Zasady doboru i techniczne aspekty rurowych GWC

Rozwój nowoczesnych technologii w segmencie ogrzewnictwa uwidacznia w sposób szczególny w ostatnich latach trend w kierunku energooszczędności instalacji. Do tego typu rozwiązań można zaliczyć systemy wentylacji wymuszonej z odzyskiem ciepła w połączeniu z rurowym gruntowym wymiennikiem ciepła (GWC).

Spośród proponowanych rozwiązań
w Polsce aktualnie można wymienić
m.in.:
● rurowe wymienniki ciepła z rur antybakteryjnych,
● żwirowe wymienniki ciepła,
● płytowe wymienniki ciepła.
W niniejszym artykule postaram
się przedstawić podstawowe zasady
doboru wymiennika ciepła i techniczne
aspekty przy projektowaniu i
montażu instalacji rurowych GWC.

Fot. 1. Gruntowy wymiennik cieplny AWADUKT Thermo
w centrum handlowym Tesco w Zdzieszowicach, woj. opolskie.
Fot. z archiwum firmy REHAU
Zasada działania GUC
Zasada działania gruntowego wymiennika
cieplnego polega na wykorzystaniu
efektu naturalnego ciepła
gruntu w lecie i naturalnego
chłodu gruntu w zimie. Grunt poniżej strefy przemarzania ma stałą
temperaturę oscylującą wokół
+8oC. Powietrze zewnętrzne w zimie
zasysane systemem rurociągów
zamontowanych na głębokości poniżej 1,5 m ociepla się do temperatury
około +2ujemnychC przy ujemnych
temperaturach dochodzących do -
15oC. W lecie GWC działa w sposób
odwrotny. Zasysane systemem rurociągów
gorące powietrze o temperaturze
+28oC, przepływając, podlega
procesowi naturalnego ochłodzenia
do temperatury około +16oC.
Dzięki temu w zimie znacząco redukujemy
temperaturę zewnętrzną,
a w lecie uzyskujemy efekt naturalnej
klimatyzacji. Systemy tego typu
na szeroką skalę są od wielu lat stosowane
np. w Finlandii. Zalety tego
rozwiązania już wielokrotnie były
poruszane w wydaniach „Magazynu
Instalatora”.
Dobór instalacji GUC
Decydując się na system GWC lub
rozpoczynając projektowanie instalacji,
w pierwszym kroku należy ocenić
jej wielkość. Wielkość instalacji
GWC jest uzależniona od następujących
kryteriów:
● Wielkość budynku i jego rodzaj. W
tym kryterium należy ocenić kubaturę budynku, rodzaj użytkowania i
ilość pomieszczeń. Na podstawie
tych danych projektant instalacji
wentylacji wymuszonej, np. z: rekuperatorem,
określi wymaganą wydajność
urządzenia Q w [m3/h].
● Strefy klimatyczne w Polsce. Polska
została podzielona na pięć stref
klimatycznych, które definiują wartość
temperatury zewnętrznej. Przy
doborze wymiennika należy nie tylko
uwzględnić minimalny zakres
temperatury w zimie, np. dla rejonu
Warszawy -20oC, lecz również przebieg
maksymalnej temperatury letniej
dla tego samego regionu. Na
podstawie tych parametrów trzeba
określić również sprawność wymiennika
w letnim cyklu pracy. Generalnie
przy projektowaniu tego
typu układów ten parametr jest kluczowy
przy określaniu długości wymiennika.
Z tego powodu należy
sprawdzić, czy przyjęte przez nas
temperatury obliczeniowe są prawidłowe.
Można tu posłużyć się danymi
meteorologicznymi IMGW lub z
atlasów meteorologicznych. Istotna
jest tutaj wiedza na temat przebiegów
godzinowych temperatur dla
danej strefy klimatycznej. Warto tutaj
podeprzeć się gotowymi programami
obliczeniowym, które przy
wyborze określonej strefy klimatycznej ustalają maksima temperaturowe.
● Rodzaj gruntu. Każdy grunt posiada
odpowiedni współczynnik przewodności
cieplnej. Współczynnik
ten określa, jak szybko dany grunt
jest w stanie oddać lub przejąć ciepło
z otoczenia. W zależności od rodzaju
gruntu wymagana wielkość
wymiennika może drastycznie ulec
zmianie nawet o 35%. Istotne jest
zawsze określenie rodzaju gruntu
znajdującego się na danej głębokości
wymiennika. W tym celu zawsze
warto sięgnąć po badania geologiczne
wykonywane na potrzeby projektowania
budynku. W przypadku instalacji
większych zaleca się również
wykonanie analizy gruntu pod
względem współczynnika przewodności
cieplnej [W/m*K]. Grunty korzystne
pod względem przewodnictwa
cieplnego to np.: gliny, iły, torfy
i grunty organiczne, a niekorzystne
grunty to np.: żwiry, piaski.
● Tryb eksploatacji GWC. Parametr
ten określa sposób użytkowania
GWC. W tym punkcie ustalamy, czy
dany wymiennik będzie eksploatowany
przez cały rok, czy też przez
część sezonu, np. w lecie. Nie jest
to może parametr decydujący, ale w
przypadku dużych instalacji może
mieć on duże znaczenie. Unikniemy
w tym przypadku nieuzasadnionego
przewymiarowania instalacji.
● Rodzaj materiału stosowanego do
budowy rurowego GWC. W projektowaniu
najistotniejszy wpływ na
wydajność instalacji ma współczynnik
przewodności cieplnej poszczególnych
materiałów, np. tworzyw
sztucznych. Współczynnik ten można określić dla danego materiału w
sposób badawczy, np. dla tworzyw
sztucznych według normy DIN
52613. Rodzaj materiału stosowanego
w rurowych wymiennikach ma
kluczowe znaczenie. Generalnie zastosowane
materiały muszą mieć
jednorodną budowę. W zasadzie zabrania
się stosowania rur z tworzyw
sztucznych z rdzeniem spienionym.
Tego typu materiały kuszą z pewnością
ceną, ale ukryty w ściance rury
gaz – CO2 pełni rolę izolatora wymiany
ciepła między gruntem a powietrzem.
Osobiście uważam, iż decydując
się na zastosowanie takiego
materiału w GWC, stawiamy pod
znakiem zapytania sensowność budowy
GWC. Na wykresie zestawiono
przykładowe wartości współczynników przenikania ciepła dla
rur z tworzyw sztucznych.

Wykres 1. Porównanie
współczynników przepuszczalności cieplnej dla różnego rodzaju tworzyw sztucznych
● Woda gruntowa. Woda gruntowa
otaczająca rurociągi GWC jest zjawiskiem
bardzo korzystnym, ponieważ zachowuje stała temperaturą
otoczenia rurociągu. W praktyce
działanie wody gruntowej polepsza
dodatkowo sprawność wymiennika.
Dotychczas nie udało się jeszcze
wypracować modeli matematycznych
pozwalających na obliczeniowe
uwzględnienie korzystnego
działania wody gruntowej.

Fot. 2. Gruntowy wymiennik cieplny
Fot. z archiwum firmy REHAU
Budowa instalacji GUC
Różnice między GWC rurowym w
układzie Tichelmanna i w układzie
pierścieniowym zostały już wielokrotnie
wyjaśniane na łamach „MI”,
np. w numerze z marca 2006 roku. W
tym punkcie chciałbym opisać kilka
dodatkowych cennych wskazówek
przy projektowaniu układów w formie
Tichelmanna. Praktyka instalacyjna
pokazuje, iż układ ten ze
względu na swoją prostotę i sprawność
jest w Polsce bardzo popularny.
Prędkość powietrza w pojedynczych
nitkach instalacji powinna wynosić
V 1000
m3/h, warto pamiętać o potrzebie
kompleksowego rozwiązania problemu
powstawania kondensatu w
instalacji. Warto rozważyć w pełni
automatyczne odprowadzenie kondensatu
za pomocą pompy.
Rurowe gruntowe wymienniki
ciepła ze względu na prostotę swojej
budowy i wysoką sprawność znajdują
coraz szersze zastosowanie.
Mam nadzieję, iż wiele z podanych
w tym artykule informacji pozwoli
na lepsze i efektywniejsze wykorzystanie
możliwości tego energooszczędnego systemu.
Autor: Marcin Motylski
Źródło: Magazyn Instalatora 2/2007