Zemní kolektor - nový prvek v systémech řízeného větrání budov
Využití tepla získaného ze země je technika dnes již běžně využívaná u tepelných čerpadel. V systémech řízeného větrání je ale možné využít jak zemního tepla k vytápění budovy v zimním období, tak i zemního chladu k ochlazování budovy v období stále častějších letních veder.
Požadavky na snižování spotřeby energie souvisejí s provozem budov a jsou stále naléhavější. V minulosti tvořily naprosto rozhodující položku těchto nákladů náklady na vytápění. Architekti a projektanti budov se proto zaměřili na zlepšování tepelných vlastností obvodových stěn, střech, dveřních a okenních otvorů. V uplynulých cca 20 letech se tak dařilo výrazně zvyšovat tepelné odpory těchto prvků, tvořících obvodový plášť budovy. Ale nerostly jen tepelné odpory. Současně se zvyšovala i těsnost těchto prvků a tím i celého obvodového pláště.
Oba trendy ve svém výsledku vedly k výraznému snižování nákladů na vytápění, ale přinesly s sebou i negativní důsledky. Utěsnění (především oken) vyvolalo jednak zhoršení hygienických parametrů vnitřního prostředí, jednak i negativní dopad na stavební konstrukci. Zde byla, a u velké části nově stavěných "zateplených" domů stále je, hlavní příčinou vad vodní pára, která kondenzuje a vznikající vlhkost jednak poškozuje stavbu a jednak je živnou půdou pro plísně a houby.
Řízené větrání moderních budov s vysokými hodnotami tepelných odporů obvodových konstrukcí (povinně předepsanými ČSN EN) se proto stává nezbytností. Běžnou součástí systému řízeného větrání je pak rekuperační výměník tepla, který zajišťuje předávání 70-85% tepla z odváděného vzduchu do přiváděného čerstvého vzduchu. Konstrukční systém výměníku je nejčastěji křížový lamelový, kde oba proudy vzduchu jsou rozděleny do úzkých kanálků mezi lamelami z tenkého plechu nebo plastu. Přes ně pak je teplo předáváno.
Dalším, zcela novým prvkem v systémech řízeného větrání je tzv. "zemní výměník" (v české odborné literatuře někdy označovaný jako zemní kolektor). Jeho princip je zdánlivě jednoduchý a i pro laika pochopitelný. Přiváděný čerstvý vzduch se vede potrubím uloženým v zemi a během průchodu vzduchu dochází k výměně tepla mezi vzduchem a zeminou kolem potrubí. V topném (zimním období) je proudící vzduch od okolní zeminy ohříván, v letních horkých dnech pak naopak ochlazován. Je tak využívána skutečnost, že teplota půdních vrstev je v hloubce kolem 2 m v zimě i v létě konstantní (+10°C).
Obr. 1
Tato zdánlivá jednoduchost ale v sobě skrývá jedno nebezpečí. Český investor (mnohdy i projektant) se problematikou zemních výměníků hlouběji nezabývá. Je to přece zcela jasné a jednoduché. Uložíme do výkopu kanalizační potrubí, někde je nějak vyvedeme a problém je vyřešený. Máme zemní výměník bez nějakého počítání a za levný peníz. Jaký je ale skutečný přínos takového zařízení? To by ukázalo jen seriozní měření. Který investor si ale takové měření nechá provést?
Chtěl bych proto upozornit na nejdůležitější zásady pro návrh zemního výměníku (EWT). Jako u každého jiného systému i u zemních výměníků je nejdůležitější právě správný návrh a použití správného materiálu. Při návrhu je nutno zajistit optimální poměr mezi tlakovou ztrátou, hodnotou prostupu tepla, rychlostí proudícího vzduchu a investičními náklady.
Při návrhu vycházíme ze zimního provozu. Základním kritériem je, aby teplota na vstupu do rekuperačního výměníku byla nad bodem mrazu (minimálně +2°C). Tím odpadá nutnost použití rozmrazovacího zařízení a konstrukce výměníku se výrazně zjednodušuje. Pro požadované zvýšení teploty přiváděného studeného vzduchu (např. z -15°C na +2°C) je rozhodující doba jeho setrvání v potrubním vedení zemního výměníku. Při návrhu celkové délky potrubí zemního výměníku je proto nutno uvažovat rychlost vzduchu pod 3 m/s nejlépe pak v rozmezí 2 - 1,5 m/s, popř. i nižší. Dalším parametrem pro návrh je pak tepelná vodivost materiálu použitého potrubí a požadované množství vzduchu vycházející z požadované intenzity výměny vzduchu v objektu. Důležitý je také výběr průměru potrubí. Obecně lze říci, že potrubí malých průměrů umožňují dobrý přestup tepla, ovšem při malých průřezech značně narůstá tlaková ztráta. Se zvyšováním průměru potrubí klesá tlaková ztráta ale současně klesá prostup tepla a tím i množství předaného tepla ze zeminy do proudícího vzduchu. Při dosažení optimálních parametrů lze podle dosavadních praktických zkušeností pomocí jednoho zemního výměníku tepla (v literatuře označovaného zkratkou EWT) zvýšit v zimě teplotu přiváděného vzduchu o 20 K a v létě snížit o 12 K.
Vedení potrubí může být podle místní situace navrženo jako přímá popř. okružní trasa kolem objektu nebo formou registru. Jsou možné i kombinace obou způsobů. Vždy je důležité, aby odstup mezi trubkami navzájem a od okraje stavby byl min. 1 m. U velkých objektů, jako jsou kancelářské budovy, sportovní haly apod., kde připadají v úvahu velké délky potrubního vedení, je v případě nedostatku místa možná bez omezení pokládka systému EWT pod základovou desku objektu. Na rozdíl od zemního kolektoru pro tepelné čerpadlo zde neexistuje nebezpečí porušení statiky objektu.
Dalším důležitým bodem, na který se při návrhu nesmí zapomenout, je odvod vzniklého kondenzátu. Jinak totiž zkondenzovaná voda "odorizuje" přiváděný větrací vzduch hnilobným zápachem a větracím systémem pak bude tento zápach rozváděn po celém objektu. Ještě horší důsledek budou mít bakterie, které v tomto prostředí najdou optimální podmínky pro svůj vývoj a budou tak dalším "obohacením" přiváděného vzduchu. Vzduch, který je v systému řízeného větrání považován za čerstvý, má pak ve skutečnosti k čerstvému hodně daleko a zvláště pro osoby citlivé na různá chronická onemocnění a alergie může být pravou pohromou. Množství vzniklého kondenzátu lze přibližně stanovit výpočtem (např. pomocí Mollierova diagramu). K jeho odvodu je pak třeba počítat u potrubního vedení se spádem cca 2% k sifonu na odvod kondenzátu, popř. ke kondenzační sběrné šachtě.
Samozřejmostí je pak zajištění vodotěsnosti i plynotěsnosti prostupu potrubí EWT obvodovou konstrukcí do objektu a filtrace vzduchu před jeho vstupem do potrubí EWT. A to nezávisle na tom, že větrací zařízení je obvykle opatřeno vlastní filtrační jednotkou. Filtrací přiváděného vzduchu na jeho vstupu do systému EWT se zabraňuje znečištění potrubí prachem a pylem. To je další prvek, který výrazně ovlivňuje kvalitu přiváděného vzduchu a souběžně pak i náklady na čištění systému.
Druhým základním aspektem pro funkčnost systému EWT je použití správného materiálu na potrubní vedení.
Těmi nejdůležitější požadavky na materiál jsou:
- antimikrobiální úprava vnitřního povrchu potrubí
- optimální přestup tepla
- velká kruhová a podélná pevnost trubek
- možnost vysokotlakého proplachování
- absolutní těsnost systému vůči vnějším jevům (prorůstání kořeny, vlhkost, spodní voda)
- těsnost systému vůči zemním plynům (radon!)
Antimikrobiální úprava vnitřního povrchu potrubí
Jde o vlastnost materiálu potrubí, která je bezpodmínečně nutná! Na rozdíl od jiných vlastností trubního materiálu, jako např. koeficient tepelné vodivosti, které lze kompenzovat jiným způsobem (avšak na úkor snahy o optimalizaci nákladů), zde nelze použít materiál bez této vlastnosti. Jak bylo již uvedeno, při letním provozu systému EWT vzniká kondenzát. Tím se v potrubí EWT vytváří optimální podmínky pro vývoj choroboplodných zárodků (stinné, vlhké prostředí s teplotou 16°C - 25°C). Výsledkem toho je nepříjemný hnilobný pach přiváděný větracím systémem a následná chronická onemocnění osob zdržujících se v objektu. To samozřejmě zcela znehodnocuje celý systém a vyvolává značné náklady na nápravu. Ta je zpravidla velmi nákladná (kompletní výměna potrubí při již upraveném povrchu pozemku s trávníkem, dekorativním jezírkem, ...), nebo vůbec nemožná v případě pokládky pod základovou desku objektu. Nejčastějším řešením je pak odpojení systému EWT. Případy z praxe, zaviněné hlavně neznalostí a kutilstvím, se kterými jsem se již setkal, výše uvedené potvrzují. Kromě toho představují takové případy velké nebezpečí vzniku fám poškozujících tento systém.
V takovém případě moje rada zní: Místo používání nevhodných materiálů, jako např. běžné kanalizační trubky, kde problém s choroboplodnými zárodky s absolutní jistotou nastane, raději systém tepelného výměníku vzduchu s využitím zemního tepla vůbec nebudovat! Bude to lepší jak pro majitele objektu, tak i pro dobré jméno systému zemního výměníku.
Optimální přestup tepla
Tepelná vodivost použitého materiálu přímo ovlivňuje náklady na vybudování systému EWT. Zjednodušeně řečeno: čím menší je tepelná vodivost materiálu potrubí, tím větší musí být délka vedení, aby byl zajištěn požadovaný stupeň výměny tepla mezi vzduchem a zeminou. Když vezmeme v potaz, že se potrubí pokládá v hloubce 1,3 m - 2,5 m, což znamená požadavek na práci v paženém výkopu, znamená každý běžný metr výkopu náklad ve výši několika tisíc Kč. Z toho vyplývá, že je výhodnější používat potrubí se zvýšenou tepelnou vodivostí.
Na vysvětlenou k současné situaci v materiálech pro kanalizační systémy na českém trhu. Používaným materiálem pro trubky a tvarovky je polypropylén s pěnovým jádrem (tzv. koextrudované trubky). Jde o takovou konstrukci stěny trubky, kdy je mezi velmi tenkou vnitřní a vnější vrstvou nosná vrstva z vypěněného materiálu (obr. 2).
 Obr. 2: Trubka s koextenzí (pěnové jádro, sendvičová konstrukce, strukturovaná stěna) |
 Obr. 3: Korugované trubky |
Taková trubka je extrémně nevhodná k uplatnění v systému ETW z důvodu velmi dobrých izolačních vlastností její stěny.
Další skupinu kanalizačních trubek tvoří tzv. plnostěnné trubky. Ty mohou být vyrobeny ze základní plastové suroviny bez příměsí nebo při výrobě doplněny minerálními plnivy (např. křídou). Z hlediska tepelné vodivosti jsou tyto materiály lepší než materiály s pěnovým jádrem, ale ani ony nejsou vhodné pro použití v zemním výměníku. Materiál s nejvyšší tepelnou vodivostí je polypropylén.
Speciálním typem trubky z hlediska konstrukce jsou tzv. korugované trubky (obr. 3). Jsou běžně používané v kanalizačních systémech. Vzhledem k izolačním vlastnostem vzdušných mezer mezi vnější a vnitřní stěnou je tato trubka zcela nevhodná pro zemní výměník.
V grafu na obr. 4 je uvedeno porovnání tepelné vodivosti jednotlivých materiálů.
Obr. 4
Velká kruhová a podélná pevnost trubek
Potrubí pro systém EWT se pokládá přesně opačným způsobem, než se má správně pokládat plastové kanalizační potrubí. Plastové potrubí se musí zpravidla velmi dobře zhutnit do lože z materiálu (písek, štěrk), aby byla zajištěna jeho stabilita. Obsypávat potrubí EWT pískem nebo štěrkem by však znamenalo snížení účinnosti výměny tepla mezi vzduchem a zeminou. Proto je v tomto případě nutno zahrnout a "zhutnit" potrubí do stávající vazné zeminy (hlína, jíl). U slova zhutnit jsem použil uvozovky, poněvadž je známo, že hutnění vazné zeminy není možné. Časem vždy dojde k dalšímu sesednutí. V případě použití potrubí s běžnou kruhovou tuhostí dojde v důsledku sil způsobených sesednutím zeminy k deformaci (zploštění) potrubí a k možnému vzniku netěsnosti v oblasti spojů. Výsledkem bude systém netěsný vůči radonu a spodní vodě. Je velmi pravděpodobné, že spodní voda potrubí zaplní.
Při použití potrubí s nedostatečnou podélnou pevností se potrubí tohoto typu při sesednutí zeminy v důsledku různé míry sesednutí zvlní a v nejnižších místech se bude hromadit kondenzát. A důsledky plynoucí ze stojícího páchnoucího kondenzátu již byly popsány výše.
Možnost vysokotlakého proplachování
Je důležité, aby systém EWT poskytoval možnost vysokotlakého proplachování - metoda, běžná v oblasti kanalizačních vedení. Zde je žádoucí odolnost na proplachovací tlaky min. 200 bar.
Absolutní těsnost systému vůči vnějším jevům (prorůstání kořeny, vlhkost, spodní voda)
Je to bezpodmínečně nutné k bezproblémovému fungování systému EWT a zajištění kvality přiváděného vzduchu.
Těsnost systému vůči pronikání radonu
Radon je přírodní bezbarvý radioaktivní plyn bez zápachu, který se nachází všude v horninách a půdách. Vzniká z přirozeného procesu rozpadu prvků uranu a thoria. Radon proniká půdou, rozpouští se ve vodě a vystupuje na povrchu země do atmosféry. Pro jeho škodlivé zdravotní vlivy je nutné a ze zákona povinné chránit stavby v místech výskytu radonu proti jeho pronikání speciálními úpravami. Se stejnou pečlivostí je proto nutné chránit i systém zemního výměníku.
Speciálně vyvinutou trubkou pro systém zemního výměníku je produkt, který nabízí firma REHAU. Ta jako jediná na evropském trhu nabízí ucelený systém tepelného výměníku vzduchu s využitím zemního tepla. Ve výrobním programu je tento produkt označen jako AWADUKT Thermo. Jde o výrobky ze speciálního, za účelem zvýšení tepelné vodivosti modifikovaného polypropylénu (PP), s antimikrobiální úpravou vnitřního povrchu proti biologickému "znečištění". Tato vnitřní úprava povrchu je trvale funkční a neopotřebovává se. Je docílena tím, že se speciálním postupem zakomponovávají do základního polymeru vnitřní vrstvy potrubí fyziologicky zcela nezávadné látky. Tyto přídavné látky se mimo jiné používají v lékařství a ve výrobcích, které přicházejí do styku s potravinami. Tato vrstva zabraňuje růstu choroboplodných zárodků na vnitřní straně potrubí. Výsledkem je hygienický, choroboplodnými zárodky téměř nezatížený čerstvý vzduch ve větracím zařízení. Antimikrobiální účinek této vnitřní vrstvy byl zkoušen a potvrzen v Institutu Fresenius, Taunusstein, SRN, za použití standardu ASTM E2 180.
AWADUKT Thermo je vyvinutý tak, aby svou konstrukcí a vlastnostmi splňoval všechny požadavky kladené na systém tepelného výměníku vzduchu s využitím zemního tepla:
- hladký vnitřní povrch potrubí s antimikrobiální úpravou
- vynikající tepelná vodivost (o cca 50% vyšší než u běžného PP neobsahujícího příměsi a plniva - viz obr. 5)
- vysoká kruhová tuhost a podélná pevnost
- možnost vysokotlakého proplachování s tlakem vody až 340 bar (!)
- absolutní těsnost vůči vnějším jevům - prorůstání kořeny, spodní vodě, zemním plynům
Obr. 5
Program AWADUKT Thermo zahrnuje všechny komponenty nutné k vybudování kompletního vedení systému EWT:
- venkovní filtrační box se systémem filtrů
- trubky AWADUKT Thermo
- kompletní sortiment tvarovek pro každou stavební situaci
- prvky pro odvod kondenzátu
- průchodka zdí zajišťující vodo- a plynotěsné zavedení potrubí do objektu
K systému AWADUKT Thermo nabízí REHAU výpočetní program ulehčující navrhování systému EWT hlavně u velkých objektů. Pro menší objekty je k dispozici také jednoduchý výpočtový diagram.
Firma REHAU nabízí prémiová řešení na bázi polymerů. Pro oblast TZB dodáváme podlahové a stěnové vytápění/chlazení – trubky a technika spojování, systémové desky, regulace, rozdělovače; rozvody studené a teplé vody - instalace pitné vody, odhlučněná ...