Jak działa gruntowy wymiennik ciepła? Rodzaje GWC, montaż, zalety

Czego dowiesz się z artykułu?

Gruntowy wymiennik ciepła, czyli w skrócie GWC, to co do samej koncepcji oraz zasady działania to bardzo proste urządzenie.

Czym jest gruntowy wymiennik ciepła i dlaczego potrzebna jest instalacja wentylacji z rekuperatorem?

Gruntowy wymiennik ciepła zgodnie z nazwą jest to wymiennik ciepła, umożliwiający jego przekazywanie pomiędzy gruntem znajdującym się obok lub pod budynkiem oraz nawiewanym do domu powietrzem wentylacyjnym. W tym momencie trzeba się zatrzymać i wyciągnąć z powyższego zdania zasadniczy wniosek. Chodzi o to, że jeżeli chcemy mieć GWC i wykorzystywać darmowe ciepło zgromadzone w ziemi, to musimy mieć w domu wentylację, w której całe nawiewane do domu powietrze mamy pod pełną kontrolą, tak aby móc je najpierw „przepuścić” przez GWC, zanim trafi ono do pomieszczeń. W praktyce oznacza to zaś, że musimy mieć również wentylację z rekuperatorem. Bowiem tylko w tym systemie całe powietrze trafiające do budynku jest zasysane centralnie, za pośrednictwem jednej czerpni. Dlatego, wymiennik gruntowy traktowany jest jako uzupełnienie wentylacji z rekuperatorem, czyli używając bardziej fachowej nazwy - mechanicznej wentylacji nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła.

Można powiedzieć, że w tym przypadku interesuje nas tylko pierwsza część tej nazwy - wentylacja nawiewna - gdyż wyłącznie w takim układzie możliwe staje się czerpanie powietrza za pośrednictwem wymiennika gruntowego, wymuszenie przepływu powietrza przez niego, co skutkuje podniesieniem temperatury tego powietrza w zimie, zaś jego schłodzeniem w czasie letnich upałów. Oczywiście, technicznie możliwe jest wykonanie wentylacji nawiewnej z GWC w domu, w którym nie ma centrali wentylacyjnej z rekuperatorem. Jednak poza naprawdę nielicznymi przypadkami to w domach jednorodzinnych tylko teoria. Wykonanie systemu z rekuperacją ma znacznie więcej sensu.

Jak działa gruntowy wymiennik ciepła?

Latem chłodzi, zimą grzeje, wykorzystując do tego darmowe ciepło i niemal nie powodując dodatkowego zużycia energii (prądu). Ewidentnie brzmi to jak typowo marketingowe obietnice bez pokrycia, bajka dla naiwnych klientów, którzy znów dadzą się nabrać na kolejną cudowną technologię - najlepiej opracowaną przez amerykańskich naukowców z NASA, ewentualnie przez najwybitniejszych niemieckich inżynierów. Kłopot jednak w tym, że gruntowy wymiennik ciepła naprawdę działa i faktycznie umożliwia chłodzenie powietrza latem oraz jego podgrzewanie zimą. Jeżeli są tu jakieś zastrzeżenia (te zapisywane drobnym druczkiem na końcu), to takie, że nie dostaniemy go za darmo, lecz zapłacimy za kilkanaście tysięcy złotych, będziemy musieli przeznaczyć na wymiennik gruntowy kawałek działki lub umieścić go pod domem, nie każdy rodzaj GWC będzie odpowiedni na każdą działkę. Całość będzie zaś musiała zaprojektować i wykonać solidna firma z niemałym doświadczeniem. Bowiem pozorna prostota działania gruntownego wymiennika ciepła może stać się pułapką.

Wymiennik wykorzystuje ciepło zgromadzone w gruncie, fot. PRO-VENT

Podstawą działania GWC jest powszechnie znany fakt, że temperatura gruntu zmienia się znacznie wolniej i w o wiele mniejszym stopniu, niż temperatura powietrza w ciągu roku. Dzieje się tak zaś dlatego, że grunt jest potężnym akumulatorem ciepła. Nagrzewa się i wychładza bardzo powoli, przy czym na jego temperaturę wpływa zarówno oddziaływanie powietrza, słońca i deszczu od góry, jak i ciepło pochodzące z wnętrza ziemi (temperatura rośnie wraz z głębokością). Cóż więc prostszego, niż wykorzystać to ciepło, umieszczając w ziemi GWC, czyli wymiennik typu grunt/powietrze? To właśnie ze względu na fakt, że w ziemi pod naszymi stopami magazynowane są tak ogromne ilości ciepła, zaś temperatura głębszych warstw gruntu zmienia się tylko w bardzo ograniczonym stopniu możliwe jest zarówno podgrzewanie powietrza w zimie, jak i jego ochładzanie latem. Co bardzo ważne ruch ciepła w obu sytuacjach odbywa się w sposób naturalny - od ciała cieplejszego do chłodniejszego - co stanowi zasadniczą różnicę względem pomp ciepła. Po prostu grunt wokół wymiennika ma stale ok. +10°C, natomiast to temperatura powietrza się zmienia. Ostatecznie powoduje to, że albo się ono ochładza, albo ogrzewa, w zależności od pory roku.

Czy opłaca się montować gruntowy wymiennik ciepła - zalety GWC

Za wykonanie gruntowego wymiennika ciepła musimy zwykle zapłacić od kilku do kilkunastu tysięcy zł. Pojawia się więc zasadnicze pytanie - czy warto ponieść ten wydatek? Co zyskujemy w zamian?

GWC pozwoli zaoszczędzić na kosztach ogrzewania

Gruntowy wymiennik ciepła może tak naprawdę pełnić aż trzy funkcje. Po pierwsze, w sezonie zimowym przepływające przez niego powietrze zostaje wstępnie podgrzane. Skutek jest taki, że do rekuperatora trafia powietrze już nie o temperaturze -10 czy -15°C, ale np. mające +2°C lub więcej. Oszczędzamy więc na kosztach ogrzewania domu. Ciepło odebrane z gruntu jest przecież darmowe.

Zimą GWC wstępnie podgrzewa nawiewane do budynku powietrze. Zabezpiecza też wymiennik w rekuperatorze przed szronieniem, fot. PRO-VENT

GWC umożliwia schładzanie powietrza latem

Po drugie, w sezonie letnim GWC umożliwia schładzanie nawiewanego powietrza. To możliwe, gdyż grunt nagrzewa się znacznie słabiej i wolniej niż powie trze. Nawet w czasie największych upałów ma więc zaledwie kilkanaście stopni. Izolując zaś wymiennik gruntowy od góry, najczęściej warstwą polistyrenu ekstrudowanego (XPS), możemy jeszcze ten efekt spotęgować. Nawiewając do budynku schłodzone powietrze ograniczamy zaś nagrzewanie się pomieszczeń. Trzeba jednak od razu uprzedzić, że nie jest to tak intensywne chłodzenie jak te, które zapewniają klimatyzatory. Jednak w wielu domach może być wystarczające, szczególnie jeżeli mamy też odpowiednie osłony okienne. Tak czy inaczej zyskujemy większy komfort i ograniczamy konieczność używania klimatyzacji.

GWC chroni przed szronieniem - zamarzaniem skroplin

Po trzecie, wstępne podgrzewanie powietrza nawiewanego stanowi jeden ze sposobów zabezpieczenia wymiennika ciepła w centrali wentylacyjnej przed szronieniem, czyli zamarzaniem skroplin. Chodzi o to, że gdy ciepłe i wilgotne powietrze usuwane z wnętrza budynku zostaje schłodzone przez bardzo zimny strumień powietrza nawiewanego, to zaczyna wykraplać się z niego para wodna. Skropliny zaś zamarzają i to jeszcze wewnątrz rekuperatora. To zjawisko można ograniczyć lub nawet całkowicie wyeliminować, dzięki wstępnemu podgrzewaniu powietrza przez GWC. Niekiedy wymiennik gruntowy buduje się właściwie tylko po to. Wówczas jest on niewielki, zbyt mały aby odczuwalnie zmniejszyć koszty ogrzewania domu zimą lub jego chłodzenia latem.

Jakie są rodzaje gruntowych wymienników ciepła - przeponowy, bezprzeponowy, glikolowy

Podstawy teorii działania wymiennika gruntowego mamy już za sobą. Jednak trzeba mieć świadomość tego, że w rzeczywistości to z pozoru tak proste urządzenie musi spełniać konkretne warunki, żeby jego działanie było satysfakcjonujące. Przede wszystkim sam rodzaj wymiennika ciepła trzeba dopasować do warunków gruntowo-wodnych panujących na działce. Ponadto właściwie dobrać jego wielkość.

Na naszym rynku dostępne są następujące rodzaje gruntowych wymienników ciepła:

wymienniki żwirowe;
wymienniki płytowe;
wymienniki rurowe;
wymienniki glikolowe.

Żwirowy wymiennik ciepła

Te dwa pierwsze nazywa się bezprzeponowymi, bo nawiewane do domu powietrze ma bezpośredni kontakt z gruntem. W wersji żwirowej wymiennika ciepła powietrze przepływa po prostu przez złoże grubego, płukanego żwiru, przykryte izolacją cieplną. To wariant znany od wielu lat, technicznie bardzo prosty i dość tani w budowie. Niestety, opory przepływu powietrza są dość duże, co pociąga za sobą konieczność stosowania w centrali wentylatora o wystarczająco dużej mocy i sprężu. Ten zaś zużywa nieco więcej prądu.

Przeczytaj

Może cię zainteresować

Wentylacja decentralna w modernizacji budynków - poprawa... Systemy wentylacji - który jest najlepszy do Twojego domu? Centrale wentylacyjne a komfort w cieplejszym sezonie....

Dowiedz się więcej

Zobacz więcej Zobacz mniej

Wymiennik ciepła płytowy

Odmiana wymiennika ciepła płytowa składa się z płyt z tworzywa sztucznego. Układa się je na podkładkach dystansowych, w wykopie nad wyrównaną i odpowiednio przygotowaną powierzchnią gruntu. Powietrze przepływa przez szczelinę utworzoną pomiędzy płytą i gruntem. Opory są bardzo małe.

Rurowy wymiennik ciepła

W odmianie wymiennika ciepła rurowej układa się w gruncie kilkadziesiąt metrów rur z tworzywa sztucznego. To przez te rury przepływa powietrze. Rury muszą być odpowiednio szczelne (dobrze uszczelnione na połączeniach) oraz wytrzymałe, aby nie odkształcały się pod wpływem naporu gruntu. Powinno się je wykonać ze specjalnych rur, które mają obydwie te cechy oraz powierzchnię wewnętrzną odporną na rozwój mikroorganizmów. Spotykane na wielu forach internetowych porady, aby użyć zwykłych rur kanalizacyjnych są co najmniej ryzykowne. Zasadniczą zaletą wymiennika ciepła rurowego jest możliwość wykonania go nawet przy bardzo wysokim poziomie wód gruntowych, oczywiście pod warunkiem zachowania szczelności.

Glikolowy wymiennik ciepła

To samo można powiedzieć o wymiennikach glikolowych. W ich przypadku mamy zupełnie inną konstrukcje, analogiczną raczej do kolektora poziomego pomp ciepła. Tu również w gruncie mamy zakopane rury, w których krąży płyn niezamarzający. Odebrane lub przekazane przez taki kolektor ciepło jest w kolejnym wymienniku przekazywane powietrzu wentylacyjnemu. Ten wariant ma tylu zwolenników, co i przeciwników. Trzeba się liczyć z faktem, że wprowadzenie czynnika pośredniczącego w wymianie ciepła (płynu niezamarzającego) nieco utrudnia przekazywanie ciepła.

Gdzie wykonać gruntowy wymiennik ciepła - obok czy pod budynkiem?

Dawniej wymienniki gruntowe wykonywano niemal zawsze obok budynku. Wynikało to w pewnej mierze z faktu, że często robiono je przy domach już istniejących. Ponadto całą rzecz traktowano jako nowość, projektanci niechętnie więc decydowali się na umieszczenie GWC pod dopiero wznoszonym domem. Jednak obecnie się to zmienia, wymienniki gruntowe coraz częściej umieszczane są właśnie pod budynkiem, tzn. pod podłogą na gruncie lub pod płytą fundamentową. Nie ma prostej odpowiedzi na pytanie, który z tych wariantów jest lepszy.

Lokalizacja obok budynku umożliwia wykonanie GWC w dowolnym momencie, także w już użytkowanym domu. Ponadto mamy do niego dostęp w razie awarii.

Natomiast wymiennik ciepła fundamentowy, czyli umieszczony pod budynkiem nie zajmuje dodatkowego miejsca, można go więc wykonać nawet na bardzo małej działce. Ponadto taki wariant może być wyraźnie tańszy. Wykorzystujemy przecież wykop, który i tak jest potrzebny. Co jeszcze ważniejsze, izolację wymiennika zapewnia warstwa XPS lub twardego styropianu, którą wykorzystujemy do izolacji podłogi na gruncie lub płyty fundamentowej.

GWC pod płytą fundamentową czy pod podłogą?

W naszym kraju niemal wszystkie domy jednorodzinne mają jeden z dwóch rodzajów fundamentów. W pierwszym z nich, tradycyjnym i najbardziej rozpowszechnionym, mamy ławy fundamentowe, na których opierają się ściany fundamentowe, na nich zaś ściany nośne budynku. Zwykle ławy zagłębia się poniżej poziomu przemarzania gruntu (ok. 1 m). W takiej sytuacji wymiennik gruntowy można umieścić w obrysie budynku, pod izolowaną podłogą na gruncie.

Płyta fundamentowa zapewnia nie tylko przeniesienie obciążeń na budynek. Można ją wykorzystać również do wykonania ogrzewania podłogowego oraz przykrycia od góry wymiennika gruntowego, fot. BRINKMANN BODENPLATTE

Natomiast płyta fundamentowa to zbrojona żelbetowa płyta nośna, posadowiona bardzo płytko. Dzięki niej ciężar budynku rozkłada się na bardzo dużą powierzchnię. Cała płyta jest izolowana cieplnie od gruntu, bez mostków cieplnych. Dlatego płyty fundamentowe zyskują na popularności, bo coraz bardziej dbamy o energooszczędność. Nabiera to szczególnego znaczenia w domach o najwyższym standardzie energetycznym, tych zbliżonych do budynków pasywnych. Dobrze izolowana płyta fundamentowa może przy tym zastąpić podłogę na gruncie. Jeżeli zaś zostanie w niej wykonane ogrzewanie podłogowe, to zyskuje się płytę o wyjątkowej zdolności do akumulacji ciepła. W takiej sytuacji zasadnicze znaczenie ma skuteczna izolacja cieplna. Najlepiej nadaje się do tego polistyren ekstrudowany (XPS), gdyż jest on bardzo odporny na wilgoć oraz cechuje go wyjątkowa odporność na obciążenia. Dzięki temu można z powodzeniem umieścić gruntowy wymiennik ciepła pod płytą fundamentową. W praktyce pozwala to w istotny sposób obniżyć koszty. Bowiem ta sama, dość droga przecież warstwa XPS, zapewnia równocześnie izolację cieplną płyty fundamentowej, jak i wymiennika gruntowego. Takie umiejscowienie GWC przydaje się w przypadku wysokiego poziomu wód gruntowych na działce. Wymiennik znajduje się bowiem znacznie wyżej niż w przypadku GWC poza budynkiem. Przede wszystkim trzeba jednak pamiętać, że wykonanie wymiennika pod budynkiem wymaga przede wszystkim uzgodnienia projektu i przebiegu wszystkich prac pomiędzy firmami wykonującymi GWC oraz fundament. Trzeba dostosować wszystko do charakterystyki gruntu oraz przewidywanych obciążeń wywieranych przez budynek.

Od czego zależy sprawność gruntowego wymiennika ciepła?

Efektywność gruntowego wymiennika ciepła (GWC) zależy bezpośrednio od stabilności termicznej otaczającego go podłoża. Choć całkowicie stała temperatura gruntu (ok. 7-8°C) występuje dopiero na głębokościach rzędu 8 m, to ze względów ekonomicznych i montażowych gruntowy wymiennik ciepła umieszcza się na głębokości około 1,2 m pod terenem. Na tej głębokości grunt podlega jeszcze wahaniom sezonowym. Aby zniwelować wpływ mroźnej zimy czy upalnego lata, nad wymiennikiem stosuje się warstwę termoizolacji (np. styropian EPS czy XPS np. pod podjazdami). Taki zabieg pozwala „oszukać” naturę - izolacja symuluje głębsze posadowienie wymiennika, odcinając go od wpływu warunków atmosferycznych. Bez niej wydajność systemu z GWC byłaby mocno uzależniona od aktualnej pory roku, co zimą mogłoby skutkować niedostatecznym podgrzaniem powietrza. GWC znajdujący się pod budynkiem jest również świetnie izolowany od warunków zewnętrznych. Izolacja podłogi na gruncie zgodna z przepisami po pierwsze skutecznie odcina grunt, a po drugie minimalizuje wpływ GWC na mikroklimat wnętrz, w tym również na ogrzewanie podłogowe - wyjaśbia ekspertka Magdalena Skórska, projektantka instalacji sanitarnych Pro-Vent.

Czy GWC może nadmiernie wychłodzić grunt? Gdy zimą czerpiemy powietrze o temperaturze np. -10°C, dochodzi do intensywnego odbioru ciepła z otoczenia. Warto wiedzieć, że miejscowe przemarzanie gruntu w bezpośrednim sąsiedztwie pracującego wymiennika i to wyłącznie od strony powietrza zewnętrznego jest zjawiskiem normalnym i dopuszczalnym. Nie świadczy to o błędzie, lecz o intensywnej wymianie energii. Kluczowe jest jednak, aby cały system został zaprojektowany i wykonany przez profesjonalną firmę instalacyjną. Eksperci potrafią tak dobrać parametry gruntowego wymiennika ciepła i jego izolację, aby proces ten nie wpływał negatywnie na stabilność pracy instalacji i komfort mieszkańców.