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. Wśród dostępnych na  rynku rozwiązań wymienić można wymienniki powietrzne: rurowe, płytowe oraz żwirowe, gdzie bezpośrednio powietrze pełni rolę medium, lub wymienniki glikolowe (takie same jakie stosuje się do pomp ciepła), gdzie ciepło z gruntu przekazywane jest 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 schładzania 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.

Rys. 1. Układ wentylacji mechanicznej z GPWC

GPWC to również element projektu budynku
Skoro już podjęliśmy decyzję, że montujemy w naszym domu wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, to należy rozpatrzyć 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 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, wykonawca sporządzi 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 powinien gwarantować szczelność na przenikanie wód gruntowych nawet pod ciśnieniem do 2,5 Bar. 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 dodatkowe problemy 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 1–3 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 Tichelmanna, jak na schemacie poniżej:

Instalacja pierścieniowa

Instalacja w formie Tichelmann’a

Wybór konkretnego typu ułożenia GPWC zależy głównie od dwóch czynników: ilości dostępnego miejsca (w tym również kolizji z innymi instalacjami)
oraz wielkości instalacji. Tutaj do tematu trzeba podejść indywidualnie i spojrzeć w lokalne uwarunkowania każdej inwestycji.

A może zwykłe rury PVC jako wymiennik?
Nic bardziej błędnego! Powód jest jeden – przewodność cieplna materiału, z którego wykonany jest GPWC. Podwyższona przewodność cieplna rur polipropylenowych przeznaczonych do systemów GPWC 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 (patrz rys. 4).

Rys. 4. Współczynnik przewodzenia ciepła różnych materiałów

Rys. 5. Wynik instytutu Freseniusa: Porównanie standardowego tworzywa PP z PP warstwą antybakteryjną

Jeżeli wybralibyśmy zwykłe rury kanalizacyjne z PVC, to de facto powinniśmy ułożyć tych rur trzykrotnie więcej aniżeli rur dedykowanych do systemów GPWC. 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 zweryfikować przy doborze centrali wentylacyjnej.

Jakość powietrza w GPWC
Kontynuując powyższy wątek rur kanalizacyjnych z PVC wykorzystywanych do GPWC, zwracam uwagę, że żadne tego typu rozwiązania nie mają 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.

Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne a zwrot z inwestycji
Inwestycja związana z wentylacją mechaniczną opartą na GPWC dla domu jednorodzinnego o powierzchni ok. 200 m2 kształtuje się następująco (Kalkulację przygotowała firma Rehau):

Kalkulacja

Koszty materiału:
• Gruntowy wymiennik ciepła 9000-10000 zł
• Rekuperator Storkair 6000-10000 zł
• Instalacja wentylacyjna wewnątrz budynku 3000-7000 zł

Koszty montażu:
• GWC 3000-4000 zł
• Instalacja wentylacyjna 4000-5000 zł

KOSZTY ŁĄCZNE: 25000-36000 zł

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. 10000 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.

Rys. 6. Dom okrągły – inwestycja z wykorzystaniem gruntowego powietrznego wymiennika ciepła (fot. Rehau)

Okres zwrotu z inwestycji szacuje się na okres 6–7 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 poniżej 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
Rehau