jak w przypadku wymiennika przeponowego. Po przeciwnej stronie znajduje się druga rura, którą powietrze jest zasysane do instalacji wentylacyjnej wewnątrz budynku.

Wymiennik żwirowy umożliwia łatwe nawilżanie powietrza. To ważna zaleta, ponieważ w domach z wentylacją mechaniczną nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła powietrze zimą jest nadmiernie wysuszone. Zamiast montować specjalne elektryczne nawilżacze, w wymienniku żwirowym instaluje się rurki połączone z instalacją wodociągową, które służą do okresowego zraszania złoża. Powietrze, przepływając przez warstwę żwiru, jest jednocześnie nawilżane i filtrowane, także z zanieczyszczeń biologicznych. Niektóre rozwiązania żwirowego gruntowego wymiennika ciepła są chronione patentem i aby je zastosować, trzeba kupić licencję, wraz, z którą otrzymuje się szczegółowy projekt wymiennika.

Czy warto?
Wśród budujących domy w ostatnich latach jest wielu entuzjastów gruntowych wymienników ciepła. Koszt wy-konania wymiennika nie jest duży, a efekt działania na pewno daje się zauważyć, zwłaszcza zimą Chłodzenie powietrza latem jest również odczuwalne, jednak ze wzglądu na wielkość strumienia powietrza wentylacyjnego w domach jednorodzinnych nie można oczekiwać, że efekt będzie porównywalny do tego, jaki zapewnia prawdziwy klimatyzator. Pocieszeniem może być to, że eksploatacja klimatyzatora jest bardzo kosztowna, a wymiennik gruntowy pracuje prawie za darmo. Prawie, bo trzeba zapłacić za prąd do napędu niewielkiego wentylatora.

Piotr Laskowski, Murator 5/2005