zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Firma REHAU w ramach modernizacji budynku biurowego w swojej siedzibie w Erlangen wykonała badawczą instalację GPWC (gruntowy powietrzny wymiennik ciepła) o powierzchni całkowitej 1150 m2. Instalacja została wykonana w celu przeprowadzania terenowych badań pracy rurowych GPWC. Szczególny nacisk położono na określenie wpływu na pracę instalacji następujących czynników: warunków geologicznych, warunków klimatycznych, np.: wilgotności powietrza i prędkości wiatru, harmonogramu pracy wentylacji, konstrukcji wymiennika GPWC, wpływu GPWC na wielkokubaturowe agregaty wentylacyjne, określenie optymalnego schematu automatyki.

Instalacja pilotażowa została podzielona na 4 różne pola pomiarowe, każde z 6 przewodami wymiany ciepła o średnicy DN 250. Zainstalowane rury systemu AWADUKT THERMO charakteryzują się podwyższonym współczynnikiem wymiany ciepła oraz posiadają dodatkową warstwę antybakteryjną. W każdym polu pomiarowym znajduje się przewód wymiany ciepła DN 250, który został wyposażony w urządzenia pomiarowe. W trzech z czterech pól pomiarowych przewody wymiany ciepła zostały ułożone w gruncie o różnych właściwościach geologicznych (warstwa obsypki rury wynosi dla każdego 0,5 m wokół pola pomiarowego). Dobór gruntu obsypkowego podyktowany był koniecznością sprawdzenia parametrów termodynamicznych pracy instalacji GPWC pod wpływem różnych warunków geologicznych. W czwartym polu pomiarowym został wykorzystany grunt rodzimy.

Budowa instalacji
Instalacja jest jednowarstwowa i składa się z 24 rur o średnicy DN 250. Średnice rozdzielaczy liczą DN 1000, kolektor zbiorczy DN 800, przewód wymiany ciepła DN 250, a czerpnia powietrza ID 1200 z filtrem. Maksymalna wydajność instalacji to 12 000 m3/h. W celu prowadzenia badań wymiennik został wyposażony w różnego rodzaju urządzenia pomiarowe i sondy. Na całej instalacji zamontowano ok. 120 czujników (m.in. kablowe czujniki temperatury, czujniki mierzące wilgotność gleby, anemometry, stacja pogodowa). Badany jest nie tylko rozkład
temperatury w rurach, lecz także rozkład temperatury w gruncie na początku oraz na końcu przewodów. Na obiekcie została zainstalowana kompletna meteorologiczna stacja pomiarowa. Wykonywany jest tam stały zapis danych pogodowych, tj. jasność [Lux], opady [mm/min], prędkość wiatru [m/s], kierunek wiatru [Grad]. W instalacji GPWC pomierzono następujące parametry: temperatura [°C], prędkość [m/s], różnica ciśnień [Pa], wilgotność [względna], wilgotność gleby [cbar].

Układ instalacji zbudowanej w Erlangen jest nietypowy, ponieważ do budynku prowadzi duży kanał dolotowy długości 60 m i średnicy 1000 mm. Z reguły GPWC jest wykonywany w bezpośrednim sąsiedztwie budynku lub nawet pod nim. Niewiele osób zdaje sobie sprawę jak duże średnice mają rury w tego typu instalacjach. W przypadku omawianego GPWC przepływy powietrza są rzędu 12 000 m3/h, co nawet przy dużych prędkościach rzędu 6-7 m/s wymaga zastosowania dużych przekrojów kanałów dolotowych.

Wyniki badań zależności temperatury wewnątrz rur w funkcji czasu pokazały, że najefektywniej działa początkowe 20-30 m rur AWADUKT THERMO w zakresie wymiany termodynamicznej. Badania terenowe ukazały, iż w pierwszych początkowych metrach proces wymiany ciepła zachodzi najbardziej. Ma to istotny wpływ przy projektowaniu i montażu rurowych instalacji GPWC. Dodatkowo stwierdzono, iż proces regeneracji gruntu zachodzi bardzo szybko w czasie. Już w 1 h po wyłączeniu instalacji grunt wraca do pierwotnych temperatur. Dlatego przy projektowaniu GPWC należy przewidzieć w ciągu doby krótki czas, min. 4-6 h, dla potrzeb regeneracji gruntu.

Prowadzono również badania temperatury przy różnych odległościach pomiędzy rurami. Miało to na celu zoptymalizowanie rozstaw. Do tej pory zalecano, by odległość między rurociągami nie była mniejsza od 1 m. Praktyka pokazuje, że przy większych średnicach rur DN ≥ 250 można je zagęścić. Wymiennik gruntowy musi dobrze współpracować z centralą wentylacyjną, tak by zastosowana automatyka umożliwiała wykorzystanie pełnych możliwości wymiennika, a wymiennik nie przeszkadzał centrali.

Badania pokazały, że przy temperaturze powietrza zewnętrznego rzędu 28-30oC można uzyskać temperaturę schłodzenia rzędu 14-16oC. Gwarantowało to utrzymanie temperatury w obiekcie na poziomie 18oC. W praktyce okazało się, że wymiennik za mocno schładzał powietrze, którego temperaturę trzeba było podnosić za pomocą nagrzewnicy. Taki problem może pojawiać się podczas eksploatacji sytemu latem. Dlatego istotnym problemem jest zaprojektowanie systemu wentylacji z GPWC w oparciu o możliwość domieszania zarówno w określonych okresach powietrza zewnętrznego, jak i wylotowego GPWC. Możliwość elastycznego mieszania strumieni powietrza zapewnia najbardziej ekonomiczną pracę całej instalacji przy jednoczesnym najwłaściwszym wykorzystaniu zakumulowanego chłodu lub ciepła w gruncie.

Kolejnym problemem jest wykraplanie się wewnątrz rurociągu wody. Procesy związane z wilgotnością powietrza i kondensacją wody są bardzo dynamiczne. Ciekawą cechą wymienników gruntowych jest ich zdolność do spłaszczania wykresów wilgotności względnej.

Okazało się, że różnice wynikające z zasypywania wymiennika różnym gruntem występują, ale nie są duże (rzędu 1-2 stopni). Większy wpływ na sprawność wymiennika ma stojąca lub płynąca w gruncie woda. Płynąca woda gruntowa może okazać się w szczególnych przypadkach bardzo korzystnym zjawiskiem, ponieważ pozwoli na stałe zachowanie pierwotnych temperatur gruntu. Dodatkowo sprawność energetyczna tych instalacji GPWC jest dużo wyższa niż w przypadku instalacji w warunkach standardowych. Budowa instalacji w tych gruntach jest jednak dość kłopotliwa i należy przewidzieć ochronę instalacji przed np. wypłukiwaniem obsypki gruntu etc.

Prowadzone są również badania testujące rury o dużych średnicach DN ≥ 800 z warstwą antybakteryjną. Wewnętrzna warstwa rur jest wzbogacona cząstkami srebra, które mają działanie antybakteryjne. Dzięki temu zmniejsza się ilość drobnoustrojów na wewnętrznej powierzchni rur. W omawianym obiekcie po raz pierwszy zastosowano rurę tego typu oraz określono jej właściwości antybakteryjne na podstawie badań terenowych. Wraz ze współpracą z Instytutem Fresenius prowadzone są badania wpływu warstwy na florę bakteryjną powietrza.

Wnioski
* Instalacje GPWC w formie rurowej można stosować w obiektach wielkokubaturowych do maksymalnego natężenia przepływu powietrza około 40 000 m³/h w jednym module.
* Instalacje GPWC o dużych mocach wymagają określonej ilości gruntu i miejsca.
* Zalecana jest średnica min. DN 250 lub DN 315 przy budowie dwu- lub wielowarstwowej dla rur o wymianie termodynamicznej.
* Instalację GPWC należy przewidzieć przy projektowaniu całości wentylacji, jak również przy określaniu harmonogramu pracy instalacji wentylacyjnej.
* Kluczowe jest określenie możliwości wzajemnej współpracy miedzy centralą wentylacyjną a GPWC poprzez zastosowanie odpowiednich algorytmów sterowania.
* Zastosowanie wielkokubaturowych GPWC zalecane jest zwłaszcza w obszarze klimatu kontynentalnego, gdzie istnieją wyraźne ekstrema temperaturowe.
* Instalacja GPWC pozwala na ograniczenie zużycia energii do 40% w budynkach komercyjnych.

Marcin Motylski

Pytanie do…
Jaki wpływ ma obecność wody gruntowej na instalacje GPWC?

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij