Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła (w skrócie GPWC) jest instalacją wspierającą i dopełniającą instalację wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Zatem, żeby w ogóle zacząć rozważania na temat tego, co i jak z GPWC, trzeba wpierw zdecydować się na instalację wentylacji mechanicznej, najlepiej z odzyskiem ciepła (czyli rekuperacją). To właśnie serce układu wentylacji mechanicznej – centrala wentylacyjna lub rekuperator, a konkretnie wentylator tam zamontowany jest motorem napędowym dla całej instalacji, również dla GPWC.

Grunt to dobra wentylacja – idea funkcjonowania GPWC

GPWC jest instalacją zapewniającą stały dopływ świeżego, higienicznego i przefiltrowanego powietrza do centrali wentylacyjnej, która wstępnie podgrzewa lub schładza powietrze wentylacyjne. Wśród dostępnych na rynku rozwiązań wymienić można wymienniki powietrzne: rurowe, płytowe oraz żwirowe, gdzie bezpośrednio powietrze pełni rolę medium lub wymienniki glikolowe (takie same jak stosuje się do pomp ciepła), gdzie ciepło z gruntu przekazywane najpierw do zamkniętego układu glikolowego, a potem do powietrza. Ze względu na wyższą skuteczność działania skupię się wyłącznie na wymiennikach powietrznych, a konkretnie na typie rurowym. Zasada działania gruntowego powietrznego wymiennika ciepła polega na wykorzystaniu temperatury gruntu oscylującej na poziomie ok. 8°C (na głębokości ok. 1,5 m poniżej rzędnej terenu) do ocieplenia lub schłodzenia powietrza płynącego systemem rur w gruncie. Powietrze to jest następnie przekazywane do centrali wentylacyjnej (najczęściej rekuperatora) i rozprowadzane w budynku systemem rur wentylacyjnych. Doświadczenia pokazują, że dzięki zastosowaniu GPWC można podnieść temperaturę doprowadzanego powietrza o 22°C w zimie i obniżyć o 20°C w lecie. Dzięki takiemu zabiegowi powietrze zasysane zimą do centrali wentylacyjno-rekuperacyjnej zostaje wstępnie ogrzane, co przekłada się na mniejsze zużycie energii elektrycznej potrzebnej do podgrzania powietrza do wymaganej temperatury w danym obiekcie. Analogicznie w lecie w przypadku wystąpienia upałów z temperaturami do 33°C powietrza po przejściu przez wymiennik ochłodzi się do temperatury 16°C. Nie ma wówczas koniczności montowania instalacji klimatyzacyjnej, która zapewnia jedynie chłodne powietrze lokalnie, blisko klimatyzatora. Często narzekamy również przy klimatyzatorach na łatwość przeziębienia oraz bóle głowy. Efekt klimatyzacyjny uzyskany dzięki gruntowemu wymiennikowi powietrza tworzy zdecydowanie wyższy komfort mieszkania oraz stabilny i równomierny rozkład temperaturowy w pomieszczeniach. Ponadto proces schłodzania powietrza latem w GPWC prowadzi do powstania wody kondensacyjnej, czyli wykroplenia wilgoci zawartej w powietrzu. Obniżenie wilgotności powietrza latem wpływa zdecydowanie na poprawę jakości powietrza i obniża odczucie ciężkiego oraz parnego powietrza.

GPWC to również element projektu budynku

Skoro już podjęliśmy jedynie słuszną decyzję, że montujemy w naszym domu wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, to równie słuszną decyzją będzie zainwestowanie w GPWC. Pamiętajmy o tym, że decyzję o montażu wentylacji mechanicznej należy podjąć już na etapie projektowania budynku. Decydując się na takie rozwiązanie, musimy uwzględnić w projekcie umiejscowienie rekuperatora (najlepiej w pomieszczeniu gospodarczym, w piwnicy lub w garażu) oraz rozprowadzenie kanałów wentylacyjnych (jak na rys. 1). Na rynku polskim dostępnych jest bardzo wiele różnych rozwiązań kanałów wentylacyjnych: podtynkowych, natynkowych, o przekroju kołowym lub prostokątnym, sztywnych oraz elastycznych. Wybór zarówno rekuperatora, jak i kanałów jest tematem samym w sobie i wymagającym osobnego potraktowania. Wróćmy do GPWC, który również najlepiej przewidzieć w momencie sporządzania projektu budynku. Wynika to przede wszystkim z konieczności określenia przestrzeni wymaganej do ułożenia GPWC w gruncie, wskazania miejsca wejścia wymiennika do budynku oraz usytuowania czerpni powietrza. Dlatego warto spotkać się z autoryzowaną firmą wykonawczą (lista takich firm dostępna jest na przykład na stronie www.rehau.pl – zakładka Autoryzowani Partnerzy REHAU – GPWC) już w trakcie tworzenia projektu budynku.

Profesjonalna firma będzie w stanie zwymiarować i zaprojektować GPWC dla konkretnych warunków klimatycznych i geologicznych w miejscu naszej inwestycji. Posługując się specjalistycznym oprogramowaniem przeznaczonym dla systemu AWADUKT Thermo firmy REHAU, wykonawca sporządzi nam projekt GPWC oraz określi jego moc grzewczą i chłodniczą. Parametry te pozwolą nam np. ograniczyć przewidywaną  moc grzewczą zaprojektowanej instalacji grzewczej, tak żeby jej nie przewymiarować i niepotrzebnie przeinwestować. Średnio dla domu jednorodzinnego o powierzchni użytkowej ok. 150 m² moc grzewcza samego GPWC oscyluje wokół 3-4 kW, dlatego o dokładnie tyle możemy zmniejszyć projektowaną moc kotłowni. Pozwoli nam to zbilansować te oszczędności w kosztach inwestycyjnych systemu wentylacji mechanicznej z GPWC oraz odpowiednio obniży nam koszty eksploatacyjne mniejszej kotłowni.

GPWC a wody gruntowe

Chciałbym w tym miejscu obalić mit, jakoby nie jest wskazane układanie GPWC w przypadku wysokiego poziomu wód gruntowych. Problem ten dotyczy na pewno wymienników powietrznych typu płytowy lub żwirowy, gdzie powierzchnie wymiany ciepła mają bezpośredni kontakt z gruntem. W tych przypadkach wody gruntowe najzwyczajniej zaleją wymiennik i uniemożliwią przepływ powietrza. Natomiast w momencie stosowania rurowego wymiennika powietrznego takiego zagrożenia nie ma. Bliskość wód gruntowych wpływa korzystnie na działanie tych wymienników ciepła, ponieważ gwarantuje stałą i wyższą temperaturę gruntu, co przekłada się na wyższą efektywność i wydajność takich instalacji. Dodatkowo zapewniona jest lepsza i szybsza regeneracja cieplna gruntu.

System rurowego GPWC gwarantuje szczelność na przenikanie wód gruntowych nawet pod ciśnieniem do 2,5 bar, co zostało potwierdzone badaniem szczelności Instytutu Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników zgodnie z normą PN-EN 1277:2005. W przypadku rozwiązania firmy REHAU wymagana szczelność systemu została uzyskana m.in. dzięki specjalnej konstrukcji mufy z pierścieniem zabezpieczającym Safety-Lock, który mocuje uszczelkę na stałe w mufie i zabezpiecza ją przed wypięciem. Układanie wymiennika w wodzie gruntowej jest związane z koniecznością tymczasowego osuszenia gruntu, starannego zagęszczenia gruntu wokół rur wymiennika i czasami wymiany tego gruntu. Przysparza to oczywiście dodatkowych problemów firmie wykonawczej, która często z tego względu odradza montowanie GPWC. Nie dajmy się zwieść takim poglądom. 

Jak układany jest rurowy GPWC?

Rury GPWC układane są tak samo jak rury kanalizacji zewnętrznej. Nie ma też obowiązku zachowania szczególnych przepisów w zakresie wykonywania podsypki. Przy wypełnianiu i wykonywaniu podsypki zalecane jest użycie gruntu rodzimego zamiast piasku, ponieważ przewodność cieplna piasku jest gorsza niż innych rodzajów gruntu (np. gliny). Spadek rurociągu powinien wynosić w kierunku przepływu co najmniej 2%. Odpływ kondensatu lub studzienkę zbierającą kondensat należy zainstalować w najniższym punkcie.

Średnica rur, długość instalacji oraz metoda ułożenia zależy w pierwszej kolejności od wielkości wymiany powietrza. W celu zapewnienia stałych warunków oraz pożądanej częstotliwości wymiany powietrza, prędkość przepływu powietrza powinna oscylować na poziomie 1 m/s – 3 m/s. Przekroczenie tej prędkości wpływa negatywnie zarówno na stratę ciśnienia, jak i wymianę ciepła. Generalnie można wyróżnić dwa typy instalacji: pierścieniową (jednorurową) lub w formie Tichelmann’a. 

A może zwykłe rury PVC lub PE jako wymiennik?

Nic bardziej błędnego! Przyczyna jest jedna – przewodność cieplna materiału, z którego wykonany jest GPWC. Podwyższona przewodność cieplna rur polipropylenowych systemu firmy REHAU umożliwia optymalną wymianę ciepła między zasysanym powietrzem a gruntem, co przekłada się na bardzo wysoką sprawność systemu. Ten parametr w przypadku zwykłych rur kanalizacyjnych z PVC jest kilkukrotnie mniejszy. Dodatkowo ze względu na działanie izolacyjne zamkniętego powietrza nie należy stosować rur kanalizacyjnych z rdzeniem spienionym lub rur dwuściennych strukturalnych.

Jeżeli wybralibyśmy zwykłe rury kanalizacyjne z PVC, to de facto powinniśmy ułożyć tych rur trzykrotnie więcej aniżeli rur AWADUKT Thermo. Owszem koszt samego materiału na 1 mb będzie mniejszy, ale licząc go razy 3, już niekoniecznie. Koszty związane z wykonawstwem również wzrosną trzykrotnie. Do tego może się okazać, że nie wystarczy nam przestrzeni na działce, żeby ułożyć tak długą instalację. Ponadto większy spadek ciśnienia przy dłuższych instalacjach wymaga zastosowania mocniejszych wentylatorów, co również należy uwzględnić przy doborze centrali wentylacyjnej. Innym rozwiązaniem możliwym do stosowania są rury polietylenowe. Wprawdzie odznaczają się one wyższym współczynnikiem przewodzenia ciepła, ale ze względu na swoją bardzo wysoką elastyczność nie nadają się do instalacji rurowych GPWC. Rury polietylenowe w klasycznym typoszeregu SDR 26 mają sztywność obwodową SN 2 lub mniejszą. Stosowanie rur w klasie SN 2 pod obciążeniem statycznym w postaci chodników, ścieżek ogrodowych lub wręcz pod budynkiem jest zdecydowanie nie wskazane. Takie rury najzwyczajniej ulegną owalizacji lub wręcz pęknięciu. Dodatkowo rury polietylenowe odznaczają się bardzo niską sztywnością wzdłużną, co sprawia, że uginają się pod ciężarem i w ten sposób tworzą się niecki w rurach GPWC. W tych nieckach zbiera się woda kondensacyjna, która zmniejsza powierzchnię przepływu powietrza oraz po czasie zaczyna brzydko pachnieć. 

Jakość powietrza w GPWC

Kontynuując powyższy wątek rur kanalizacyjnych z PVC lub PE wykorzystywanych do GPWC, zwracam uwagę, że żadne tego typu rozwiązania nie ma dopuszczenia do stosowania w układach wentylacyjnych. Stanowią o tym względy higieniczne. W takich rurach nie ma najmniejszego zabezpieczenia przed rozwojem drobnoustrojów, bakterii lub pleśni na ściankach wewnętrznych rur. Dlatego do systemów GPWC należy stosować wyłącznie produkty do tego przeznaczone i dopuszczone przez Państwowy Zakład Higieny oraz Instytut Techniki Budowlanej. Na przykład rurowe wymienniki firmy REHAU posiadają opatentowaną antybakteryjną warstwę wewnętrzną, która zapewnia higieniczne i czyste powietrze doprowadzane do budynku. Podczas specjalnego procesu wewnętrzna warstwa rury wzbogacana jest cząstkami srebra, które są całkowicie bezpieczne pod względem fizjologicznym. Dodatki te stosowane są m. in. w medycynie i urządzeniach gospodarstwa domowego w celu zapobiegania rozwojowi drobnoustrojów.  

Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne a zwrot z inwestycji

Już na samym starcie z budową domu, w którym przewidzieliśmy wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, oszczędzamy na koszcie wykonania kominów do wentylacji grawitacyjnej. Jest to czynnik, o którym inwestorzy często zapominają, a który potrafi kosztować ok. 10.000 zł. Zmniejsza nam to zdecydowanie koszt całkowity wykonania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Trzeba jednak pamiętać o tym już na etapie projektowania domu, tak by nie obudzić się zbyt późno, gdy zdecydujemy się na montaż wentylacji mechanicznej.

Doświadczenie pokazuje, że dzięki zastosowaniu gruntowego wymiennika ciepła w połączeniu z urządzeniem do odzysku ciepła (rekuperatorem) jesteśmy w stanie zaoszczędzić na kosztach ogrzewania w okresie zimowym ok. 30%. Dodatkowo uzyskujemy latem efekt klimatyzacyjny właściwie za darmo, co przy wysokich kosztach inwestycji i eksploatacji instalacji klimatyzacyjnej w domu nie pozostaje bez znaczenia. Okres zwrotu z inwestycji szacuje się na okres 7-10 lat przy założeniu stałych cen tradycyjnych nośników energii, jak chociażby gaz ziemny. Dobrze jednak wiemy, że kopalne źródła energii ulegają powolnemu wyczerpaniu oraz koszty ich wydobycia rosną, co przekłada się na stale rosnące ich ceny w średniorocznym tempie ok. 10-15%. Przy założeniu tak dynamicznego wzrostu cen gazu amortyzacja systemu GPWC skraca się znacząco, nawet do ok. 5 lat.

Bieżące koszty GPWC kształtują się na minimalnym poziomie. Należy uwzględnić jedynie nieznaczne zużycie energii urządzenia wentylacyjnego. Poza tym konieczna jest regularna kontrola lub wymiana filtrów powietrza. W zależności od warunków środowiska, lokalizacji i klasy filtra, filtry na czerpni powietrza należy czyścić lub wymieniać co 6 – 12 miesięcy. 

Jestem przekonany, że cieszący się coraz większym uznaniem system gruntowego powietrznego wymiennika ciepła przyczyni się do wymiernych oszczędności u wielu inwestorów, jak również do wzrostu świadomości ekologicznej społeczeństwa. Już dziś można powiedzieć z pełnym przekonaniem, że mechaniczna wentylacja z odzyskiem ciepła z wykorzystaniem GPWC stała się ważnym elementem budownictwa energooszczędnego i przyczynia się do uzyskania znacząco lepszych parametrów energetycznych budynku w procedurze przyznawania świadectw energetycznych.

Jakub Koczorowski
Manager Grupy Produktów Odnawialne Źródła Energii, REHAU 

(źródło: REHAU)