Gruntowy wymiennik ciepła lub gruntowy powietrzny wymiennik ciepła (GPWC) – urządzenie służące do wspomagania wentylacji budynków zwiększające ich komfort cieplny poprzez ujednolicenie temperatury dostarczanego do budynku powietrza. W literaturze spotyka się też określenie "gruntowa / podziemna czerpnia powietrza". Urządzenie w zależności od sposobu wymiany ciepła, można podzielić na przeponowe oraz bezprzeponowe. Przeponowe wymienniki są to takie, w których istnieje warstwa oddzielająca (przepona) media, między którymi następuje wymiana ciepła (wymienniki rurowe). W wymiennikach bezprzeponowych przepływające powietrze ma bezpośredni kontakt z odpowiednio przygotowaną warstwą gruntu (wymienniki żwirowe i płytowe).

W gruntowym wymienniku ciepła wykorzystuje się dużą pojemność cieplną gruntu, dzięki której można zmniejszyć wahania temperatury powietrza dostarczanego do budynku (w stosunku do pobieranego bezpośrednio z atmosfery). Instalacja jest wykorzystywana do wstępnego ogrzewania (w zimie) lub chłodzenia (w lecie) powietrza wprowadzanego do budynków. Najczęściej jest to system połączony z wentylacją mechaniczną budynku i rekuperatorem, powietrznym systemem grzewczym (np. pompą ciepła), ewentualnie z wentylacją grawitacyjną wspomaganą kominem słonecznym.

Gruntowe wymienniki ciepła początkowo znajdowały zastosowanie w budownictwie budynków autonomicznych oraz wznoszonych zgodnie z niemiecką normą domu pasywnego. Obecnie rozwiązanie to wykorzystywane jest coraz częściej w instalacjach wentylacyjnych nowo wznoszonych obiektów, gdzie zwraca się szczególną uwagę na niską energochłonność budynku. Ze względu na korzystny mikroklimat jaki powoduje eksploatacja GPWC, coraz częściej wymiennik instalowany jest w budynkach jedno- i wielorodzinnych.

Umiejscowienie GPWC

Istotnym przy wykonywaniu gruntowego wymiennika ciepła jest umieszczenie go minimum 20 centymetrów poniżej głębokości przemarzania gruntu, przy czym badania prowadzone nad gruntowymi wymiennikami wykazały ,że największe zyski energetyczne uzyskuje się przy wkopaniu wymiennika na głębokość pomiędzy 4 a 5 m. Posadowienie go na takiej głębokości znacznie poprawia jego wydajność energetyczną. Dla podniesienia sprawności wymiennika umieszcza się nad nim (około 30 cm) warstwę izolacji termicznej. Termoizolacja, w zależności od grubości warstwy, symuluje posadowienie wymiennika na głębokości 4 - 5 m poprzez oddzielenie czynnej objętości gruntu od wpływów warunków atmosferycznych. Powoduje to podniesienie izoterm w gruncie i stabilne warunki pracy wymiennika. W przypadku wymienników płytowych, termoizolacja umożliwia posadowienie go na głębokości od 0,7 do 2 metrów.

Rozwiązania konstrukcyjne

Wymiennik rurowy
Wymiennik rurowy jest kanałem powietrznym wbudowanym pod powierzchnią gruntu. Składa się on z długiego rurociągu zbudowanego z rur PVC bądź też innych tworzyw sztucznych. Wymiennik tego typu jest wymiennikiem przeponowym, ponieważ między gruntem a przepływającym powietrzem istnieje ścianka rury. W zależności od wielkości terenu jaki jest do zagospodarowania, zagłębienia oraz warunków cieplnych gruntu, wymienniki rurowe układać można w postaci jednego długiego rurociągu - często o długości przekraczającej obwód budynku, lub w układach rozdzielonych (np. układ Tichelmana). W układach takich strumień powietrza rozdziela się na kilka rurociągów o mniejszej średnicy - w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła - a następnie łączy się i kierowany jest do budynku. W wymiennikach przeponowych należy pamiętać o właściwym nachyleniu (spadku) rurociągu, aby umożliwić swobodny spływ skroplin (duża wilgotność powietrza - sezon letni) do studzienki odwodnieniowej, która jest niezbędnym elementem tego typu wymiennika. Aby ułatwić odprowadzenie wody, należy zadbać aby spływ skroplin był zgodny z kierunkiem przepływającego powietrza. Woda zalegająca w rurociągu przez dłuższy czas może powodować zauważalny spadek jakości powietrza nawiewanego do budynku.  Dla zapewnienia czystości powierzchni rurociągu na czerpni stosuje się wysokiej klasy filtry powietrza których kwartalna wymiana zapewnia że rury i powietrze w nich płynące jest czyste.

Wymiennik żwirowy
Istnieją rozwiązania, w których na drodze przepływu powietrza konstruuje się złoże ze żwiru, bądź kruszywa łamanego o dużej granulacji (wymiennik bezprzeponowy żwirowy), które rozwija znacznie powierzchnię wymiany termicznej, duża powierzchnia termiczna powoduje dużą pojemność cieplną samego złoża oraz zwiększa jego przewodność cieplną. Z tego powodu istotną rolę odgrywa prawidłowy dobór złoża do strumienia powietrza. Wymiennik jest najbardziej efektywny podczas pracy cyklicznej - to jego główna zaleta gdyż może pracować 24h. Wtedy należy przewidzieć czas na jego regenerację. Dobrym rozwiązaniem jest układ syjamski, gdzie w trakcie pracy jednej części wymiennika, druga jego część jest w fazie regeneracji. Wymienniki żwirowe bezwzględnie muszą być zabezpieczone przed działaniem wody infiltrującej złoże tzn. jego dno musi być powyżej poziomu wód gruntowych, żeby uniemożliwić wymieszanie warstwy złoża z gruntem rodzimym wykop wymiennika wykłada się geowłókniną. Dzięki temu nie występuje niedrożność wymiennika. Opory przepływu przez złoże jest bardzo małe wynosi ok 120Pa - np wystarczy wentylator nawiewny o mocy 200W do zapewnienia 100% klimatyzacji domu o powierzchni do 200m². Rurociągi doprowadzające oraz odprowadzające powietrze z wymienników bezprzeponowych, muszą być układane ze spadkiem w stronę wymiennika. Wymiennik żwirowy jest bezobsługowy - nie wymaga pompowania skroplin. Powierzchnia wykopu do jego wykonania dla domu jednorodzinnego wynosi ok 10-12m². W trakcie deszczu następuje skroplenie wilgoci - woda spływa i płucze żwir dlatego jest druga jego nazwa - Samoczyszczący Filtr Żwirowy.

Wymiennik płytowy

Wymiennik płytowy składa się ze specjalnych płyt z tworzywa sztucznego, układanych w rzędach, w układzie zwartym bądź z rozstawem między rzędami płyt. Płyta uniesiona jest ponad zagęszczoną podsypkę na specjalnych klockach dystansowych. Powstaje wówczas szczelina między gruntem a płytą. Przestrzenią między gruntem a płytą przepływa powietrze - szczelina ma wysokość zapewniającą optymalne warunki do wymiany ciepła. Oprócz płyt, wymiennik składa się z dwóch kolektorów oraz rurociągu doprowadzającego powietrze z czerpni terenowej do kolektora wlotowego i odprowadzającego powietrze z kolektora wylotowego do budynku. Wymienniki płytowe przystosowane są do wbudowania w gruncie na głębokości od 0,7 m. Warunkiem jest zastosowanie izolacji termicznej ułożonej nad wymiennikiem. Zwarta konstrukcja umożliwia także umieszczenie wymiennika wewnątrz obrysu fundamentowego budynku, pod płytą fundamentową (pod budynkiem). Wbudowanie wymiennika płytowego wymaga wykonania wykopu o dużej powierzchni lecz niewielkiej głębokości. O ile wbudowanie go wewnątrz obrysu fundamentowego jest wykonywane wraz z zasypaniem fundamentów i nie stanowi większego problemu, to wykonanie wykopu poza budynkiem uzależnione jest od powierzchni działki przeznaczonej pod GPWC. Nie ma konieczności stosowania specjalnego układu do odprowadzania skroplin, ponieważ jest to wymiennik bezprzeponowy i nadmiar wilgoci w powietrzu (w okresie letnim) absorbowany jest przez grunt. Analogiczna sytuacja ma miejsce w okresie zimowym. Jako że, grunt stanowi nie tylko bufor cieplny ale także zawiera pewne ilości wody, powietrze w okresie zimowym jest dodatkowo nawilżane.

Wymiennik Grzebieniowy

Wymiennik Grzebieniowy jest nową konstrukcją, która łączy zalety płytowego i żwirowego wymiennika. Po dwóch stronach płaskiego złoża żwirowego (grubość 20cm) znajdują się kolektor doprowadzający i odprowadzający powietrze. Do kolektorów podłączone są perforowane kanały umieszczone w środku złoża, które rozprowadzają i odbierają powietrze. Powietrze zasysane przez czerpnię przepływa przez kolektor zasilający do kilku perforowanych kanałów rozprowadzających. Przechodzi przez żwir do sąsiednich perforowanych kanałów odbierających i dalej przez kolektor odbierający do budynku. Przy takiej konfiguracji opór generowany przez żwir spada zaledwie do kilku Pa. Opór całego GWC, po uwzględnieniu oporów kolektora i kanałów perforowanych to zaledwie 20 do 30 Pa. Zalety Grzebieniowego GWC to: małe opory tłoczenia, praca ciągła, płytkie posadowienie, doskonała filtracja powietrza, samooczyszczanie żwiru (długowieczna praca), bardzo duża odporność na ściskanie, równomierna praca całą powierzchnią, niskie nakłady inwestycyjne.

Prawidłowo dobrany i wbudowany GPWC powinien się charakteryzować:

• dużą sprawnością wymiany ciepła (duże zyski ciepła lub chłodu)
• małymi oporami przepływu (brak konieczności stosowania wentylatorów wspomagających powodujących zwiększenie zużycia energii elektrycznej oraz hałas)
• odpornością na warunki atmosferyczne i gruntowe

Wady i zalety GPWC

Zalety:

• ogrzewanie powietrza w sezonie zimowym
• ochładzanie powietrza w sezonie letnim
• redukcja bakterii i grzybów (wymienniki bezprzeponowe)
• dowilżanie powietrza w sezonie zimowym (wymienniki bezprzeponowe)
• osuszanie powietrza w sezonie letnim (wymienniki bezprzeponowe)

Wady:

• nakłady inwestycyjne

Czerpnia do gruntowego wymiennika ciepła w myśl polskiego prawa musi znajdować się co najmniej 2 metry nad powierzchnią przyległego terenu.

Wpływ na środowisko

W dobie zwracania baczniejszej uwagi na zużycie paliw kopalnych i energii gruntowy wymiennik ciepła stanowi (nie we wszystkich warunkach) bardzo dobrą alternatywę dla standardowych systemów chłodzenia powietrza opartych na działaniu kompresora, przy minimalnym bądź zerowym (po podłączeniu go do komina słonecznego) zużyciu energii.