K energetickému přínosu zemního výměníku tepla Ing. Pavel Kopecký, ČVUT, Fakulta stavební Thákurova 7, 166 29 Praha 6 Tel: +420 224 354 473, e-mail:
[email protected] Abstrakt: V našem podnebném pásu je přirozené, že budovy potřebují během roku vytápět či chladit. Pro předehřev a chlazení čerstvého vzduchu přiváděného do budovy je možné využít zemní výměník tepla (ZVT). Příspěvek obsahuje zhodnocení energetického přínosu zemního výměníku tepla na příkladu skutečného pasivního domu větraného systémem nuceného větrání s rekuperací (zpětným získáváním tepla) a předřazeným ZVT. Pro hodnocení byla využita data získaná z dlouhodobého provozního sledování uvedeného domu. Výsledky ukazují na podstatný rozdíl mezi předehřevem a chlazením vzduchu. Předehřev vzduchu v zemním výměníku tepla je možné chápat jako jistou konkurenci velmi účinné rekuperace, a proto systém sdružující ZVT a rekuperaci představuje pouze malý přínos v porovnání se samotnou rekuperací. Přínos chlazení k udržení kvalitního vnitřního prostředí je naproti tomu velmi závislý na stavebně-energetickém řešení domu. Abstract: It is rather natural that buildings have to be heated up or cooled down in a mild climate. The earth-to-air heat exchanger (EAHX) is a device which can be used for pre-heating and pre-cooling of fresh air. The paper deals with energy evaluation of particular EAHX connected with mechanical ventilation system equipped by heat recovery for a passive house. Measured data collected from extensive monitoring were used for evaluation of the EAHX. The air pre-heating in the EAHX keeps down building energy demand but with competitive relationship of the EAHX with heat recovery. Hence, the total effect of the EAHX in series with heat recovery is not significantly higher than the effect of heat recovery itself, especially for very high efficiencies of heat recovery. The benefit of air cooling in the EAHX is strongly dependent on the overall building-energy concept.
1. Úvod Pro předehřev a chlazení čerstvého vzduchu přiváděného do budovy je v domech větraných pomocí systému nuceného větrání často využíván zemní výměník tepla (ZVT). Principem ZVT je využití relativně stálé teploty zeminy v určité hloubce pod povrchem země. V období, kdy je teplota vstupujícího vzduchu vyšší než teplota okolní zeminy, je procházející vzduch ochlazován. V období, kdy je teplota vstupujícího vzduchu nižší než teplota okolní zeminy, je procházející vzduch ohříván. Na obr. 1 je znázorněn příklad možného průběhu průměrné teploty vnějšího vzduchu Te a průběhu teploty v zemině Tz v hloubce 1 a 2 m pro lokalitu ležící v mírném podnebném pásu. Povšimněme si, že teplota v zemině v obvykle používaných hloubkách uložení ZVT není konstantní, ale v průběhu zimních měsíců mírně klesá (minimum přibližně v březnu) a naopak v průběhu léta mírně stoupá (maximum přibližně v září). V souvislosti s větráním budov je zajímavé, že zatímco předehřívat větrací vzduch
potřebujeme prakticky celé otopné období, potřeba chlazení je často omezena pouze na několik velmi teplých vln letního období.
Te
25
Tz_1,0m
20
Tz_2,0m approxTe
15 10
1.12
1.11
1.10
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
Simulace [1,2] nebo pro5 vozní měření reálných ZVT jsou možnostmi jak 0 sledovat tepelně vlhkostní -5 chování ZVT. To je závislé (bez pořadí důležitosti) na -10 průtoku vzduchu přes -15 ZVT, konvektivním přestu- Obr. 1 Možný průběh denní průměrné teploty vnějšího vzduchu Te pu tepla mezi proudícím a teploty v zemině Tz pro hloubky 1 a 2 m vzduchem a stěnou potrubí, teplosměnné ploše (ta je závislá na délce, průměru a počtu potrubí), na teplotě v zemině (ta je závislá na vlastnostech zeminy, hloubce, ročním průběhu teploty zemského povrchu a předchozím provozu ZVT), teplotě a relativní vlhkosti vzduchu vstupujícího do ZVT.
2. Sledování provozu ZVT a systému nuceného větrání na pasivním domě v Rychnově ZVT a nucené větrání s rekuperací pasivního domu v Rychnově u Jablonce nad Nisou [3] jsou monitorovány od začátku září 2005. Schéma monitorovaného systému je na obr. 2, základní informace k ZVT jsou v tabulce 1. Zajímavostí systému je, že pro chlazení budovy je možné využít cirkulačního provozu ZVT. Data jsou sbírána do měřící ústředny (vzorkovací frekvence 1 min) a do dvou dataloggerů (vzorkovací frekvence 5 min). Jeden z dataloggerů je umístěný v nasávací šachtě (bod 2), druhý je umístěný uvnitř domu a sbírá informace o teplotě, relativní vlhkosti a koncentraci CO2 vnitřního vzduchu. • • • • • • • •
1. Teplota a relativní vlhkost [°C, %] 2. Teplota a relativní vlhkost [°C, %] 3. Teplota a relativní vlhkost [°C, %] 4. Teplota a relativní vlhkost venkovního vzduchu [°C, %] 5. Teplota cirkulačního vzduchu [°C] 6. Cirkulační ventilátor Mc [V, ac] 7. Sací ventilátor Mv [V, ac] 8. Poloha cirkulační klapky [V, dc]
Obr. 2 Schéma monitorovaného systému s umístěním čidel
počet potrubí 2 průtok [m3/h] 115 – 410, vyšší hodnoty pro letní chlazení
délka potrubí [m] 23 Zemina Jílovitá
průměr [mm] 200 Regulace podle Te a aktuálního režimu VZT jednotky, možnost manuálního nastavení cirkulačního provozu (ZVTc)
hloubka [m] 1.0 and 2.0 Lokalita Rychnov u Jablonce nad Nisou
Tab. 1 Základní parametry sledovaného ZVT
3. Energetický přínos ZVT při předehřevu vzduchu Pro prezentaci přínosu ZVT při předehřevu vzduchu byla využita data z provozního měření, měsíce leden a březen 2006. 3.1. Teorie Okamžitý tepelný tok Qzvt (W) přijímaný ze zeminy nebo do zeminy odevzdávaný (okamžitý tepelný výkon ZVT) lze vyjádřit jako:
Qzvt = ma ca (Te − Tout )
(1)
kde ma je průtok vzduchu (kg/s), ca je měrná tepelná kapacita vzduchu (J/kg.K), Te je teplota venkovního vzduchu (°C) a Tout je teplota vzduchu na výstupu ze ZVT (°C). Okamžitý tepelný výkon rekuperace Qrekup (W) lze vyjádřit jako:
Qrekup = ma ca (Te1 − Te 2 )
(2)
kde Te2 je teplota vzduchu po rekuperaci a Te1 je teplota vzduchu vstupujícího do rekuperátoru. Teplotu Te2 lze vypočítat s pomocí účinnosti rekuperace η (-):
Te 2 = Te1 + η (Ti − Te1 )
(3)
kde Ti je teplota vnitřního vzduchu (°C). V případě, že ZVT je předřazený rekuperaci, je Te1 rovna Tout. V případě, že rekuperátoru není předřazený ZVT je Te1 rovna Te. Okamžitý výkon nutný pro dohřev vzduchu na teplotu vnitřního vzduchu Qdohřev je daný jako:
Qdohřev = ma ca (Te 2 − Ti )
(4)
3.2. Provoz ZVT Krátký krok zápisu dat umožňuje podrobné sledování provozních režimů VZT jednotky v průběhu její činnosti, což umožňuje přesně určit časové úseky kdy byl ZVT v provozu a velikost aktuálního průtoku vzduchu. Provoz ZVT v lednu 2006 je zobrazený na obr. 3 a obr. 4. Protože během ledna 2006 prakticky nevystoupila teplota vnějšího vzduchu nad 4°C (přibližně na tuto teplotu bylo nastaveno vypnutí sání přes ZVT), zobrazuje obr. 3 i četnost větrání budovy.
Větrání během sledovaného období bylo velmi přerušované. Dosahovaná průměrná řízená výměna vzduchu se může zdát velmi nízká (30 m3/h, což činí přibližně 0,1 h-1), společně s infiltrací přes plášť budovy (n50 = 0,88 h-1) se jedná o přibližně 45 m3/h (~ 0,15 h-1). Při průměrném celodenním obsazení (4 osoby, každá 12 h) potom vychází přívod čerstvého vzduchu 23 m3/h na osobu. Obr. 3 Provoz ZVT tepla (leden 06) zobrazený graficky, na svislé ose je čas během dne v minutách, sloupce na vodorovné ose představují jednotlivé dny; šedé jsou vyznačeny průtoky 115 m3/h, černě 198 m3/h
Vodorovný pás viditelný přibližně uprostřed obr. 3, představuje větrání vynucené vařením v kuchyni. Krátké proužky viditelné zejména v noci (od 0 do 400 min) jsou funkce automatického cyklického větrání. Z dat je patrná tendence větrat co nejméně (s ohledem na redukci tepelné ztráty větráním a udržení přijatelné vlhkosti vnitřního vzduchu), ale zároveň ještě dostatečně s ohledem na nutný přísun čerstvého vzduchu a odvod škodlivin (indikátorem kvality vzduchu může být koncentrace CO2). Patrně bude ještě věcí další diskuze a vyhodnocení měřených koncentrací CO2, jaká průměrná intenzita výměny vzduchu je pro obyvatele ještě optimální. Rozhodující je zde nepochybně subjektivní stanovisko uživatelů. 5
hod
doba provozu ZVT Te
0 -5 -10
[°C]
14 12 10 8 6 4 2 0
-15 31.1.06
30.1.06
29.1.06
28.1.06
27.1.06
26.1.06
25.1.06
24.1.06
23.1.06
22.1.06
21.1.06
20.1.06
19.1.06
18.1.06
17.1.06
16.1.06
15.1.06
14.1.06
13.1.06
12.1.06
11.1.06
9.1.06
10.1.06
8.1.06
7.1.06
6.1.06
5.1.06
4.1.06
3.1.06
2.1.06
1.1.06
-20
leden 06
Obr. 4 Doba provozu ZVT a průměrné denní teploty vnějšího vzduchu v lednu 2006
3.3. Okamžitý výkon ZVT Okamžitý měrný tepelný výkon ZVT qzvt (W/m2) je tepelný výkon ZVT Qzvt vztažený na jeho teplosměnnou plochu (v Rychnově přibližně 29m2). Obr. 5 ukazuje závislost měrného výkonu na průtoku a teplotě vnějšího vzduchu. Výsledky nejsou zcela zobecnitelné, protože jsou závislé na materiálu zeminy, hloubce uložení potrubí, vzájemné vzdálenosti potrubí a lokalitě. Přesto dávají dobrý obrázek o možných výkonech ZVT provozovaného s podobnými průtoky a podobnou četností provozu (ZVT pro rodinný dům ve středoevropské lokalitě).
[%]
[%]
qzvt [W/m2]
Povšimněme si, že 50 průsečík s osou x se během zimy posouvá 40 doprava v závislosti na aktuální teplotě 30 v zemině. Snížení vý20 konu ZVT během qzvt 115m3/h leden06 otopného období je qzvt 198m3/h leden06 10 jednak důsledkem qzvt 115m3/h březen06 předchozího provozu qzvt 198m3/h březen06 0 ZVT (ochlazování ze7 5 3 1 -1 -3 -5 -7 -9 -11 -13 -15 -17 -19 Te miny), ale také důObr. 5 Aktuální měrný výkon ZVT qzvt (W/m2) roztříděný podle teploty sledkem přirozeně vnějšího vzduchu a průtoku, přímky v grafu byly získány lineární regresí klesající teploty naměřených dat v zemině během 20 20 otopného období (viz. 15 obr. 1). Vzhledem 15 k tomu, že množství 10 předávané energie 10 mezi zeminou a ZVT 5 5 není velké, je druhý z vlivů patrně důleži0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 [W/m2] [W/m2] tější. Další graf (obr. 6) Obr. 6 leden 06 – relativní četnost dosahovaných výkonů (%) ukazuje relativní četvlevo: pro průtok 115 m3/h, vpravo: pro průtok 198 m3/h nost dosahovaných měrných tepelných výkonů ZVT.
14,0 12,0 10,0 8,0
E_dohřev E_rekup E_ZVT
31.1.2006
30.1.2006
29.1.2006
28.1.2006
27.1.2006
26.1.2006
25.1.2006
24.1.2006
23.1.2006
22.1.2006
21.1.2006
20.1.2006
19.1.2006
18.1.2006
17.1.2006
16.1.2006
15.1.2006
14.1.2006
13.1.2006
12.1.2006
11.1.2006
9.1.2006
10.1.2006
8.1.2006
7.1.2006
6.1.2006
5.1.2006
4.1.2006
3.1.2006
2.1.2006
6,0 4,0 2,0 0,0 1.1.2006
kWh/den
3.4. Energetický zisk ZVT
Obr. 7 Potřeba tepla na krytí tepelné ztráty větráním v lednu 2006 (účinnost rekuperace uvažována 85%)
5
4
4
E_zvt [kWh/den]
E_zvt [kWh/den]
5
3 2 1 0 -20
3 2 1 0
-15
-10
Te
-5
0
0
5
1
2
3
4 5 6 7 8 doba provozu [h]
9
10 11 12
Obr. 8 Energetický zisk ZVT Ezvt (kWh/den) roztříděný podle průměrné denní venkovní teploty (vlevo) a podle doby provozu (vpravo), černě vyznačený bod je hodnota s nejnižší teplotou vnějšího vzduchu, šedě vyznačený bod je hodnota s nejdelší dobou provozu (leden 2006)
3.5. Přínos použití ZVT v systému nuceného větrání s rekuperací Při hodnocení přínosu ZVT si nevystačíme pouze s hodnocením samotného energetického zisku. Spíše než energetický zisk ZVT nás zajímá porovnání varianty samotné rekuperace (bez ZVT) a rekuperace s předřazeným ZVT. Rozdíl těchto variant dává skutečný přínos použití ZVT. Problémem předřazení ZVT před rekuperaci je, že ZVT „si přisvojí“ část energie, která by jinak mohla být zrekuperována. Situace je vyznačena na obr. 9. Přínos ZVT je závislý na účinnosti rekuperace. Čím vyšší je účinnost rekuperace, tím nižší je přínos ZVT. 200 180
140 120 100 80
151,2
60 40
E_rekup
přínos ZVT
kWh/leden 06
23,4
37,8
160
E_dohřev
93,5
116,9
E_ZVT
Obr. 9 Energie získaná ZVT, rekuperací a velikost nutného dohřevu pro jednotlivé varianty – leden06, pro účinnost rekuperace 85%
0,0 72,2
72,2
ZVT + rekuperace
jenom ZVT
20 0
0,0 jenom rekuperace
4. Energetický přínos ZVT při chlazení vzduchu Pro prezentaci přínosu ZVT při chlazení vzduchu byla využita data z provozního měření, měsíc červen 06. V tomto období se využívalo pouze obvyklé sání přes ZVT (do ZVT vstupuje venkovní vzduch), cirkulační provoz byl umožněn až od 11.7.2006 a není v tomto příspěvku hodnocen. 4.1. Teorie Tepelný tok Qzvt (W) přijímaný z nebo odevzdávaný do zeminy neznamená totéž co výkon chlazení Qcooling (W). Může se stát, že vzduch průchodem přes ZVT sice o-
chladíme, ale teplota vzduchu v budově je nižší než teplota vzduchu na výstupu ze ZVT, a nemůže tedy docházet k chlazení budovy.
Qcooling = ma ca (Ti − Tout )
(5)
4.2. Provoz ZVT Provoz ZVT během sledovaného období je zobrazený na obr. 10 a obr. 11.
16 14 12 10 8 6 4 2 0
35 30 25 20 15 10 5 0 30.6.06
29.6.06
28.6.06
27.6.06
26.6.06
25.6.06
24.6.06
23.6.06
22.6.06
21.6.06
20.6.06
19.6.06
18.6.06
17.6.06
16.6.06
15.6.06
14.6.06
13.6.06
12.6.06
11.6.06
9.6.06
10.6.06
8.6.06
7.6.06
6.6.06
5.6.06
4.6.06
3.6.06
2.6.06
1.6.06
hod
doba provozu ZVT Te maxTe minTe
[°C]
Obr. 10 Provoz ZVT tepla (červen 06) zobrazený graficky, na svislé ose je čas během dne v minutách, sloupce na vodorovné ose představují jednotlivé dny; odstíny šedé jsou vyznačeny průtoky 115, 198 a 221 m3/h, černě vyznačeny průtoky 401 m3/h
červen 06
Obr. 11 červen06 - doba provozu ZVT a průměrné, maximální a minimální denní teploty vnějšího vzd.
4.3. Okamžitý výkon ZVT měrného výkonu ZVT na průtoku a na teplotě vnějšího 80 qzvt 221m3/h červen06 70
qzvt [W/m2]
Obr. 12 ukazuje závislost vzduchu během června 2006. Sledováním vzájemného poměru průtoků a vzájemného poměru okamžitých výkonů ZVT (viz. např. obr. 12, 401/221 = 1,81, ale poměr výkonů je přibližně 1,5) lze vyslovit závěr, že se zvyšujícím se průtokem neroste výkon ZVT lineárně. Nelinearita je více patrná až u vyšších
qzvt 401m3/h červen06
60 50 40 30 20 10 0 8
10
12
14
16
18
20 22 Te
24
26
28
30
32
34
Obr. 12 Aktuální měrný výkon ZVT qzvt (W/m2) roztříděný podle teploty vnějšího vzduchu a průtoku, přímky v grafu byly získány lineární regresí naměřených dat
(letních) průtoků. Tento efekt byl předběžně potvrzen i numerickým modelem. 4.4. Výkon chlazení 1500 1250
Qcooling [W]
Obr. 13 ukazuje okamžitý výkon chlazení v závislosti na teplotě vnitřního vzduchu a průtoku vzduchu (použity pouze data ze dne 26.6. a 27.6.2006). Vzhledem k vypočtené hodnotě tepelné zátěže (pro 21.7, 14:00 činí 2900 W, z toho 960 W jsou vnitřní zisky) lze tvrdit, že s pomocí ZVT v Rychnově lze odvést značnou část z okamžité tepelné zátěže vnitřního prostoru.
1000
27.6. - 221m3/h 26.6. - 401 m3/h
750 500 250 0
25
26 Ti [°C]
27
Obr. 13 okamžitý výkon chlazení ve dnech 26.6. a 27.6.2006
5. Závěr Ve spolupráci ČVUT, FSv a firmy ATREA s.r.o. se podařilo realizovat podrobné měření provozu systému nuceného větrání s rekuperací a ZVT. Z prezentovaných výsledků měření plynou tyto závěry: • Předehřev vzduchu v ZVT je konkurencí rekuperace, a proto sdružený systém ZVT a rekuperace představuje pouze malé navýšení získané energie v porovnání se samotnou rekuperací. • Přínos chlazení vzduchu v ZVT je velmi závislý na stavebně-energetickém řešení domu. Trochu paradoxně, u domů, které se rychle ohřívají (teplota vnitřního vzduchu je vyšší), je okamžitý chladící výkon ZVT vyšší. Jeho skutečný přínos ale být vyšší nemusí, záleží na poměru mezi okamžitým chladícím výkonem ZVT a okamžitými tepelnými zisky větrané zóny. Proto jsou dobrá letní stabilita domu a návrh dimenzí ZVT klíčové pro udržení přijatelných teplot vnitřního vzduchu a efektivní chlazení. Poděkování: Tento výsledek byl získán za finančního přispění MŠMT ČR, projekt 1M6840770001, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS. Autor také velmi děkuje manželům Jindrákovým za laskavé umožnění provozního sledování ZVT a společnosti Atrea s.r.o za spolupráci při vyhodnocování dat.
6. Literatura (1) KOPECKÝ, P. Zemní výměník tepla: model a validace. VVI 4/2006. (2) KOPECKÝ, P. Pokročilá simulace zemních výměníků tepla – srovnání simulace a experimentálních dat z měření. TOB2006, Praha 2006. (3) JINDRÁK, M.: Pasivní dům v Rychnově. Tepelná ochrana budov, 1/2005.
