Provoz zemního kolektoru v období zima/léto
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV TECHNICKÝCH ZAŘÍZENÍ BUDOV
Ing. Petr Horák, Ph.D. 18.10. 2010 Havlíčkův Brod
Zemní výměník - obecně - U moderních domů, které vykazují malé tepelné ztráty ustupuje klasické teplovodní vytápění do pozadí. - Místo klasického vytápění je často používáno teplovzdušné vytápění, které vytápí a větrá současně. - Při užití vzduchotechniky může být použito jako zdroje tepla například solární zařízení, tepelné čerpadlo, popř. jiný zdroj. - V případě použití teplovzdušného vytápění v domě, se naskýtá možnost využít progresivního prvku, kterým je zemní výměník.
2
Zemní výměník - výhody - Jednoznačná úspora energie při použití nuceného větrání
- Relativně nízké pořizovací náklady při zbudování u novostavby - Minimální nároky na obsluhu, prakticky bez údržby - Spolehlivost - Vysoká trvanlivost
3
- Pokud projektant použije v domě vzduchotechniku, je nutné přivádět čerstvý vzduch do tohoto zařízení. - Jak známo, tento přiváděný vzduch není vhodný po většinu času v roce pro přímé použití a jsou nutné jeho úpravy. - Vzduch je třeba buďto chladit nebo ohřívat. K tomu je možné využít strojního zařízení. - Další možností je použití zemního výměníku pro tepelné úpravy vzduchu.
4
Zemní výměník – teplotní schéma
5
Zemní výměník – solanka
6
Zemní výměník – vzduchový - Potrubí se obvykle ukládá v hloubce 2-4 metrů ve formě hada nebo registru. Výhodnější je forma registru.
- Registr umožňuje vetší průtoky vzduchu při zachování malých průměrů potrubí. Pro účinnost zemního výměníku jsou mimo charakteristiku zeminy klíčové hodnoty průměr potrubí a rychlost proudění vzduchu v potrubí.
7
Zemní výměník – vzduchový - Výměník ve tvaru registru má svazek potrubí malého průměru 10-20 cm. Výměník ve tvaru hada má průměr větší aby přenesl stejné množství vzduchu. - Rychlost proudění vzduchu bývá volena mezi 1 až 2 m/s. Větší rychlosti snižují účinnost a menší rychlost nevyužije plně potenciál zeminy.
8
Zemní výměník – integrace v systému 1 - cirkulační a čerstvý vzduch do obytných místností 2 - venkovní vzduch přiváděný zemním registrem 3 odpadní - vzduch z WC, koupelny, kuchyně 4 - cirkulační vzduch z místností do VZT jednotky 5 - výfuk odpadního vzduchu po rekuperaci A - vytápěcí a větrací jednotka DUPLEX RD B - integrovaný zásobník tepla IZT 950 C - dřevokotel zplynovací D - zemní registr E - solární vakuové kolektory
Systém teplovzdušného vytápění a větrání s rekuperací tepla a ZV 9
Zemní výměník – součásti
10
Zemní výměník – součásti
11
Zemní výměník – praktické realizace
12
Zemní výměník – praktické realizace
13
Zemní výměník – praktické realizace
14
08:00:00
04:00:00
00:00:00
20:00:00
16:00:00
čas(h) 20:00:00
16:00:00
12:00:00
20,0
12:00:00
08:00:00
04:00:00
00:00:00
20:00:00
16:00:00
12:00:00
08:00:00
04:00:00
00:00:00
20:00:00
16:00:00
12:00:00
08:00:00
04:00:00
00:00:00
20:00:00
16:00:00
12:00:00
08:00:00
04:00:00
00:00:00
Zemní výměník – chování výměníku Výsledky měření - Zima 15.3-19.3. 2006 Brno
25,0
t (°C) venkovní teplota
15,0 výstup z výměníku
10,0
5,0
0,0
-5,0
15
Zemní výměník – chování výměníku Výsledky měření - Léto Ivanovice (13:00 až 19:00 - 24.8. 2006) teploty, rychlost, 24.8 13:00-19:00
t - vstup t - výstup
25,0
2,5
rychlost 24,0 2 23,0 1,5
22,0
21,0
1
20,0 0,5 19,0
18:48:09
18:28:09
18:08:09
17:48:09
17:28:09
17:08:09
16:48:09
16:28:09
16:08:27
15:59:17
15:09:05
14:49:05
14:29:05
14:09:05
13:48:38
13:28:38
13:08:38
0
12:48:38
18,0 t (°C)
v (m/s)
16
Faktory působící na zemní výměník sluneční záření
srážky
teplota vzduchu
vypařování vsakování
zemní výměník fázové změny voda - pára kapilární oblast podzemní voda
výstup
nasycená obl.
vstup přenos tepla pohlcené sluneční záření konvekcí
mikroklima domu
nenasycená oblast
vítr
17
Výpočtový model
vstup
mikroklima domu
Okrajové podmínky
výstup
tepelný tok Q
Proudění tepla
Přestup tepla
kapilární oblast
podzemní voda
nasycená obl.
Tlakové ztráty
nenasycená oblast
Teplotní pole
18
Polomasív - Polomasív je ideální těleso, prostorově neohraničené, jehož povrch tvoří rovina v konečnu, např. rovina y – z. - Teplota v polomasívu se mění ve směru osy x. - Aby bylo možné úspěšně vyřešit rovnici pro zemní výměník, je třeba znát teplotu v zemině v místě uložení. - Výpočet teploty v zemině je možné řešit pomocí známých vztahů z literatury za využití teorie polomasívu.
19
Termokinetika polomasívu s periodicky proměnnou teplotou na povrchové rovině polomasívu Pole teplotních rozdílů vyjadřuje Fourierova diferenciální rovnice (K.s-1) a 2 Teplotní rozdíl je dán vztahem
(t x t )
t s max t s min t 2 20
Termokinetika polomasívu s periodicky proměnnou teplotou na povrchové rovině polomasívu Pole teplotních rozdílů vyjadřuje Fourierova diferenciální rovnice (K.s-1) a 2 Teplotní rozdíl je dán vztahem
(t x t )
t s max t s min t 2 21
Termokinetika polomasívu s periodicky proměnnou teplotou na povrchové rovině polomasívu Maximální teplotní rozdíl na povrchové rovině polomasívu je
s max ts max t t ts min Periodicky proměnný teplotní rozdíl na povrchové rovině polomasívu vyjadřuje rovnice s s max cos 2 kde p (s) je doba periody teplotní změny p
Integrací rovnice obdržíme vztah pro pole teplotních rozdílů x a 2
cos x s max exp 2 F F 0 0 p
22
Termokinetika polomasívu s periodicky proměnnou teplotou na povrchové rovině polomasívu Pole teplotních rozdílů x podle rovnic při periodické změně teploty ts na povrchové rovině polomasívu
23
Příklad výpočtu teploty zeminy 20.00
15.00 0m
teplota (°C)
0,5 m
10.00
1m 1,5 m 2m 2,5 m
5.00
3m 3.5 m
červen
květen
duben
březen
únor
leden
listopad
říjen
září
srpen
prosinec
-5.00
červenec
0.00
měsíce
Na obrázku je možné vidět teploty zeminy v různé hloubce uložení. Teploty byly spočítány pro oblast Brna, pro jeden druh zeminy dle teorie termokinetiky polomasívu s periodicky proměnnou teplotou na povrchové rovině polomasívu. 24
Výpočtové modely ZV Skupina I (A) Tyto algoritmy počítají s přenosem tepla konvekcí z proudícího vzduchu do potrubí a následně s přenosem tepla kondukcí z potrubí do okolní zeminy. Nezbytné vstupní data jsou: - geometrická charakteristika systému - tepelná charakteristika zeminy - tepelná charakteristika potrubí - nepřerušená teplota zeminy během provozu systému.
25
Výpočtové modely ZV Skupina II (B až H)
Tyto algoritmy uvažují pouze s přenosem tepla konvekcí z proudícího vzduchu do potrubí. Nezbytné vstupní data jsou: - geometrická charakteristika systému - tepelná charakteristika zeminy - teplota povrchu potrubí.
26
Výpočtové modely ZV A. Schillerův algoritmus
Qx T f , x 1 T f , x m c p ,air
B. Santamourisuv algoritmus T f ,o
Fo 0,5 0,5 T f ,i Twall exp Sa 1 Bi Sa exp Bi Fo I1 2Bi Sa Fo Fo 0,5 dFo Twall 0
C. Rodriguezuv algoritmus
Tair,out Twall (Tair,in Twall ) e
( hA/ mair c p ,air )
27
Výpočtové modely ZV D. Levituv algoritmus
E. Seroaeuv algoritmus
T
x 1 f
T
T f ,o
F. Elmer Schilleruv algoritmus
x f
m c f UAdx mcf
1 U / 2T
f ,i
UAdx Tg x, D mcf
UTwall
1 U / 2
Qx T f , x 1 T f , x m c p ,air Qx U w T f , x Twall 2Ri dx
28
Výpočtové modely ZV Střední kvadratická chyba mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami pro experiment – kontinuální proudění
6
%
5,37
5
4,43
4
3,39
3,38
3,32
3,3
3,43
Levit
Seroa
Elmer
3,32
3 2 1 0 Schiller
Santamour Rodriguez
Sodha
Chen
Algoritmus
29
Literatura
[1] M. De Paepe, A. Janssens: Thermo-hydraulic design of earth heat exchanger, Energy and Buildings 35 (2003) 389-397. [2] Doc. Ing. Miroslav Sazima, CSc, Prof. Ing. Dr. Vladimír Kmoníček, DrSC., Ing. Jiří Schneller, DrSc.a kol.: Teplo, vydalo SNTL Praha (1989) 04-229-89. [3] Doc. Ing. Jaroslav Řehánek, DrSc: Tepelná akumulace budov, vydalo ČKAIT Praha (2002) 80-86364-59-3. [4] Pavel Kopecký: Chlazení a předehřev vzduchu v zemním výměníku, Konference simulace budov a techniky prostředí 2004, Praha 1.-2. Listopadu 2004. [5] C.A. Hagentoft: Introduction to building physics, Studentliteratur, 2001. [6] Prof. Ing. Jaroslav Chyský CSc., Prof. Ing. Karel Hemzal CSc. a kol.: Větrání a klimatizace, vydalo Česká matice technická Praha (1993) 80 901574-0-8. [7] A. Tzaferis and D. Liparakis, M. Santamouris, A. Argiriou: Analysis of the accuracy and sensitivity of eight models to predict the performance of earth-to-air heat exchangers, Energy and Buildings 18 (1992) 35-43.
30
Konec prezentace
Děkuji za pozornost
31
