Rekuperace tepla v systému větrání s využitím zemního výměníku tepla s uzavřeným kapalinovým okruhem

Větrání moderních obytných budov se dnes často řeší systémy, s jejichž pomocí se do budovy přivádí čer­stvý vzduch tím nejpohodlnějším a z hlediska energií nejúspornějším způsobem. Například rovnotlaké větrání se zpětným získáváním tepla lze spojit se zemním výměníkem tepla.

Protože teplota země se mění pomaleji než teplota vzduchu, lze k předehřívání přiváděného venkovního vzduchu v zimě a k ochlazení přiváděného venkovního vzduchu v létě využít zemi (tzv. zemní kolektor). Efekt rovnotlakého větrání s využitím zemního výměníku tepla s uzavřeným kapalinovým okruhem je prezentován v následujícím článku na konkrétním příkladu instalace v obytné budově v nizozemském Nijeveenu.

Dva typy zemního výměníku tepla

Existují dvě varianty systémů zemního výměníku tepla. První je otevřený systém, kde se venkovní vzduch vede potrubím uloženým v zemi a teprve poté se přivádí do budovy a prochází rekuperační jednotkou. Podrobný popis tohoto systému je v referenci [1].

Druhý systém je uzavřený (viz obr. 1) – venkovní vzduch se přivádí nejprve do výměníku tepla vzduch-kapalina a teprve poté vstupuje do rekuperační jednotky. Potrubím proudí kapalina – směs glykolu a vody. Větší část trubky je uložena vodorovně v zemi (zemní kolektor), kde kapalina odebírá (nebo předává) teplo ze země (do země).

Preferován je zemní výměník tepla s uzavřeným kapalinovým okruhem, který je méně náchylný k poškození přirozeným sesedáním terénu. Systém s uzavřenou kapalinovou smyčkou také zamezuje potenciálním problémům s množením mikrobů v zavodněném vzduchovém zemním potrubí (v kterém zkondenzovala vzdušná vlhkost). Navíc zemní výměník tepla s uzavřenou kapalinovou smyčkou vyžaduje menší prostor, neboť jej lze nainstalovat meandrově.

Vysvětlení technologie

Efekt rovnotlakého větrání s rekuperací tepla v kombinaci se zemním výměníkem tepla je znázorněn na obrázku:

Na vodorovné ose je venkovní teplota. Černá přímka je požadovaná vnitřní teplota. U systému větrání s rekuperací tepla zobrazuje zelená přímka teplotu přiváděného čerstvého vzduchu, který vedeme rozvody vzduchu do ložnic, dětských pokojů a obývacího pokoje.

V zimě je spotřeba energie, nutná k ohřátí přiváděného čerstvého vzduchu otopnou soustavou na požadovanou teplotu (červené šipky), velice nízká. Energii, ušetřenou v porovnání se systémem bez zpětného získávání tepla, znázorňují šedé šipky. Tím se sníží náklady na ohřev přiváděného vzduchu. Teplo země také zabezpečuje chod rekuperační jednotky bez nebezpečí zamrzání kondenzátu. Tím je zajištěno rovnotlaké vyvážené větrání po celý rok.

Za určitých podmínek se v letním období automaticky otevře obtok (bypass) a zabrání přívodu vzduchu s příliš vysokou teplotou. V tomto případě proudí čerstvý vzduch do místností bez výměny energie v rekuperačním výměníku. Zelená čára sleduje čárkovanou černou čáru. Jedná se o chlazení venkovním vzduchem, neboť teplota přiváděného vzduchu je nižší než teplota vnitřního vzduchu (modré šipky).

V létě je teplota země nižší než teplota venkovního vzduchu a dokonce nižší než vnitřní teplota. Díky zemnímu výměníku tepla můžeme využívat chlazení venkovním vzduchem po celé léto, což zvyšuje komfort v každé místnosti domu (fialové šipky).

Zemní výměník tepla není využíván při venkovních teplotách mezi 7 °C a 23 °C, tyto hodnoty lze však upravit při nastavení větrací jednotky podle místních podmínek.

Monitorovaný dům

V Nijeveenu (Nizozemsko) bylo větrání obytného domu monitorováno po celý rok. Během monitorovaného období měl větrací systém nastavené pevné množství přiváděného čerstvého vzduchu 220 m³·h^–1. Zemní výměník tepla s uzavřeným kapalinovým okruhem sestává z jednotky Zehnder ComfoFond-L (umístěné vedle rekuperační jednotky) a zemního kolektoru. V tomto projektu je zemní kolektor tvořen polyetylenovou trubkou o délce 100 m s vnějším/vnitřním průměrem 25/17 mm. Kolektor je uložen v hloubce 1,20 m pod zemí a je naplněn směsí glykolu a vody. Trubka kolektoru je na větrací jednotku napojena v podkroví a pokračuje přímo dolů do podzemního podlaží. U předních dveří domu vstupuje do země a prochází kolem domu do zadního dvora. Na zadním dvoře tvoří několik smyček a vrací se zpět stejnou stranou domu a stoupá zpět do podkroví. Doporučuje se dodržovat minimální rozestup trubek 60 cm, u tohoto projektu však byla vzdálenost v některých úsecích i jen 30 cm.

Zemní výměník tepla se automaticky zapíná/vypíná čerpadlem v jednotce ComfoFond-L. U této instalace je čerpadlo v chodu při venkovních teplotách nižších než 7 °C a vyšších než 16 °C. Čerstvý vzduch se rozvádí po domě kruhovým flexibilním potrubím, které je vedeno do jednotlivých obytných místností. Vydýchaný a znečištěný vzduch se z kuchyně, WC a koupelny přivádí zpět do rekuperační jednotky a teprve poté se vypouští ven.

Informace o průtoku vzduchu, teplotě a nastavení větracího systému se shromažďovaly v intervalu 1 minuta a poté se vypočítávaly průměry za 1 hodinu – tím byly získány statistické výsledky pro červen 2011 až srpen 2012. V létě 2012 některá data chybí, protože došlo k hardwarovým problémům monitorovacího zařízení.

Větrání se zemním výměníkem tepla v praxi

Na obr. 4 je zobrazena teplota země v hloubce 1,20 m (tmavě červená křivka) a teplota venkovního vzduchu (modrá). Je zde vidět tlumicí efekt země. V této hloubce teplota země kolísá mezi 5 a 16 °C při kolísání teplot venkovního vzduchu mezi –15 a +35 °C.

Pro tento větrací systém existují čtyři možné stavy (viz též obr. 2), které závisí na tom, zda se využívá rekuperace tepla (RT) nebo/a zemní výměník tepla (ZVT). Obr. 5 ukazuje, že v chladném období se využívá rekuperace tepla se zemním výměníkem tepla vždy, když teplota venkovního vzduchu klesne pod 7 °C (většinou v noci a během chladných dnů). V teplém období se rekuperace tepla nepoužívá (otevřený bypass – přiváděný vzduch obtéká výměník tepla) a při teplotě venkovního vzduchu o 16 °C vyšší než teplota země se dokonce ještě čerstvý vzduch ochlazuje (odpoledne a teplé noci). U tohoto projektu s mírným nizozemským mořským klimatem se zemní výměník tepla používal během 55 % monitorované doby.

Efekt předehřevu a předchlazení zemním výměníkem tepla je na obrázku 6a). Při venkovních teplotách nižších než 7 °C se čerstvý vzduch předehřívá zemí. Pro venkovní teploty vyšší než 16 °C se čerstvý vzduch zemí předchlazuje.

Optimálního výkonu by bylo dosaženo v případě, že se vzduch v zimě předehřeje na teplotu 5 °C (minimální teplota země) a v létě předchladí na 16 °C (maximální teplota země). U tohoto projektu byla teplota vzduchu minimálně 0 °C a maximálně 21 °C. Podrobná analýza ukázala, že výkon zemního výměníku tepla by se mohl zvýšit lepším umístěním zemního kolektoru. Kolektor by se měl do země rozložit rovnoměrněji a dodržovat minimální rozestup mezi dvěma trubkami 60 cm.

Za rekuperační jednotkou se teplota přiváděného čerstvého vzduchu zvýší, pokud se rekuperační jednotka využívá (on) (viz obr. 6b). I v případě, že jsou venkovní teploty nižší než –13 °C, má čerstvý vzduch proudící do obytných místností příjemných 17 °C. To odráží obrovský potenciál úspor energie, protože tepelná ztráta větráním se výrazně snižuje. Ve skutečnosti je po celé období zpětného získávání tepla změřena jeho průměrná účinnost 92 %.

Pokud se rekuperace tepla nevyužívá (off), zemní výměník tepla pomáhá udržet teplotu přiváděného čer­stvého vzduchu na komfortní nízké úrovni tak, aby byla přívodní teplota vždy nižší než vnitřní teplota. To znamená chlazení venkovním vzduchem po celé teplé období a nejen během chladnějších letních nocí. Chlazení venkovním vzduchem pomáhá udržovat zatížení chladicího systému domu v létě na nízké úrovni, podobným způsobem jako správný stínicí prvek.

Úspory energie

Výkon větracího systému z hlediska energie je uveden v tabulce 1. Faktor sezónní účinnosti (SPF) se vypočítá jako zisk energie dělený spotřebou energie, jak během období zpětného získávání tepla, tak i mimo ně.

Úspory energie se při rekuperaci tepla vypočítají s ohledem na vytápění, které se ušetří. Referenční situace je taková, že přiváděný čerstvý vzduch má stejnou teplotu jako venkovní vzduch. Topná energie, která se ušetří díky rekuperaci tepla, se vypočítá pomocí rozdílu mezi teplotou přiváděného vzduchu a teplotou venkovního vzduchu a skutečného průtokového množství vzduchu. Této úspory se dosáhne využitím elektrické energie ventilátorů rekuperační jednotky a oběhového čerpadla zemního výměníku tepla Comfo­Fond-L v období, ve kterém se využívá rekupe­race tepla.

S vypnutou rekuperací tepla se chlazení venkovním vzduchem domu vypočítá pomocí rozdílu mezi vnitřní teplotou a teplotou přiváděného vzduchu a skutečným průtokovým množstvím. Tohoto chlazení venkovním vzduchem se dosáhne využitím elektrické energie ventilátorů rekuperační jednotky a čerpadla zemního výměníku tepla ComfoFond-L mimo období zpětného získávání tepla.

Pro tuto monitorovanou instalaci je hodnota faktoru SPF během a mimo období zpětného získávání tepla 7 a 2, v porovnání s avizovanou hodnotou 17 a 8, dost nízká. To proto, že ventilátory a oběhové čerpadlo odebíraly více energie. První z důvodu vyšší tlakové ztráty v systému rozvodu vzduchu a druhý z důvodu nastavení vyšších otáček čerpadla, než bylo nutné.

Závěr

Kombinací rekuperační větrací jednotky s rovnotlakým větráním a zemního výměníku tepla získáme větrání, které je jak energeticky úsporné, tak i vysoce komfortní pro bydlení. V chladném období zemní výměník tepla s rekuperační jednotkou zajišťuje, že do místností je přiváděn čerstvý čistý vzduch stabilním a komfortním způsobem a současně s velmi nízkou spotřebou energie pro vyrovnání tepelné ztráty větráním. V teplém období zemní výměník tepla zajišťuje chlazení venkovním vzduchem po celé léto (nejen v chladnějších letních nocích), současně udržuje zatížení chladicího systému domu na nízké úrovni. Společně se správnými stínicími prvky v domě větrací systém se zemním výměníkem tepla zabraňuje rovněž nežádoucímu přehřívání domu.

Zdroj:

1. CREMERS B. E. 2012. Dlouhodobé monitorování zpětného získávání tepla větracího systému u obytných domů se zemním výměníkem tepla, REHVA Journal, srpen 2012, s. 41–46.