100+1 příklad z techniky prostředí
12.1 – Energetická náročnost větracích systémů. Klasifikace ENB Úloha 12.1.1 Zadání Vypočtěte spotřebu energie pro větrání zadané budovy (tedy energii pro zvlhčování, odvlhčování a dopravu vzduchu) Úprava vlhkosti - vodní bilance Množství vody pro vlhčení nebo odvlhčování (kg/den) (V – průtok vzduchu v m3/h, x – měrná vlhkost vnitřního a venkovního vzduchu v g/kg, mL – produkce vodní páry / os., nL – počet osob, s – současnost výskytu osob)
Mw =
h pr 1000
(Vρ (x
i
− xe ) − m L n L s )
Výkon pro odpaření vody na páru (kWh/m), fpr je korekce na skutečnou provozní dobu v důsledku regulace vzduchového výkonu jako u čerpadel
Qw = M w l =
2500.0,278 d . f pr M w 1000
Pomocná energie Pro distribuci energie jednotlivými systémy TZB je zapotřebí další pomocná energie na ventilátory, kde P je příkon ve W a f váhový činitel regulace. Tato pomocná energie se uvažuje do ENB. Měsíční pomocná energie ventilátorů
Qp =
P . f pr .h pr d 1000
[kWh]
Pomocná energie pro větrání pro pohon ventilátorů je stanovena podle průtoku vzduchu podle vztahu (V – průtok vzduchu v m3/s)
P = eV VZT jednotka (filtrace, ZZT, ohřev, vlhčení, chlazení) má podle tabulky příkon pro dva ventilátory (přívod+odvod) P = 3.V. Měsíční potřeba energie se tak stanoví
Qp =
eV . f pr .h pr d 1000
[kWh]
Ze součtu celkové spotřebované energie se stanoví EPA v kWh/m2.rok.
Úloha 12.1.2 Zadání Stavebník hledá při realizaci svého RD opatření na snížení energie na větrání. Jeho soused má již zbudován funkční zemní výměník tepla (ZVT) pro předehřev vzduchu. Od něj zjistil, že při venkovní teplotě -5°C se vzduch při průchodu jeho ZVT ohřeje na +2°C. Sám si chce pořídit VZT jednotku s rekuperací tepla, která má deklarovanou účinnost 65 %. Domnívá se, že kombinací obou zařízení tepelnou ztrátu větráním zcela eliminuje. Analyzujte jeho situaci, vypočtěte teploty vzduchu po průchodu oběma výměníky při venkovní teplotě te a určete celkovou účinnost systému obou sériově řazených výměníků.
te = -17+0,8n (°C)
106
100+1 příklad z techniky prostředí
t výstup,zzt t výstup,zvt
ZZT
t vzd,odv = 21°C
t vstup,zvt
ZVT
t zem = 6°C
Obr. 45 Schéma zemního výměníku připojeného k VZT jednotce Řešení Za předpokladu konstantní účinnosti ZVT určíme tuto účinnost ze získaných hodnot od souseda (konstantní vzhledem k vnější teplotě, jinak samozřejmě záleží na délce ZVT a hloubce jeho uložení, rychlosti proudění vzduchu a profilu potrubí. Tato účinnost je pro stavebníka relevantní jen v případě, že postaví kopii sousedova ZVT). Jako nejvyšší dosažitelnou teplotu za ZVT použijeme teplotu zeminy (obecně závisí na hloubce a roční době) + 6 °C. Výpočet účinnosti původního zemního výměníku Vstupní hodnoty:
n = 28 tvstup
= -5 °C
tvýstup = 2 °C tzem
= 6 °C
tvstup,zvt = 5,40 °C ηzzt
= 65 %
tvzd,odvt = 21 °C 1. Výpočet účinnosti původního zemního výměníku
η zvt =
t výstup − (t vstup ) t zem − (t vstup )
=
2 − (− 5) = 0,64 = 64% 6 − (− 5)
2. Výpočet teploty za ZVT při upravené vstupní teplotě te
η zvt =
t výstup , zvt − (t vstup , zvt ) t zem − (t vstup , zvt )
t výstup , zvt = η zvt × [t zem − (t vstup , zvt )] + (t vstup , zvt ) t výstup , zvt = 0,64 × [6 − (−5,40)] + ( −5,40)
t výstup , zvt = 5,78
107
100+1 příklad z techniky prostředí 3. Výpočet teploty za ZZT
η zzt =
t výstup , zzt − (t výstup , zvt ) t vzd ,odv − (t výstup , zvt )
t výstup , zzt = 0,65 × [ 21 − (5,78)] + (5,78)
t výstup , zzt = 15,67 4. Účinnost obou systémů
η skut =
t výstup , zzt − (t vstup , zvt ) t vzd ,odv − (t vstup , zvt )
=
15,67 − (5,40 ) = 0,66 = 66 21,00 − (5,40 )
5. Reálný přínos ZVT
η zvt ,skut = η skut − η zvt = 0,66 − 0,65 = 0,01 = 1 Výsledek Sériovým zapojením je dosažena celková účinnost 66% přínos ZVT je 1 %, ZZT 65 %.
Úloha 12.1.3 Zadání Stavebník váhá s využitím TČ vzduch-voda pro ohřev teplé vody odpadním teplem z větracího vzduchu odváděného z budovy. Určete, kolik teplé vody denně TČ ohřeje, je-li k dispozici průtok větracího vzduchu 180 m3/h po dobu τ a TČ vzduch ochladí z 21°C na +3°C. Účinnost předávání tepla uvažujte 1,0. Příkon kompresoru činí 500 W. Určete topný faktor. Provozní doba τ = 6+0,5 n KOMPRESOR
t vstup
K O N D E N ZÁ TO R
t voda,výstup
vzduch
voda
t výstup
t voda,vstup
V Ý P A R N ÍK
Š K R TÍC Í V E N TIL
Obr. 46 Schéma tepelného čerpadla vzduch/voda
108
100+1 příklad z techniky prostředí Řešení Teplo odebrané z odpadního vzduchu ve výparníku se pomocí chladivového okruhu TČ využije pro ohřev studené vody vstupující do kondenzátoru. Na základě známého vztahu vypočítáme množství odebraného tepla z odpadního vzduchu a při uvažované účinnosti předávání 1,0 zpětně vypočteme množství vody tímto teplem ohřáté. K získanému teplu z odpadního vzduchu je nutné přičíst také teplo získané prací kompresoru, které je rovno jeho výkonu. Na základě vypočítaného výkonu kondenzátoru a známého příkonu kompresoru vypočítáme topný faktor čerpadla. Řešení Vstupní hodnoty
n = 28 tvstup = 21 °C tvýstup = 3 °C Vvzd = 180 m3/h τ = 20,00 h Pkomp = 500 W ρvzd = 1,2 kg/m3 cvzd = 1010 J/kg.K
Výpočet hmotnostního průtoku odpadního vzduchu
Ak 180.1,1988 215,8 ?/
Výpočet množství tepla získaného z odpadního vzduchu a práce kompresoru = výkon kondenzátoru
hv . . ±> = gv
215,8.1010.18 = 500 1590 t 3600
Energie získaná za 1 den provozu (provozní doba 6 h)
P hv . 6.3600 34,34 Hq
Výpočet množství vody ohřáté ze získaného tepla
h 34,34. 108 205 ? . ±> 4186.40 205 A 206 k 997
Účinnost tepelného čerpadla
T
hv 1590 3,2 gv 500
Závěr Z tepla odebraného z odpadního vzduchu ohřejeme 205 l vody/den. Topný faktor tepelného čerpadla je 3,2.
109
100+1 příklad z techniky prostředí Úloha 12.1.4 Zadání Investor se rozhodl pro stavbu pasivního domu, kde bude VZT zařízení se zpětným získáváním tepla (ZZT) rekuperací z odpadního vzduchu. Rozhoduje se, zda použít jeden výměník (rekuperátor) nebo zvýšit účinnost tím, že použije dva výměníky za sebou. Účinnost jednoho výměníku je 65 % a tlaková ztráta 110 Pa. Analyzujte problém, jako kritérium použijte emise CO2 za 24 h provozu a doporučte vhodnou variantu. Vypočtěte rozdíl v nákladech při ceně elektřiny 3,5 Kč/kWh a 500 Kč/GJ. Průtok vzduchu V = 4000+15.n (m3/h), vnitřní teplota 20°C. Vnější teplotu uvažujte -15+0,2.n a 15+0,15.n (°C) Řešení Účinnost dvou systémů ZZT sériově řazených je definována
T T- = T T- . T
Tlaková ztráta se ovšem sčítá. Příkon ventilátoru se tím pádem zvýší o
±gl
A. ±s Tl
Účinnost ventilátoru se pohybuje od 0,5 do 0,75. Množství emisí na 1 kWh pro různé energetické zdroje uvádí tabulka P4.
HÁ¬¸ |Δgl . {Zj 0,9. hÊʵ . {DZ9jb
{V = 5000 m3/h; η = 0,7; ∆p = 125 Pa; ∆t = 30 K; η1+2 = 0,91; ∆η2 = 0,21; 1 výměník ∆Pv = 578 W; QZZT = 37,9 kW; MCO2 = -200 kg; úspora = 1415 Kč; náklady = 49-1633 = -1584 Kč 2 výměníky ∆Pv = 1157 W; QZZT = 49,3 W; MCO2 = - 254 kg; úspora = 1655 Kč; náklady = 97 – 2130 = - 2033 Kč }
Úloha 12.1.5 Zadání Blower door testem byla zjištěna závislost výměny vzduchu v místnosti na podtlaku. Do místnosti byl vzduch přisáván podtlakem pouze infiltrací okny, jejichž délka spár je 20 m. Místnost má rozměry 5 x 6 x 3 m. Zjistěte součinitel infiltrace oken, výměnu vzduchu přirozeným větráním při tlakovém spádu 6 Pa a základní parametr vzduchotěsnosti – výměnu vzduchu při tlakovém spádu 50 Pa. Zjištěná závislost má tvar:
' 0,39. ∆s6,
Úloha 12.1.6 Zadání Hodnocení ENB – klasifikace Celková spotřeba energie a klasifikační třída budovy Do jednotlivých skupin se započítávají spotřeby následovně: Vytápění: teplo pro krytí ztrát prostupem a větráním, čerpadla OS Větrání: energie na zvlhčování, odvlhčování a pohon ventilátorů Chlazení: energie pro pohon zdroje chladu Teplá voda: teplo pro ohřev, cirkulační čerpadlo Osvětlení: příkon svítidel vč. nouzového osvětlení
110
100+1 příklad z techniky prostředí Koncovým ukazatel spotřeby všech těchto systémů je EPA (kWh/m2.rok) vyjádřená jednotlivě pro tyto systémy a jejich procentuální podíl na celkové spotřebě. Primární energie a emise CO2 Celková dodávaná energie do budovy EPA (kWh/m2) se určí součtem jednotlivých měrných spotřeb pro UT, VZT, OSV, TV a CHL. Tato hodnota se porovná s hodnotící tabulkou pro klasifikaci budov dle P55. Celková primární energie dodávaná do budovy se určí (Edel – dodávaná energie jednoho druhu, fP – konverzní faktor) dle P66.
EP = ∑ E del f P Roční hodnota emisí CO2 pro výrobu dodávané energie se určí (Kdel – součinitel emisí) dle P66.
mCO 2 = Edel K del Úloha 12.1.7 Zadání Určete roční energii na zvlhčování a odvlhčování vzduchu po jednotlivých měsících, je-li průtok vzduchu V = 3000+20.n (m3/h), teplota a vlhkost v interiéru se smí pohybovat v těchto mezích t = 20 až 26°C a RH = 40 až 60 %. Vlhkostní zdroje v interiéru zanedbejte. Porovnejte s energií na ohřev vzduchu, je-li účinnost ZZT 40+0,5.n (%) a dopravu vzduchu, je-li příkon ventilátorů stanoven podle P81. Provozní doba je po celý rok jen v pracovní dny 10 h denně.
Úloha 12.1.8 Zadání V hx diagramu zakreslete zimní úpravu vzduchu pro vzduchovou klimatizaci, je-li dáno: Exteriér:
te = -10 °C, xe =1 g/kg
Interiér:
ti = 22 °C, RH = 45 %
Průtok vzduchu:
V = 3000 + 30.n (m3/h)
Účinnost ZZT:
55 %
Směšování:
20 % oběhového vzduchu
Sestavte 4 možné způsoby úprav vzduchu, určete potřebné výkony výměníků a vyberte způsob, který je nejméně energeticky náročný, jako kritérium použijte množství primární energie. Pro ohřev vzduchu uvažujte kotel na pelety, pro parní zvlhčování elektrický vyvíječ. Určete množství emisí za 10 h provozu (= 1 den).
111
