Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Studentská vědecká a odborná činnost Akademický rok 2005/2006
Zpětné získávání tepla ve větracích systémech pro RD
Jméno a příjmení studenta :
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
Ročník, obor :
5TZB1
Vedoucí práce :
Ing. Olga Rubinová, Ph.D.
Ústav :
Technické zařízení budov
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Obsah: Zpětné získávání tepla……………………………………….str. 2 Dělení výměníků……………………………………………...str. 3 Parametry ovlivňující přenesený tepelný tok………………str. 3 Hodnocení výměníků tepla…………………………………..str. 4 Postup měření………………………………………………...str. 5 Výsledky měření………………………………………………str. 9 Náběh jednotek……………………………………………….str. 10 Teplotní účinnost výměníků………………………………....str. 11 Porovnání h-x diagramů…………………………………..…str. 13 Teplotní účinnost v závislosti na otáčkách ventilátorů……str. 15 Průběhy vlhkostí..…………………………………………….str. 17 Tepelná ztráta přívodního potrubí…………………………..str. 19 Závěr............................................…………………………..str. 20
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 -1-
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Zpětné získávání tepla (ZZT) Podnětem k vývoji zařízení pro ZZT ve vzduchotechnice v současné době je snaha o zlepšení hospodaření s energií jako nejlepšího způsobu snížení provozních nákladů při nejlepší ochraně ovzduší díky omezení spotřeby energie - a to jak v zimním, tak v letním provozu (u klimatizovaných budov). V celkové ekonomické bilanci přináší ZZT také snížení investičních nákladů, vhledem k odstranění některých komponentů a ke snížení potřebné výkonnosti zdrojů tepla a chladu. Účelem systémů zpětného získávání tepla je využít teplo přenášené odpadním (znečištěným) vzduchem a zlepšit celkovou energetickou bilanci systému. Takto získané teplo lze využít pro ohřev přiváděného čerstvého vzduchu, ohřev jiné látky pro využití v energetickém systému provozu (voda, akumulační látka), ohřev látky mimo energetický systém (sušení). Klimatizační zařízení upravují vlhký vzduch. Proto je třeba při ZZT rozlišovat, zda jde o teplo: citelné - jímž se mění teplota vzduchu, při sdílení citelného tepla odváděný odpadní vzduch sdílí teplo přes teplosměnnou plochu Qc V ct 2 t1 vázané (latentní) - sdělované při vypařování vody nebo při kondenzaci vodní páry - které ovlivňuje měrnou vlhkost vzduchu, při sdílení vázaného tepla dochází ke sdílení tepla přímo do ohřívaného média, nebo přes vložené zařízení (kapalinový okruh) Qv V l x 2 x1 celkové - dané součtem citelného a latentního - které mění entalpii Qs Qc Qv V h2 h1
Psychrometrický diagram dle Molliera (h-x diagram) Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 -2-
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Dělení výměníků z hlediska přenosu energie a hmoty
regenerační – entalpijní získávání tepla (přenáší teplo i vodu): rotační výměníky přepínací výměníky speciální deskové výměníky rekuperační – teplotní získávání tepla (přenáší jen teplo): deskové výměníky výměníky z tepelných trubic oddělené výměníky s vloženým kapalinovým okruhem
Přenesený tepelný tok ovlivňují: Parametry výměníků:
velikost, tvar a materiál teplosměnné plochy rovnoměrnost vystavení teplosměnné plochy proudům vzduchu parametry proudů vzduchu, zejména rozdíl teplot a hmotnostních průtoků součinitel prostupu tepla přes teplosměnnou plochu zejména součinitelé přestupu tepla ze vzduchu na teplosměnnou plochu na straně ochlazovaného a opačně na straně ohřívaného vzduchu, + další v případě vložených kapalinových okruhů
Provoz výměníků:
příměsi ve vzduchu nečistoty, korozivní a leptavé látky rovnost hmotnostních toků ochlazovaného a ohřívaného vzduchu údržba zařízení, zejména pravidelné čištění teplosměnných ploch a výměna filtrů technická kvalita výměníku, těsnost, mechanická odolnost, odolnost příměsím ve vzduchu apod.
rané typy výměníků
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 -3-
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Hodnocení výměníků tepla účinnost zpětného získávání tepla - poměr rekuperovaného k celkovému teoreticky získatelnému tepelnému výkonu QR R Qi ,max QR……….rekuperovaný tepelný výkon Qi,max ……celkový tepelný výkon, který je možné získat při využití teplotního spádu mezi ochlazovaným i a ohřívaným e vzduchem. teplotní účinnost - měřítkem efektivnosti přenosu citelného tepla ochlazení odvodního vzduchu: t t Rt i eo pro Vi = Ve, ρi = ρe, cpi = cpe t i t ep ohřátí přívodního vzduchu: t ip t ep Rt pro Vi = Ve, ρi = ρe, cpi = cpe t i t ep
teo
tep
tep
tio
tip
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 -4-
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Postup měření Pro měření účinnosti zpětného získávání tepla (ZZT) jsme použili dvě jednotky rozdílné konstrukce a principu ZZT: Větrací jednotka s rekuperací tepla AKOR 300/150 Vzduchotechnická jednotka s rekuperací tepla SYSTEMAIR VR 700 E Obě jednotky jsou určeny pro větrání rodinných domů. ACOR (ELEKTRODESIGN) (obr.2): Účinnost udávaná výrobcem je v závislosti na průtoku, venkovní teplotě a vnitřní vlhkosti až 70%. Dvoustupňová regulace otáček (15 nebo 30 m3/hod) a přepínání režimu přívod / odvod (obr.1).
Obr.1
Obr.2
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 -5-
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
SYSTEMAIR VR 700 E (obr.3): Jednotka je vybavena řídícím systémem, rotačním rekuperátorem, dvěma jednostranně sacími ventilátory, elektrickým ohřívačem a filtry. Účinnost rekuperace udávaná výrobcem je 75 – 85 %. Jednotka je vybavena automatickým přepínáním mezi normálním provozem s rekuperací tepla a letním provozem bez rekuperace tepla popř. s letním dochlazováním. Požadovaná teplota a množství vzduchu se nastavuje na externím ovladači CE (obr.4).
Obr. 3
Obr.4
Měření je provedeno v laboratorních podmínkách. Sání čerstvého vzduchu z exteriéru je na severozápadní fasádě pomocí flexohadice (obr.5). Výfuk čerstvého vzduchu je volně do místnosti (obr.6). Výfuk odpadního vzduchu je také do místnosti, což neodpovídá skutečnému použití jednotek v praxi.
Obr.5
Obr.6
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 -6-
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Výpočet účinnosti výměníků je založen na měření teplot, průtoků a vlhkostí vzduchu. Umístění čidel pro měření teplot a vlhkostí viz obr.7 a obr. 8.
Legenda: 8 – 10…čidla pro měření teploty II, III …černé skříňky pro měření teploty a vlhkosti e ……..exteriér i ……...interiér
Obr.7 - Deskový výměník
Obr.8 - Rotační výměník: Legenda k obrázku č.8: 1 – 7 …..čidla pro měření teploty III, IV …černé skříňky pro měření teploty a vlhkosti e, i ……….exteriér, interiér V místnosti i v exteriéru byla umístěna také černá skříňka. Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 -7-
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Měření probíhalo za různých teplotních a vlhkostních venkovních podmínek. V interiéru jsme zvyšovali vlhkost vnitřního vzduchu simulací stavů obvyklých v rodinných domech - sušení prádla (odpar vody z mokrých ručníků) a vařením (odpařování vody pomocí vařiče). Při zvyšování vlhkosti odpařováním vody z ručníků byl použit pro spouštění deskového výměníku časový spínač. Jednotky jsme při provozu vyfotili infrakamerou:
Obr.9 - rotační výměník
Obr.10 – deskový výměník (otevřený)
teo
tep
tip
tio
Obr.11 – deskový výměník (uzavřený)
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 -8-
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Výsledky měření Měření průtoků vzduchu:
Legenda: 1 – rotační výměník 2 – deskový výměník
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 -9-
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov Náběh jednotek:
Při zapnutí obou jednotek trvá určitý čas, než dojde ke stabilizování teplot v jednotkách a na výstupu z jednotek. Zejména teplota odpadního vzduchu po výměně tepla klesá. Doba náběhu je u deskového výměníku 25 minut, u rotačního výměníku 15 minut. Rychlejší náběh rotačního výměníku je způsoben kovovou konstrukcí jeho pláště a izolací. Plášť deskového výměníku je z plastu a výměník nebyl při měření izolován. Náběh jednotky deskového výměníku 25
25 MINUT
teplota [°C]
20
exterier interier
15
přívodní vzd. odpadní vzd.
10
16:26
16:24
16:22
16:20
16:18
16:16
16:14
16:12
16:10
16:08
16:06
16:04
16:02
16:00
15:58
15:56
15:52
0
15:54
5
čas
Náběh jednotky rotačního výměníku 25
15 MINUT
teplota [°C]
20 exterier interier
15
přívodní vzd. odpadní vzd.
10
16:26
16:24
16:22
16:20
16:18
16:16
16:14
16:12
16:10
16:08
16:06
16:04
16:02
16:00
15:58
15:56
15:52
0
15:54
5
čas
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 - 10 -
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov Teplotní účinnosti výměníků:
Pro každou jednotku jsme stanovili účinnost z odvodního vzduchu a z přívodního vzduchu. Reálná účinnost jednotek se pohybuje v těchto dvou mezích. Průměrná střední teplotní účinnost obou jednotek je 65 %.
z odvodu
6:30
5:50
5:10
4:30
3:50
3:10
2:30
1:50
1:10
0:30
23:50
23:10
22:30
21:50
21:10
20:30
19:50
19:10
18:30
17:50
z přívodu
17:10
90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 16:30
účinnos [%]
účinnosti deskového výměníku
čas
100% 80% 60%
z odvodu
40%
z přívodu
6:06
5:32
4:58
4:24
3:50
3:16
2:42
2:08
1:34
1:00
0:26
23:52
23:18
22:44
22:10
21:36
21:02
20:28
19:54
19:20
18:46
18:12
16:30
0%
17:38
20% 17:04
účinnos [%]
účinnosti rotačního výměníku
čas
porovnání průměrných účinností výměníků účinnos [%]
70%
rotační v.
68% deskový v. deskový výměník
66% 64% 62%
rotační výměník 6:30
5:48
5:06
4:24
3:42
3:00
2:18
1:36
0:54
0:12
23:30
22:48
22:06
21:24
20:42
20:00
19:18
18:36
17:54
16:30
58%
17:12
60%
čas
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 - 11 -
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov Vykreslení ZZT v h-x diagramu
P sychrom etrick ý diagram dle M olliera
T lak vzduchu: M ax. vlhkost při úpravách: P ovrchová teplota chladiče:
reku p erace t [°C ]
100 kP a 100 % 5 °C
55
10%
20 30
50
110
40
45
50
40
100 35
70
30
90
25
80
20 1 3
70 60
15
50 4 10
40 30
2
5
5 6 7 8 9 10
20 0
10 -5
klim ajednotky na m íru:
C .I.C . Jan H řebec h= 0 kJ/kg s.v .
-10
Š tefánikov a 48 150 00 P raha 5 T el: 02/5732 0066, 5732 7141 F ax:02/5732 3625 E -m ail:info@ cic.cz h ttp ://www.cic.cz
-15
-10 -20 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
x [g/kg s.v .]
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 - 12 -
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov Porovnání h-x diagramů
Z tohoto h-x diagramu, který vykresluje skutečné naměřené hodnoty, je patrný přenos vlhkosti v rotačním výměníku z odváděného vzduchu do vzduchu přiváděného. Dále si nelze nepovšimnout nestejného rozdílu teplot na přívodní a odvodní straně tepleného výměníku.
Naměřeno
t[°C]
?
=1
00
%
20
h[k
J/k
gs
. v. ]
10
0
-10 0
t[°C]
10
20
x[g/kg s.v.]
Nízké teploty bez vnitřní vlhkosti ?
=1
00
%
20
Tento h-x diagram naznačuje stav, kdy externí teploty poklesnou pod bod mrazu. Tyto hodnoty jsme nenaměřili. Diagram naznačuje, že pokud v interiéru nevznikne velká vlhkost, nemůže dojít na výměníku k žádané kondenzaci vodní páry.
h [k
J /k
gs
.v . ]
10
0
-10 0
10
20
x[g/kg s.v.]
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 - 13 -
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Naměřeno za deště
t[°C]
?
% 00 =1
20
Z tohoto h-x diagramu, který vykresluje skutečné naměřené hodnoty na deskovém výměníku, je patrný pokles relativní vlhkosti při ohřátí přívodního vzduchu. I když je v exteriéru vlhkost vysoká, nemůže bez vzniku vlhkosti v interiéru dojít ke kondenzaci vodní páry na tepelném výměníku na straně odváděného vzduchu.
h[k J/k gs .v.
]
10
0
-10 0
10
t[°C]
xi - xp
20
x[g/kg s.v.]
Předpoklad kondenzace ?
=1
% 00
20
Tento h-x diagram naznačuje stav, kdy v interiéru vznikne dostatečná vlhkost na to, aby vodní pára obsažená v odváděném vzduchu zkondenzovala na teplosměnných plochách výměníku.
h [k
J /k gs
.v. ]
10
xk
0
-10 0
10
20
x[g/kg s.v.]
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 - 14 -
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Teplotní účinnost v závislosti na otáčkách ventilátorů(průtocích vzduchu):
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 - 15 -
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Teplotní účinnost v závislosti na průtocích vzduchu
účinnost [%]
80% 78% 76%
vysoké otáčky nízké otáčky vysoké otáčky nízké otáčky
74% 72% 70% 68% 66% 0
5
10
15
20
25
30
35
t
Teplotní účinnost při dvou rozdílných průtocích vzduchu jsme měřili u jednotky s rotačním výměníkem. Počítali jsme opět účinnost z teplot odvodního a přívodního vzduchu. Při průtoku vzduchu Vp = 190,1 m3/hod je průměrná účinnost 70%, při průtoku Vp = 421 m3/hod je průměrná účinnost 73%.
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 - 16 -
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov Průběhy vlhkostí:
Deskový výměník - rosné body 6,0
PROVOZ JEDNOTKY
teplota[°C]
4,0 2,0
interiér exteriér přívod za R odvod za R
0,0 -2,0 -4,0
22:46
22:08
21:30
20:52
20:14
19:36
18:58
18:20
17:42
17:04
16:26
15:48
15:10
14:32
13:54
13:16
12:00
-8,0
12:38
-6,0
čas
Rotační výměník - rosné body PROVOZ JEDNOTKY
9
teplota[°C]
8 7
interiér přívod za R odvod za R exteriér
6 5 4 3 2
13:14
11:54
10:34
9:14
7:54
6:34
5:14
3:54
2:34
1:14
23:54
22:34
21:14
19:54
18:34
17:14
15:54
13:14
0
14:34
1
t
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 - 17 -
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
PRŠÍ
rel.vlhkost exterieru
Jednotka v chodu
rel.vlhkost interieru teplota interieru
3:20
2:32
1:44
0:56
0:08
23:20
22:32
21:44
20:56
20:08
19:20
18:32
17:44
16:56
16:08
15:20
14:32
13:44
12:56
teplota exterieru 12:08
80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5
11:20
teplota [°C]
relativní vlhkost [%]
relativní vlhkosti vzduchu I-E
čas (6.-7.4.2006)
Sušení ručníků (3,57l) v interiéru od 12:00; zapnutí deskového výměníku v 14:00; vypnutí výměníku v 21:30. V exteriéru jasno a sucho, v podvečer zataženo s deštěm.
rel.vlhkost exterieru rel.vlhkost interieur
Jednotka v chodu
teplota interieru
12:20
11:14
10:08
9:02
7:56
6:50
5:44
4:38
3:32
2:26
1:20
0:14
23:08
22:02
20:56
19:50
18:44
17:38
16:32
15:26
teplota exterieru 14:20
85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
13:14
teplota [°C]
relativní vlhkost [%]
relativní vlhkosti vzduchu I-E
čas (10.-11.4.2006)
Sušení ručníků (3,52l) v interiéru od 13:30; zapnutí rotačního výměníku v 15:00; vypnutí výměníku v 13:15 dalšího dne. V exteriéru občasné přeháňky až déšť. Běžná relativní vlhkost vzduchu v zimním období je kolem 60 % (viz graf relativní vlhkosti I-E pro deskový výměník). To odpovídá měrné vlhkosti cca 2,6 g/kg suchého vzduchu při teplotě 2°C. Pokud ohřejeme vzduch z teploty 2°C na 16 °C, tak relativní vlhkost tohoto vzduchu klesne na cca 23%, což se blíží hodnotě nevhodné pro zdraví. Relativní vlhkost v interiéru se zvýší vnitřními zdroji vlhkosti. Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 - 18 -
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Tepelná ztráta přívodního potrubí Pří průchodu přívodního venkovního vzduchu neizolovaným hliníkovým kruhovým potrubím v místnosti, dochází k ohřátí vzduchu u deskového výměníku o 3,2°C, u rotačního o 4,8°C. Deskový výměník: Q V p c t ep t e 0,05 1,2 1010 4,7 1,5 194W plocha potrubí: S d l 0,142 2,5 1,115m 2 d…….průměr potrubí l…….délka potrubí tepelná ztráta Q / S 194 / 1,115 174W / m 2 součinitel prostupu tepla U = 54,4 W .m-2.K-1 Rotační výměník: Q V p c t ep t e 0,0514 1,2 1010 6,3 1,5 299W plocha potrubí: S d l 0,2 2,0 1,257 m 2 d…….průměr potrubí l…….délka potrubí tepelná ztráta Q / S 299 / 1,257 240W / m 2 součinitel prostupu tepla U = 50 W .m-2.K-1 průměrný součinitel prostupu tepla: 52,2 W.m-2.K-1 teplota v místnosti ti = 16,1°C
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
duben 2006 - 19 -
SVOČ 2006
Technická zařízení a energie budov
Závěr Při zpětném získávání tepla ve větracích systémech rodinných domů nám za běžných provozních podmínek v zimě nevznikl žádný kondenzát. Proto nelze běžně uvažovat se zvýšením účinnosti ZZT kondenzací vodní páry na teplosměnných plochách. Při měření nebyly rozdíly teplot před a po rekuperaci u přívodního a odvodního vzduchu stejné, proto jsme počítali 2 účinnosti: z ochlazeného odpadního vzduchu a z ohřátého přívodního vzduchu. Reálná účinnost jednotek se pohybuje v těchto dvou mezích. Deskový výměník má větší průměrnou teplotní účinnost, než rotační výměník. Při zvýšení otáček ventilátorů se teplotní účinnost výměníku za našich podmínek příliš nelišila. Při vývinu vlhkosti v interiéru sušením ručníků a její následném snížení větráním záleží na vlhkosti v exteriéru. Při velké exteriérové vlhkosti se vlhkost v interiéru nesníží, nebo velmi pomalu. Záleží tudíž na počasí, zda jsou jednotky schopny interiérovou vlhkost odvést do exteriéru, nebo ne. Přívodní neizolované potrubí zvyšuje z exteriéru.
Jakub Henkl, Stanislav Čermák
znatelně teplotu přívodního vzduchu
duben 2006 - 20 -