Technologie związane z odzyskiem ciepła lub chłodu z gruntu, na potrzeby ogrzewania lub chłodzenia obiektów, zwłaszcza mieszkalnych, znane są od wielu lat. W ostatnim czasie można zaobserwować nasilenie zainteresowania stosowaniem tego typu technologii, zwłaszcza technologii wykorzystujących podgrzewany lub chłodzony w gruncie strumień powietrza, co związane jestz ogólnym trendem światowym ukierunkowanym na stosowanie odnawialnych źródeł energii. Ponadto tego typu rozwiązania często dają użytkownikowi duże oszczędności w zakresie zużywania energii, a co za tym idzie oszczędności ekonomiczne.

Znane są sposoby odzysku ciepła lub chłodu z gruntu przy pomocy gruntowych wymienników ciepła, w których strumień powietrza płynie pod ziemią poprzez system kanałów wentylacyjnych, gdzie następuje wymiana termodynamiczna (cieplna) powietrza z gruntem. Strumień powietrza atmosferycznego o temperaturze ujemnej, zwłaszcza w okresie zimowym lub dodatniej, zwłaszcza w okresie letnim płynąc pod ziemią na głębokości około 2m napotyka grunt o temperaturze pozwalającej na podgrzanie tego powietrza zimą lub schłodzenie latem. Podgrzane lub schłodzone powietrze w GWC dostarczane jest do centrali wentylacyjnej - rekuperatora.

Zasada działania powietrznych gruntowych wymienników ciepła

Działanie powietrznych gruntowych wymienników ciepła oparte jest na zasadzie wymiany ciepła zawartego w gruncie i przekazanie go do strumienia powietrza przepływającego przez wymiennik. Każdy powietrzny gruntowy wymiennik ciepła pracuje na tej zasadzie. Największa sprawność wymienników gruntowych ma miejsce latem i zimą, czyli wtedy, kiedy mamy duże różnice temperatur pomiędzy temperaturą powietrza atmosferycznego a temperaturą gruntu w miejscu zamontowanego wymiennika gruntowego. Dlatego korzystamy ze zjawiska podgrzewania powietrza przepływającego przez GWC zimą i chłodzenia tego powietrza latem. Wymiana cieplna w gruntowych wymiennikach rurowych (przeponowych) następuje poprzez ściankę rury i jest ograniczona z tytułu strat z powodu oporu cieplnego materiału, z którego wykonana jest rura. Dlatego ważną rzeczą jest to z jakiego materiału wykonany jest gruntowy wymiennik rurowy i jaką ma grubą ściankę. Na wymianę cieplną ma wpływ również wilgotność gruntu, głębokość posadowienia wymiennika gruntowego, wielkość strumienia powietrza, rodzaj gruntu oraz czy wymiennik zlokalizowany jest w obrysie fundamentów czy też na zewnątrz. Lokalizacja w obrysie fundamentów zwiększa zdecydowanie sprawność gruntowego wymiennika ciepła.

,

Wymiana cieplna w gruntowym wymienniku modułowym (bezprzeponowym) jest o wiele lepsza niż w wymienniku rurowym, gdyż następuje poprzez zjawisko dyfuzji z gruntem. Sprawność wymiany cieplnej poprzez dyfuzję jest kilkakrotnie większa od wymiany poprzez przenikanie przez ściankę rury. Poniżej opis zasady działania i wymiany cieplnej poszczególnych systemów GWC tj. modułowego i rurowego.

Działanie i wymiana cieplna płytowego GWC „GEOSTRONG"

Powietrze atmosferyczne poprzez czerpnię z filtrem dostaje się kanałem wentylacyjnym do kolektora rozdzielającego. Z kolektora rozdzielającego, powietrze dostaje się do poszczególnych połówek kanałów, gdzie zachodzi wymiana termodynamiczna. Po przejściu przez całą długość wymiennika gruntowego powietrze dostaje się do kolektora zbiorczego skąd transportowane jest rurociągami do miejsca przeznaczenia.

Każda z połówek rur jednego modułu o długości 210 cm ma na swojej długości przetłoczenia spiralne do wewnątrz wokół swojego półkola. Oprócz przetłoczeń spiralnych są przetłoczenia (karby) do wewnątrz od góry. Celem przetłoczeń spiralnych jest uzyskanie zawirowania powietrza wokół osi przepływu, czyli zmuszenie powietrza do zejścia na podłoże, gdzie następuje poprzez zjawisko dyfuzji największa wymiana cieplna. Celem przetłoczeń (karbów) od góry jest maksymalne zakłócenie laminarnego przepływu powietrza. Dzięki takim z pozoru prostym rozwiązaniom przepływ powietrza laminarny jest zaburzony i zamienia się w turbulentny co owocuje bardzo dobrą wymianą cieplną.

Oprócz wymiany cieplnej z podłożem następuje wymiana cieplna ze wszystkich stron wymiennika, gdyż poprzez wylane stopy betonowe które na całej powierzchni otaczają każdy kanał transportujący powietrza zachodzi przepływ temperatur od podłoża. Zaletą i szczególną cechą gruntowego wymiennika ciepła GEOSTRONG, której nie posiadają inne systemy jest bezpośrednia wymiana cieplna poprzez dyfuzję z podłożem z możliwością dodatkowego odzysku ciepła poprzez betonową ściankę konstrukcji od góry wymiennika. Podobna wymiana poprzez przenikanie ciepła przez ściankę rury zachodzi w wymiennikach rurowych.

Skuteczność, sprawność oraz ogromna wytrzymałość na nacisk z góry (460 t/m²) systemu GEOSTRONG jest tak duża, że nie dorównują temu rozwiązaniu inne systemy GWC zarówno przeponowe jak i bezprzeponowe.

Podczas pomiarów w okresie zimowym nawet przy temp. od -17º C do -20º C utrzymujących się przez kilka dni powietrze na wyjściu z wymiennika gruntowego nigdy nie miało temperatur ujemnych. Dla wymienników montowanych w obrysie fundamentów temperatury za wymiennikiem wynosiły od +1ºC do +4ºC. W okresie letnim przy temperaturach w ciągu kilku kolejnych dni od +32ºC do + 35ºC powietrze na wyjściu z wymiennika osiągało temp od 14ºC do max 17ºC . W okresie letnim następuje w wymienniku gruntowym wytrącanie wilgoci z powietrza i skropliny samoczynnie odprowadzane są do podłoża wymiennika. W okresie zimowym przy niskich temperaturach następuje samoczynne dowilżanie powietrza z gruntu. Obniżenie wilgotności powietrza latem i dowilżanie zimą w zdecydowany sposób poprawia komfort wewnątrz pomieszczeń do których jest ono doprowadzane.

Jedynym zagrożeniem dla wymiennika gruntowego „GEOSTRONG" jest występowanie wód gruntowych, co jest wadą wszystkich gruntowych wymienników ciepła bezprzeponowych. Tam, gdzie występują wody gruntowe na stałym poziomie zagrażającym pracy gruntowego wymiennika ciepła należy nie montować GWC bezprzeponowego tylko szczelny rurowy. Mając na uwadze zagrożenie nagłym, okresowym podniesieniem wód gruntowych lub nagłym napływem wód opadowych i z roztopów można wykonać drenaż kontrolny wymiennika.

Działanie i wymiana cieplna rurowego GWC GLOBAL

Jest to rozwiązanie, w którym powietrze płynie rurami a wymiana cieplna z gruntem następuje wyłącznie poprzez ściankę rury. Rury GLOBAL wykonane są z polietylenu o bardzo wysokim współczynniku przewodzenia.

System GWC GLOBAL polega na wykorzystaniu rur polietylenowych z wewnętrzną powłoką antybakteryjną ale łączonych elektrooporowo lub doczołowo. Rozwiązanie takich połączeń stosowane jest z powodzeniem w gazownictwie a więc tam, gdzie szczelność rurociągu jest wymagana w 100%. Aby zwiększyć sprawność gruntowego wymiennika rurowego należy zastosować przy jego wykonaniu małe średnice rur wymiany termodynamicznej. Takie rozwiązania w celu zwiększenia sprawności urządzeń stosowane są przy budowie chłodnic i nagrzewnic wymiany cieplnej.

Ogromną zaletą polietylenu jest to, że w stosunku do polipropylenu przy tych samych grubościach rur posiada on wielokrotnie lepsza przewodność cieplną. Przewodność cieplna polipropylenu wynosi 0.22 [W/mK] a przewodność cieplna polietylenu 0.50[W/mK]. Zastosowanie systemu z rur PE zamiast PP, przy tej samej ilości rur da lepsze wyniki pracy z tytułu lepszej przewodności cieplnej.

Przy zastosowaniu tego systemu mamy pewność, że cieki wodne ani wody gruntowe nie będą zagrażały przez długie lata dobrej pracy GWC. Występowanie zaś wód gruntowych w rejonie montażu GWC poprawi znacznie jego pracę.