Dom pasywny – gruntowy wymiennik ciepła

Dom pasywny – wstęp

Dom pasywny – gruntowy wymiennik ciepła (tu jesteś)

Dom pasywny – wentylacja, ogrzewanie i chłodzenie

Dom pasywny – jak pozbyć się mostków liniowych?

„Najczystszą formą energii jest energia niezużyta”

W poprzednim artykule podałem ogólne zasady budowy domów pasywnych. O zasadach tych będę jeszcze przypominać przy omawianiu konkretnych rozwiązań technologicznych.
Zaczynamy od fundamentów i wymiennika gruntowego (nie mylić z pompą ciepła).
Nasz fundament ma „prawie” typowe rozwiązanie. Różni się od tradycyjnego fundamentu tylko zastosowaną „opaską” wykonaną z szarego betonu komórkowego.
Po co nam ta „opaska”? Właściwości izolacyjne bloczków cementowych, z których wykonaliśmy fundamenty, oraz naszych murów wewnętrznych (pustak ceramiczny) nie są najlepsze. Zaliczamy je do tzw. „ścian zimnych”; połączenie „zimnego” fundamentu z „zimną” ścianą, generuje spore straty ciepła do gruntu. Po zastosowaniu naszej „opaski”, której tzw. współczynnik przewodności cieplnej, jest kilkakrotnie lepszy od współczynnika pustaka ceramicznego czy bloczków fundamentowych, oddzieliliśmy „zimny” fundament od „zimnej” ściany. W ten sposób znacznie ograniczymy straty ciepła na połączeniu: ściana-fundament-grunt. Należy pamiętać, aby bloczek z betonu komórkowego był układany co najmniej 30 cm ponad poziomem terenu. Dobrze jest też zastosować dodatkową zewnętrzną izolację fundamentu w formie tzw. foli kubełkowej.
Wymiennik gruntowy w systemie wentylacji w budynku.
Przypominam: w budynku pasywnym wentylacja grawitacyjna nie istnieje, gdyż podstawowym źródłem „dostawy” świeżego powietrza, i to w pełni kontrolowanym, jest wentylacja mechaniczna nawiewno-wywiewna.
Jest to najważniejsza instalacja w naszym budynku, gdyż pośrednio dostarcza nam ok. 80%-90% energii cieplnej na potrzeby ogrzewania i przede wszystkim, odpowiednią ilość powietrza wentylacyjnego. Sposób, w jaki rozwiążemy ogrzewanie (chłodzenia) tego powietrza, decydować będzie o komforcie cieplnym oraz o kosztach związanych z ogrzaniem naszego budynku.
W swoim domu zastosowałem system wentylacji współpracujący z tzw. wymiennikiem gruntowym bezprzeponowym (producent: ProVent Opole).
Można oczywiście zastosować inny rodzaj wymiennika gruntowego, a czasem nawet trzeba, np. przy wysokim poziomie wód gruntowych (wymiennik „rurowy” czy „żwirowy”).
Wybrałem ten wymiennik, gdyż poprzez odpowiedni system izolacji, temperatura gruntu, od którego odbierane jest ciepło, niewiele się zmienia w trakcie roku. Dodatkowo testuję na sobie możliwość zamontowania takiego wymiennika bezpośrednio pod domem, co jest szczególnie ważne jeżeli nasza działka jest niewielka (np. budynki w zabudowie szeregowej).
Przy takim rozwiązaniu musieliśmy jednak zastosować dodatkową warstwę izolacyjną (12 cm styropianu) nie tylko od góry wymiennika, ale także po jego bokach (zdjęcie poniżej). Wymiennik został po prostu zamknięty w „puszce styropianowej” otwartej tylko od dołu.
Chodziło o to, aby wyeliminować możliwość wystąpienia dodatkowych strat ciepła przez podłogi, oraz możliwość przemarzania fundamentów od wewnątrz (fundamenty izolujemy tylko od zewnątrz); w tym wypadku musimy wziąć pod uwagę, że w skrajnym przypadku, „ściągamy” sobie pod dom (w pobliże fundamentów) powietrze zewnętrzne o temperaturach bardzo niskich (nawet poniżej -25ºC); brak zabezpieczenia w formie izolacji pionowej wymiennika groziłoby nawet przemarzaniem ścian fundamentowych.
Jak pracuje taki wymiennik (w sumie zasada pracy dowolnego wymiennika gruntowego jest podobna) widzimy na schemacie poniżej.
Wymiennik ten należy zmontować na głębokości co najmniej 0,7 m (najlepiej poniżej 1 m). Powietrze dostaje się do wymiennika przez czerpnię zewnętrzną wyposażoną w filtr i zostaje ogrzane przez grunt. Następnie przechodzi do komory mieszającej (o niej za chwilę) i rekuperatora gdzie nastąpi dogrzanie końcowe powietrza w wymienniku krzyżowym (rekuperatorze). Zwracam uwagę na konieczność zastosowania rekuperatora o bardzo wysokiej sprawności. Proponowanym tutaj rozwiązaniem jest rekuperator z podwójnym wymiennikiem krzyżowym. Sprawność takiego rekuperatora wynosi co najmniej 70 % (średnio ponad 80 %). Zdecyduję się chyba na zastosowanie rekuperatora o nazwie handlowej Mistral GEO – 300 (producent ten sam, który dostarczał wymiennik gruntowy) i wydajności 200÷310 m3/h.
Poniżej przedstawiam pomiary wykonane na istniejącym wymienniku gruntowym w styczniu 2006 i lipcu 2005. Jak widać temperatura powietrza za wymiennikiem w zimie zmienia się w niewielkim zakresie, i to prawie niezależnie od temperatury powietrza zewnętrznego.
W lecie wymiennik schładza nam powietrze nawiewane.
Grunt pod wymiennikiem ma praktycznie stałą temperaturę wynoszącą 8÷10ºC przez cały rok. Obrazuje nam to wykres poniżej. Zastosowana izolacja wymiennika powoduje, że jego praca będzie praktycznie niezależna od temperatur zewnętrznych; wymiennik zachowuje się tak jakby był zakopany na głębokości 7÷8 metrów. Mało tego, jak prześledzimy ten wykres temperatur, to okazuje się, że w lecie grunt pod wymiennikiem ma temperaturę niższą niż w zimie (występuje tu zjawisko przesunięcia w czasie amplitudy temperatury o ok. 6 miesięcy).
Teraz kilka słów o komorze mieszającej, którą zdecydowałem się wykonać i zastosować. Zadaniem wymiennika gruntowego jest wstępne podgrzanie powietrza nawiewanego w zimie lub ochłodzenie tego powietrza w lecie (naturalna klimatyzacja?). Problemem będą okresy przejściowe, gdy temperatura powietrza zewnętrznego mieści się w granicach 10÷15ºC. Po co mamy schładzać powietrze o temperaturze np. 12ºC w takim wymienniku, skoro zaraz je podgrzewamy w rekuperatorze? Należy więc zamontować dodatkową czerpnię powietrza zewnętrznego, która ominie nam wymiennik gruntowy. Oczywiście trochę komplikuje nam się układ sterownia, gdyż musimy badać temperaturę powietrza zewnętrznego i w zależności od tej wartości pobierać powietrze przez wymiennik lub z jego pominięciem… w sumie więc musimy mieć właśnie taką komorę mieszającą i system przepustnic sterujących. Zdecydowałem się także, że zamontuję w tej komorze dodatkowy czujnik temperatury i wilgotności (dla zbierania „doświadczeń”). Schemat blokowy organizacji nawiewu i wywiewu powietrza w sezonie grzewczym przedstawiam poniżej.
W lecie powietrze nie przechodzi przez rekuperator, lecz jest nawiewane bezpośrednio z komory mieszającej. Lato ma zresztą zupełnie inne wymagania w zakresie ilości powietrza nawiewanego, gdyż w budynkach pasywnych problemem znacznie chyba poważniejszym od zimy, jest problem przegrzewu w lecie. Nasze duże okna od strony południowej, które w zimie dostarczają nam bezcenną energię słoneczną (pasywne ogrzewanie) w lecie stanowią problem, gdyż ich zaleta w zimie, staje się poważnym problemem w lecie (zyski słoneczne grożą przegrzewaniem pomieszczeń).
Jak rozwiązać ten „letni” problem?
Trochę pomoże nam wymiennik gruntowy (patrz wykres temperatur za wymiennikiem w lipcu 2005), który w lecie schładza nam powietrze zewnętrzne, ale to może być za mało. Proponuję dodatkowo trzy metody „walki” z przegrzewem pomieszczeń w lecie:

1) możliwość zwiększenia strumieni powietrza do co najmniej 2 wymian na godzinę (najlepiej 3 wymiany)

2) zastosowanie odpowiednich markiz (preferuję markizy „naturalne”)

3) stosowanie tylko oświetlenia energooszczędnego

Markizy „naturalne” to po prostu bluszcze (pnącza, winorośl), które zrzucają swoje liście na zimę, a które posadzimy na pergolach wokół tarasu. Taka naturalna markiza zaczyna puszczać liście i pędy od wczesnej wiosny i w czerwcu mamy już piękny naturalny „zielony dach” nad tarasem i oknami.
Ten system sprawdzam od pięciu lat w moim obecnym domu i jest naprawdę bardzo skuteczny. Należy tylko pamiętać o dwóch sprawach (ja niestety o nich nie pomyślałem wcześniej)…
Po pierwsze: żadnych kwiatków!!!... opadają i brudzą taras w lecie… w jesieni, z kolei, mamy jagody, które znów będą nam brudziły taras na fioletowo, … a w zimie mamy ptaki, które uwielbiają te jagody i znów mamy brudny taras, tym razem dzięki ptaszkom.
Po drugie: w pochmurne dni, przy bardzo gęstych liściach naszej „naturalnej” markizy, możemy mieć problem z odpowiednim doświetleniem pomieszczeń światłem dziennym (czasem o 15-tej musimy zapalać światło w pokoju); proponuję tutaj zastosowanie w jednym oknie zwykłej markizy, którą w razie potrzeby zwiniemy i doświetlimy sobie mieszkanie.
Wymiennik gruntowy to nie jedyne źródło ciepła w naszym budynku. Wprawdzie głównym źródłem ciepła są zyski pasywne (tzw. zyski bytowe i słoneczne, o których opowiem przy okazji omawiana okien), ale dodatkowo w łazienkach zastosujemy ogrzewanie elektryczne podłogowe. Łazienki wymagają temperatury na poziomie 24÷25ºC, dlatego musimy je „dogrzewać”. Zwracam uwagę na fakt, że ok. 80 % ciepła z takiego ogrzewania „wróci” nam z powrotem w ogrzanym powietrzu, po przejściu przez rekuperator; nie jest to więc energia całkowicie stracona. Dodatkowo w centrali możemy zastosować grzałkę elektryczną (moc ok. 1,5 kW), która dogrzeje nam powietrze, jeżeli będzie taka potrzeba.
Zrezygnowałem jednak z tej grzałki na rzecz innego ogrzewania wspomagającego. Będą to maty grzewcze o powierzchni ok. 2÷3 m2 montowane na ścianach, podtynkowo, pod oknami w pokojach. Maty te sterowane będą termostatami pokojowymi. Moc takiej jednej maty wyniesie ok. 200÷300 W, a temperatura pracy jak dla ogrzewania podłogowego, czyli ok. 27÷28ºC.
Kolejnym źródłem ciepła (nie branym do bilansu) będzie kominek z zamkniętą komorą spalania (powietrze zewnętrzne do spalania nawiewane jest pod palenisko osobnym kanałem wentylacyjnym o średnicy 20 cm). Praca takiego kominka w domach stosujących ogrzewanie powietrzne najczęściej powoduje szybkie nagrzanie powietrza i potem (niestety) przegrzewanie pomieszczeń… dlatego też, wyloty z anemostatów nad kominkiem będą wchodziły do komory mieszającej i jednocześnie bezpośrednio na poddasze; takie rozwiązanie umożliwi nam ewentualny wyrzut nadmiaru ciepła na poddasze, z pominięciem rekuperatora (vide schemat blokowy).