Úspora tepla dosažená rekuperačním výměníkem v reálném provozu
Článek ukazuje výsledky laboratorního testování výměníku a jeho nasazení v reálném provozu v domácnosti. Přestože účinnost sprchového výměníku může dosahovat i přes 40 %, úspora energie na přípravu teplé vody se pohybuje mezi 10 až 15 %.
Úvod
Obr. 1 Schéma lokální rekuperace tepla z odpadní vody
Lokální systémy zpětného získávání tepla, jako jsou sprchové rekuperační výměníky, využívají odpadní vodu aktuálně odtékající ze sprchového koutu při sprchování a teplo z ní přenáší přes teplo-směnnou plochu do vody studené, která ve stejném okamžiku přitéká do vodovodní baterie. Protože se ve výměníku studená voda ohřeje na vyšší teplotu, pro dosažení požadované teploty smísené vody pro sprchování je potom zapotřebí menšího přítoku teplé vody ze zdroje do vodovodní baterie pro smísení s vodou studenou (předehřátou). To funguje automaticky za předpokladu osazení termostatickou vodovodní baterií s nastavitelnou teplotou, kterou zajišťuje vestavěný termostatický člen. Rekuperační výměníky tedy spoří odběr teplé vody ze zdroje (zásobník, kotel, výměníková stanice, rozvod teplé vody).
Pro zhodnocení úspory tepla nasazením sprchového rekuperačního výměníku je nutné znát nejen jeho účinnost pro dané podmínky nasazení, ale také další podmínky v reálné instalaci.
V předchozím článku [1] bylo uvedeno, že je zásadní rozdíl mezi účinností rekuperačního výměníku a úsporou tepla jeho nasazením. Účinnost rekuperačního výměníku, tzn. účinnosti sdílení tepla, lze stanovit experimentálně v laboratorních podmínkách za ustálených podmínek měření a poměrnou úsporu ΘZZT lze potom dopočítat podle podmínek nasazení výměníku (vliv ztrát ve sprše, vliv teploty teplé vody natékající do termostatické baterie, apod.) podle vztahu
(1)
kde je
- Q0
- potřeba tepla na dodávku teplé vody bez rekuperačního výměníku [kWh];
- QZZT
- potřeba tepla na dodávku teplé vody při nasazení rekuperačního výměníku [kWh];
- η
- účinnost rekuperačního výměníku [–];
- tTV
- teplota teplé vody natékající do termostatické baterie ze zdroje teplé vody [°C];
- tSV
- teplota studené vody natékající do termostatické baterie z vodovodního řadu [°C];
- tMV
- teplota mísené vody vytékající z termostatické baterie [°C];
- Δt
- vychlazení vody ve sprše, rozdíl mezi teplotou mísené vody tMV a teplotou odtékající do kanalizace (výměníku) tOV [K].
Příspěvek ukazuje nejprve laboratorní testování konkrétního výměníku a stanovení jeho účinnosti v závislosti na teplotních podmínkách a průtocích. Dále pro stejný výměník je ukázáno vyhodnocení úspory tepla v reálném provozu domácnosti při různých podmínkách délky sprchování a teploty teplé vody.
Laboratorní měření účinnosti výměníku
Pro experimentální zkoušení rekuperačních výměníků pro odpadní vodu byla v laboratoři Ústavu techniky prostředí, Fakulty strojní, ČVUT v Praze sestavena měřicí trať dle schématu na obr. 2. Trať je osazena ultrazvukovými průtokoměry (Qheat 5 od Qundis) a teplotními čidly do potrubí (PT100 od ZPA). V rámci smluvního výzkumu byl zkoušen konstrukčně jednoduchý a cenově levný výměník určený pro místní rekuperaci tepla podle zapojení na obr. 1. Účinnost výměníku byla vyhodnocována pro celou řadu okrajových podmínek, jednak pro různé průtoky odpadní vody VOV od 4 do 17 l/min s krokem 0,5 l/min a pro různé teploty odpadní vody tOV = 30 až 42 °C s krokem 2 K. Po nastavení požadovaného průtoku odpadní vody a ustálení teploty odpadní vody byly odečítány hodnoty jednotlivých teplot v intervalu 10 s. Průtoky studené, teplé a odpadní vody byly odečítány v intervalu 1 minuty. Jeden měřicí cyklus trval 10 minut.
Obr. 2 Schéma zapojení měřicí trati a vlastní trať
Obr. 3 Grafická závislost účinnosti výměníku na teplotě odpadní vody tOV a průtoku odpadní vody VOV
Na obr. 3 jsou uvedeny výsledky laboratorního zkoušení rekuperačního výměníku. Z grafu lze poté odečíst účinnost výměníku pro konkrétní podmínky provozu. Například pro vyhodnocení k certifikaci podle je Passive House Institutu je možné z grafu odečíst účinnost výměníku η = 35,3 % pro průtok odpadní vody 8 l/min a teplotu odpadní vody 40 °C (viz obr. 3). To řadí tento výrobek do klasifikační třídy phC – certifikovatelný výrobek.
Experiment však především ukázal, že s klesajícím průtokem sprchovou hlavicí (tj. průtoku vody v odpadním potrubí) účinnost výměníku roste. To je dáno tím, že při nižším průtoku VOV v zapojení podle obr. 2 zároveň výrazně klesá průtok studené vody VSV v rekuperačním výměníku a roste teplota předehřáté vody tPV.
Měření na reálné instalaci v domácnosti
Obr. 4 Schéma zapojení měřicí trati ve sprchovém koutu v domácnosti
Pro zjištění chování rekuperačního výměníku za reálných provozních podmínek byla v konkrétní domácnosti sestavena měřicí trať. Rekuperační výměník je zde využíván cca 1 rok pro sprchový kout, který se nachází v přízemí rodinného domu, zatímco samotný výměník je umístěn o patro níže pod stropem v suterénu přímo pod sprchovým koutem a je tak přístupný pro instalaci čidel. Pro měření byly instalovány dva indukční průtokoměry (Sitrans MAG, Siemens) a celkem 8 teplotních čidel do potrubí (PT100, ZPA) podle schématu na obr. 4. Sprchový kout má hmotnou keramickou vaničku.
Pro porovnání dosažitelné úspory byly zvoleny dva sprchovací cykly: krátký o délce trvání 4 min a dlouhý o délce trvání 10 min. Dále byly zvoleny dvě teploty teplé vody přitékající do termostatické baterie ze zdroje tepla: přibližně 45 °C a 55 °C. Pro sprchování byla nastavena na termostatické baterii teplota mezi 37 a 38 °C. Průtok sprchovací hlavicí byl ve všech sekvencích mezi 5,5 a 5,8 l/min.
Obr. 5 Výměník tepla pod stropem suterénu
Obr. 6 Zapojení měření ve sprchovém koutu (termostatická baterie, průtokoměry a teplotní čidla)
Obr. 7 Naměřené údaje v sekvenci krátkého sprchovacího cyklu (55 °C)
Obr. 8 Naměřené údaje v sekvenci dlouhého sprchovacího cyklu (56 °C)
| délka sprchovacího cyklu [min] | 4 | 10 | 4 | 10 |
| teplota teplé vody tTV [°C] | 45.0 | 45.6 | 55.0 | 55.7 |
| průtok studené vody VSV [l/min] | 1.8 | 2.0 | 2.9 | 3.0 |
| teplota studené vody tSV [°C] | 17.6 | 17.3 | 14.6 | 12.9 |
| teplota předehřáté vody tPV [°C] | 23.8 | 24.6 | 20.4 | 19.6 |
| průtok odpadní vody VOV [l/min] | 5.7 | 5.6 | 5.5 | 5.8 |
| teplota odpadní vody tOV [°C] | 31.2 | 32.6 | 31.4 | 31.3 |
| účinnost výměníku η [–] | 0.456 | 0.477 | 0.345 | 0.364 |
| teplota mísené vody tMV [°C] | 37.7 | 37.9 | 36.7 | 36.6 |
| vychlazení vody ve sprše Δt [K] | 6.6 | 5.3 | 5.3 | 5.2 |
| vypočtená poměrná úspora ΘZZT,teor | 0.105 | 0.130 | 0.139 | 0.151 |
| potřeba tepla bez výměníku Q0 [Wh] | 503 | 1870 | 581 | 1548 |
| úspora tepla výměníkem ΔQ [Wh] | 52 | 242 | 75 | 232 |
| poměrná úspora z měření ΘZZT,měř | 0.103 | 0.129 | 0.129 | 0.150 |
Na obr. 7 a 8 jsou uvedeny sledované sprchovací cykly, ze kterých lze odvodit některé dílčí poznatky. Z rozdílu mezi průběhem průtoku teplé vody a předehřáté vody do baterie je patrné určité dopravní zpoždění reakce výměníku jednak vlivem dopravního zpoždění přívodu teplé vody a také tepelné setrvačnosti cesty vanička–odpadní potrubí–výměník. Je patrný relativně vysoký rozdíl mezi teplotou mísené vody ze sprchové hlavice a teplotou odpadní vody odcházející z vaničky mezi 5 a 7 K. Teplota ve sprchovém koutu se u sledovaných sekvencí pohybuje zpočátku okolo 20 °C, během sprchování roste až na 25 °C. Teplota studené vody se pohybuje 12 až 18 °C, což je dáno také dopravním zpožděním a teplotními poměry ve vodovodním řadu. Teplota v okolí výměníku v suterénu se pohybovala mezi 17 a 20 °C.
V tab. 1 jsou uvedeny výsledky energetické bilance sledovaných sekvencí sprchovacích cyklů. Pro podmínky experimentálního měření na instalaci v domácnosti byla nejprve stanovena z průměrných naměřených údajů za sprchovací cyklus (viz tab. 1) odpovídají účinnost výměníku η. Z ní byla výpočtem podle vztahu (1) stanovena poměrná úspora tepla ΘZZT,teor.
Pro každý sprchovací cyklus byla dále stanovena úspora tepla ΔQ jako energie předaná rekuperačním výměníkem natékající studené vodě. Referenční potřeba energie Q0 bez rekuperačního výměníku byla zpětně stanovena z průtoku, který by byl dodán do směšovací baterie v případě, že by výměník nebyl instalován (natékala by studená voda namísto předehřáté). Poměrná úspora z měření ΘZZT,měř byla stanovena jako poměr obou energií. Hodnoty poměrné úspory vypočtené z účinnosti a poměrné úspory stanovené z vyhodnocení energetické bilance jsou porovnány v tab. 1. Hodnoty se výrazně neliší.
Podle předpokladu je nejnižší poměrná úspora dosažena pro krátký sprchovací cyklus zatížený velkou změnou teplot během periody sprchování a nejvyšší úspora pro dlouho sprchu s ustáleným provozem. Také je zřejmé, že v případech s vysokou teplotou teplé vody přicházející do baterie je úspora vyšší, což odpovídá zcela vztahu (1) [1, 2].
Závěr
Z výsledků laboratorního měření je patrné, že účinnost rekuperačního výměníku je závislá na řadě okrajových podmínek (teploty, průtoky), které nemusí odpovídat reálnému provozu. Například v případě hodnocení pro certifikaci výrobků podle Passive House Institutu se účinnost pohybuje okolo 35 % pro dané podmínky, nicméně v provozních podmínkách dané domácnosti dosahoval výměník i účinností daleko vyšších.
Na druhé straně byl teoreticky i experimentálně prokázán velký rozdíl mezi vlastní účinností výměníku a dosaženou poměrnou úsporou tepla jeho nasazením. Ve sprše dochází k odparu a snížení využitelné teploty odtékající vody a dále k ohřevu celé cesty odpadní vody (vanička, odpadní potrubí, objem rekuperačního výměníku), což jsou ztráty tepla nevyužité k ohřevu přívodní studené vody. Navíc je úspora významně závislá na teplotě teplé vody přitékající ze zdroje do sprchové baterie. V případě nátoku teplé vody o teplotě nižší než 45 °C může dokonce poměrná úspora tepla klesnout až na hodnoty v řádu jednotek procent.
Pro běžné použití v domácnostech či v hotelových zařízeních tak nevykazuje lokální rekuperační výměník významnou úsporu. Daleko vyšší potenciál mohou mít lokální rekuperační výměníky v aplikacích s častým odběrem teplé vody na jedno sprchovací zařízení a zároveň s požadavkem na vysokou teplotu připravované teplé vody (požadavek na ochranu proti legionele, legislativní nebo smluvní požadavek na teplotní úroveň přiváděné teplé vody). Takovými aplikacemi jsou např. veřejná sportoviště, lázně, koupaliště, apod.
Poděkování
Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605.
Odkazy
- Matuška, T., Vavřička, T.: Účinnost rekuperačního výměníku odpadní vody není rovna úspoře tepla. Portál TZB-info, 2016, http://voda.tzb-info.cz/uspory-voda-kanalizace/14105-ucinnost-rekuperacniho-vymeniku-odpadni-vody-neni-rovna-uspore-tepla
- Vavřička, R., Matuška, T.: Zpětné získávání tepla v oblasti přípravy teplé vody. Vytápění, větrání, instalace, 2016, č. 3, str. 114–199, Společnost pro techniku prostředí
Paper shows the results of laboratory testing of heat exchanger and its application in real operation in household. Although the efficiency of shower heat exchanger reaches even above 40 %, achieved energy savings for hot water preparation range between 10 and 15 %.