W artykule przedstawiona została trójwymiarowa analiza numeryczna przepływu powietrza i ciepła w rurowym gruntownym wymienniku ciepła GWC przy użyciu oprogramowania CFD2000 [3]. Celem analizy była weryfi kacja wydajności GWC do chłodzenia powietrza latem dla jednorodzinnego budynku o powierzchni 170 m² i wykazanie, że GWC stanowi konkurencyjny sposób zapewniania komfortu termicznego latem w stosunku do tradycyjnych sprężarkowych klimatyzatorów.

Wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii (OZE) staje się coraz bardziej popularne i będzie niewątpliwie dominować w przyszłości. Oprócz aspektu ekologicznego, równie ważny jest argument ekonomiczny. „Darmowa energia” z otoczenia może być użytecznie wykorzystywana, jednak aby było to możliwe, wymagana jest instalacja, której koszty zakupu mogą być jedynym mankamentem. Często na zwrot inwestycji trzeba czekać wiele lat. Miejmy nadzieje, że wraz ze wzrostem popularności OZE ceny instalacji będą spadać.

Ze względu na prostą budowę, jedną z ciekawych idei wpisującą się w nurt OZE, stanowi gruntowny wymiennik ciepła (GWC). Wymiennik w kształcie rury umiejscowionej wewnątrz gruntu może pobierać ciepło lub chłód w zależności od pory roku. Grunt podczas lata nagrzewa się, a podczas zimy oddaje ciepło. Dzięki dużej bezwładności cieplnej gruntu temperatura poniżej powierzchni podlega niewielkim zmianom w ciągu roku, a poniżej 5 metrów ma niemal stałą temperaturę 8°C. Powietrze wentylacyjne pobierane z otoczenia, zanim trafi do pomieszczeń, kierowane jest do gruntowego wymiennika ciepła (GWC), gdzie podlega ogrzewaniu w zimie lub ochładzaniu latem. 

W niniejszym artykule przedstawiona zostanie trójwymiarowa analiza numeryczna przepływu powietrza i wymiany ciepła w rurowym GWC przy użyciu oprogramowania CFD2000 [3]. Celem analizy jest weryfi kacja wydajności GWC do ochładzania powietrza latem dla jednorodzinnego budynku o powierzchni 170 m².

Model GWC i warunki brzegowe

Zaproponowany rurowy GWC miał długość 50 m i był umiejscowiony na głębokości 1,75 m. Autor zdecydował się na analizę wymiennika o przekroju kwadratowym, ze względu na łatwość przygotowania modelu geometrycznego i siatki obliczeniowej. Bok przekroju kwadratowego miał długość 0,177 m, co odpowiadało średnicy 0,2 m, zapewniając tę samą prędkość przepływu. Ze względu na to, że przekrój kwadratowy miał większą powierzchnię wymiany ciepła obniżono współczynnik przewodności z λ=0,28 W/mK na λ=0,25 W/mK, mając na uwadze równoważną wymianę ciepła obu przekrojów. Rozpatrywano nominalny strumień powietrza V = 350 m³/h i o połowę mniejszy V = 175 m³/h. 

Model GWC wraz z warunkami brzegowymi przedstawiony został na rysunku 1.

Rys. 1. Model rurowego gruntownego wymiennika ciepła

Rozkład temperatury gruntu w ciągu roku

Średnia temperatura powietrza zewnętrznego w Polsce w ciągu roku [1] zmienia się sinusoidalnie. Najwyższa wartość 19°C występuje w lipcu, a najniższa w styczniu -2°C. Im głębsza warstwa gruntu, tym mniejszy wpływ temperatury otoczenia. Na rysunku 2. przedstawione są wyniki obliczeń temperatury gruntu dla całego roku kalendarzowego. Symulacje ochładzania powietrza w GWC wykonano dla 3 najgorętszych miesięcy w roku (od połowy maja do połowy sierpnia).

Rys. 2. Rozkład temperatury gruntu na różnych głębokościach w ciągu roku

Rozkład temperatury powietrza zewnętrznego w okresie letnim

Temperatura dobowa powietrza zewnętrznego w lecie zmienia się również sinusoidalnie. W środku dnia osiąga maksymalną wartość, a w nocy minimalną. Rozkład temperatury w miesiącach letnich [2] przedstawiony jest na rysunku 3. 

Rys. 3. Rozkład dobowy temperatury zewnętrznej w czerwcu, lipcu i sierpniu

Na podstawie danych meteorologicznych do celów symulacji zaproponowano ujednoliconą sinusoidę odzwierciedlającą dobową zmianę temperatury zewnętrznej w miesiącach letnich (rys. 4.).

Rys. 4. Zmiany dobowe temperatury zewnętrznej – warunek brzegowy do symulacji

Wyniki

Dobowa zmiana temperatury gruntu

Na rysunku 5. przedstawiona została zmiana rozkładu temperatury gruntu w ciągu doby. Płytkie warstwy gruntu nagrzewały się w dzień, zaś w nocy chłodziły. Dobowe zmiany temperatury nie miały wpływu na temperaturę gruntu na głębokości 1,75 m.

Rys. 5. Dobowy rozkład temperatury gruntu

Zmiana temperatury gruntu w okresie letnim

Na rysunku 6. przedstawiona jest zmiana rozkładu temperatury gruntu w całym okresie letnim. Na początku okresu obliczeniowego temperatura gruntu na głębokości 1,75 m miała wartości 11°C. Im późniejszy okres, tym ciepło z powierzchni gruntu przenikało do głębszych warstw.

Rys. 6. Rozkład temperatury gruntu w okresie letnim

Temperatura powietrza za GWC

W przypadku strumienia 350 m³/h w najcieplejszym momentach dnia powietrze ochładzało się do 15°C na początku okresu obliczeniowego i do 20°C w okresie na przełomie lipca i sierpnia. Dobowa amplituda powietrza za GWC wynosiła 3°C.

Rys. 7. Temperatura powietrza za GWC

W przypadku strumienia 175 m3/h, w najcieplejszym momentach dnia powietrze ochładzało się do 12°C na początku okresu obliczeniowego i do 17°C i w okresie na przełomie lipca i sierpnia. Dobowa amplituda powietrza za GWC wynosiła 1°C.

Podsumowanie

Ze względu na prostą budowę jedną z ciekawych idei wpisującą się w nurt OZE stanowi gruntowny wymiennik ciepła (GWC). Celem zaprezentowanej analizy była weryfikacja wydajności GWC do ochładzania powietrza latem dla jednorodzinnego budynku o powierzchni 170 m².

Wykonana trójwymiarowa symulacja wydajności rurowego GWC do ochładzania powietrza latem wykazała iż powietrze na wyjściu z GWC ochładzało się do 15÷20°C w przypadku strumienia 350 m3/h oraz do 12÷17°C w przypadku strumienia 175 m³/h. Dane te potwierdzają skuteczność stosowania GWC dla ochładzania powietrza latem oraz wykorzystanie GWC jako konkurencyjny sposób zapewniania komfortu termicznego latem w stosunku do tradycyjnych sprężarkowych klimatyzatorów. Ponadto możliwość ogrzewania powietrza zimą w GWC sprawia, że korzystanie z tego typu instalacji staje się pożądane. Istotnym atutem jest również prosta budowa i instalacja wymiennika.

mgr inż. Piotr TARNAWSKI
właściciel FLOWTEK SYMULACJE 3D

[1] Dane klimatyczne – www.pogodynka.pl
[2] Wykresy meteorologiczne – www.meteo.ftj.agh.edu.pl 
[3] CFD2000 – www.adaptive-research.com