Zpětné získávání tepla ve větracích systémech pro RD

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


duben 2006 -1-

SVOČ 2006


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    ct 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


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


duben 2006 -3-

SVOČ 2006


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


duben 2006 -4-

SVOČ 2006


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


duben 2006 -5-

SVOČ 2006


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


duben 2006 -6-

SVOČ 2006


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


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)


duben 2006 -8-

SVOČ 2006


Výsledky měření Měření průtoků vzduchu:

Legenda: 1 – rotační výměník 2 – deskový výměník


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


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


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 .]


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.]


duben 2006 - 13 -

SVOČ 2006


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.]


duben 2006 - 14 -

SVOČ 2006


Teplotní účinnost v závislosti na otáčkách ventilátorů(průtocích vzduchu):


duben 2006 - 15 -

SVOČ 2006


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%.


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


duben 2006 - 17 -

SVOČ 2006


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


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


duben 2006 - 19 -

SVOČ 2006


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.


znatelně teplotu přívodního vzduchu

duben 2006 - 20 -

Zpětné získávání tepla ve větracích systémech pro RD

Recommend Documents