Energie země a její využití pro předehřev a předchlazení větracího vzduchu
Článek se zabývá představením systému zemního výměníku jako zdroje pro předehřev a předchlazení větracího vzduchu pro budovy. Úvod je věnován popisu celého systému, jeho jednotlivých částí a také parametrů, které nejvíc ovlivňují chování a výkon celého systému. V druhé části je představen jednoduchý model, kde je možno pozorovat, jak změna jednotlivých parametrů skutečně ovlivňuje množství tepla a chladu, které je z daného systému možno získat.
Model byl vytvořen pro skutečný rodinný dům, takže bylo možno použít reálné okrajové podmínky, zvláště co se klimatických dat a vlastností zeminy týká.
1 Úvod
Kvalita vnitřního mikroklimatu v budovách je jednou z nejdůležitějších věcí pro zajištění dostatečného větrání a přívodu čerstvého vzduchu. Právě předehřev a předchlazení větracího vzduchu zemním výměníkem tepla z důvodu úspory tepla a chladu bude předmětem předkládaného článku. V následujících řádcích bude stručně popsán celý systém včetně jednotlivých parametrů, které ovlivňují výkon zemního výměníku. Dále bude představen model zemního výměníku tepla u rodinného domu.
2 Popis systému
Zemní výměníky tepla jsou dnes již celkem běžnou součástí větracích systémů, zvláště pak nízkoenergetických rodinných domů. Jejich hlavním úkolem je předehřev a předchlazení větracího vzduchu předtím, než vstoupí do VZT jednotky, kde dochází k jeho další úpravě. Pod pojmem zemní výměník tepla si lze představit několik systémů. Mezi nejčastěji používané patří kapalinové a vzduchové výměníky. Rozdělují se podle toho, jaké médium je použito pro přenos energie země dále do systému. Článek je věnován zemnímu výměníku vzduchovému, a proto kapalinový výměník bude popsán pouze velmi stručně.
2.1 Kapalinové zemní výměníky (kolektory)
Kapalinové zemní výměníky jsou zvláště známé ve spojení s tepelnými čerpadly, kde tvoří vnější okruh celého systému. Navrhují se v plošném provedení, vertikálním provedení a také jako tzv. slinky.
Plošné kolektory se navrhují se z PE hadic v horizontálním meandrovém uspořádání v rozteči 0,5 až 1,0 m, uložení v hloubce 1,2 až 1,5 m. Maximální délka jednotlivých větví je z hydraulických důvodů omezena cca na 100 až 150 m. Pro přenos tepla se používají různé nemrznoucí směsi (polyetylen glykol – jedovatý, polypropylen glykol – nejedovatý atd.).
Vertikální kolektory se skládají z 2 až 4 kusů PE hadice a jsou uloženy do smyček do vrtů Ø 150 mm s hloubkou 50 až 110 m. Výkon odběru tepla lze uvažovat od 30 do 80 W/m délky kolektoru (pro suché sedimenty až zvodnělé jíly). Podmínkou realizace je však provedení hydrogeologického průzkumu.
Slinky jsou složeny z roztažených smyček z PE hadice a ukládají se do výkopu šířky 1 m, hloubky 1,2 m, v rozteči 4 až 5 m, v délkách hadice do 200 m [1].
2.2 Vzduchové zemní výměníky
![Obr. 1. Principiální schéma zemního výměníku tepla ve spojení s rekuperační větrací jednotkou pro kontrolované bytové větrání [2]](/docu/clanky/0083/008357o1.png)
Obr. 1. Principiální schéma zemního výměníku tepla ve spojení s rekuperační větrací jednotkou pro kontrolované bytové větrání [2]
Článek se bude dále věnovat pouze vzduchovým zemním výměníkům, a tak další řádky budou obsahovat jejich podrobnější popis. Následující jednoduché schéma ukazuje princip celého systému a jeho jednotlivé části.
Na obr. 1 je možno vidět, že nejdůležitější částí systému, před kterou je nasáván venkovní vzduch, je potrubí umístěné pod terénem a dále pak rozdělovací a sběrací šachty, pokud je systém složen z několika větví. Právě umístění potrubí do zeminy, kde je již v hloubce okolo 2 metrů relativně stálá teplota po celý rok, má za následek možnost využít toto teplo/chlad pro úpravu přiváděného větracího vzduchu.
2.2.1 Parametry ovlivňující chování a výkon zemního výměníku
Hlavními parametry ovlivňující teplotu výstupního vzduchu jsou vlastnosti použitého potrubí a parametry zeminy, která dané potrubí obklopuje. Dalšími významnými činiteli jsou způsob vedení potrubí a jeho délka.
2.2.1.1 Potrubí – materiál, dimenze, hloubka uložení
Materiál
Nejčastějším materiálem využívaným pro potrubí zemních výměníků je kanalizační potrubí PVC KG. Jedná se o relativně dostupný materiál a ve srovnání se specializovaným potrubím i o levnou variantu. Dalšími používanými materiály jsou polypropylenové trubky, kameninové trubky, betonové trubky, vláknocementové trubky např. výrobky značky Eternit, litinové trubky. Na českém trhu jsou dostupné ale i materiály určené speciálně pro použití v zemním výměníku tepla, a to díky parametrům vylepšeným přesně pro tuto aplikaci. Jednou hlavní společnou vlastností potrubí používaných pro zemní výměník tepla by měla vždy být nenasákavost a snadná čistitelnost, a to z důvodu častého výskytu zkondenzované vody a možné tvorby zdraví škodlivých organismů v systému. Tento požadavek však ne všechny výše zmiňované materiály splňují.
Prvním z parametrů je vodivost λ materiálu samotného. Ta má vliv na přestup tepla ze zeminy přes stěnu potrubí do procházejícího vzduchu. V zemních výměnících je proto snaha používat materiály s co nejvyšší hodnotou vodivosti λ a naopak se vyhýbat materiálům s izolačním pěnovým jádrem s nízkou vodivostí. Jelikož je však tloušťka stěny potrubí relativně tenká, tepelná vodivost materiálu nehraje zásadní roli ve výkonu zemního výměníku tepla.
Hlavním parametrem materiálu potrubí je součinitel přestupu tepla α (na straně proudícího vzduchu). Tento součinitel významně souvisí s drsností povrchu použitého potrubí. Právě díky drsnosti povrchu, v proudícím vzduchu vznikají turbulence, které usnadňují přestup tepla ze stěny potrubí do proudícího vzduchu. Zvýšená drsnost povrchu však má za následek zvýšené tlakové ztráty a tedy i provozní náklady celého systému z důvodu většího množství elektrické energie pro pokrytí zmiňovaných tlakových ztrát.
Dimenze potrubí
Co se volby vhodné dimenze týká, je nutno brát v potaz zvláště požadované množství proudícího vzduchu. Pro malé aplikace v rodinných domech se nejčastěji používá rozmezí DN50 až DN200. Průměry potrubí překračující Ø 200 mm vytvářejí jádro proudu, které se jen málo podílí na tepelné výměně (na stěně trubky). Změna průměru potrubí při stejném objemovém průtoku a délce má protichůdné efekty. Na jedné straně se zmenšením průměru zmenšuje teplosměnná plocha a doba setrvání vzduchu v zemním výměníku, na druhé straně se v důsledku vyšší rychlosti proudění zvyšuje součinitel přestupu tepla. Ve většině případů se posledně jmenovaný faktor projevuje jen zanedbatelně [2].
Hloubka uložení
Volba vhodné hloubky uložení je zásadní jak pro výkon zemního výměníku, tak pro pořizovací náklady celého systému. Snahou je umisťovat zemní výměník do takové hloubky, kde je v průběhu roku co nejstálejší teplota zeminy. Z literatury [2] vyplývá, že výkyvy teploty během zimy a léta významně klesají už od hloubky cca 2 m. Právě hloubka 2 m je nejčastější pro umisťování potrubí zemního výměníku tepla. Nejstálejší je teplota od 8 m hlouběji. Umisťování zemního výměníku tepla do takovýchto hloubek by bylo zcela neekonomické. Úspora energie získaná předehřevem a předchlazením větracího vzduchu by byla zcela smazána, možná i převýšena finančními náklady na zemní práce.
2.2.1.2 Vlastnosti zeminy
| Ovlivňující faktor zemina/klima | Přenos tepla ze zemního výměníku |
|---|---|
| Vysoká hustota zeminy | ↑ |
| Dobré zhutnění zeminy | ↑ |
| Vysoký podíl jílu/hlíny | ↑ |
| Vysoká vlhkost zeminy | ↑ |
| Povrchová voda – průsak přes zemní výměník | ↑ |
| Vysoká hladina spodní vody | ↑ |
| Vysoký přenos slunečního tepla (na podzim) do zeminy | ↑ |
| Krátká perioda období chladu (tepla) | ↑ |
Nejdůležitější složkou ovlivňující výkon zemního výměníku tepla je samotná zemina, ve které je umístěné potrubí. Jelikož druh zeminy nelze na rozdíl od ostatních parametrů zvolit, jsou vlastnosti zeminy, která je na pozemku, kde se uvažuje o vybudování zemního výměníku tepla, vhodné spíše pro ověření smysluplnosti dané realizace. Podrobněji je možno vidět jednotlivé vlastnosti zemin a jejich vliv na zemní výměník v tabulce 1.
Obecně platí, že nejvhodnější jsou zeminy soudržné, zhutněné a s vysokým obsahem jílu. Velmi příznivý vliv má i přítomnost vody, a to se týká jak vlhkosti zeminy, tak i hladiny podzemní vody. Všechny tyto výše zmíněné vlastnosti ovlivňují dvě hlavní charakteristické veličiny, popisující fyzikální vlastnosti zeminy. Těmito veličinami jsou měrná tepelná kapacita zeminy cP, která souvisí se schopností akumulace solární energie (ve vztahu k 1 kg) a tepelná vodivost λ, která vypovídá o tom, jak se teplo z okolních vrstev zeminy transportuje k trubce zemního výměníku.
2.2.1.3 Způsob vedení potrubí
Značný vliv vedle potrubí samotného a vlastností zeminy má na výkon zemního výměníku tepla i způsob uložení potrubí a způsob zapojení potrubí.
Způsob uložení potrubí
Systém by měl být realizován tak, aby v potrubí vznikaly co nejnižší tlakové ztráty, tzn. potrubí vést co nejpříměji s omezením počtu lomů, snížení rychlosti proudícího vzduchu a přiměřené zvýšení dimenze vzhledem k množství proudícího vzduchu. Nejčastěji je vedení provedeno jako jednotrubkové, popřípadě složeno z dvou polosmyček, jak je možno vidět na úvodním schématu. Výhodou systému s polosmyčkami je snížení množství vzduchu proudícího v jednotlivých větvích, tedy i snížení rychlosti vzduchu, což vede k delšímu setrvání vzduchu v zemním výměníku tepla a zvýšení množství tepla/chladu získaného ze země. Rychlost vzduchu v potrubí pro dosažení co nejlepší výstupní teploty vzduchu by se měla pohybovat po 3 m/s.
Způsob zapojení systému dle přívodu vzduchu
Dle způsobu zapojení systému a přívodu vzduchu lze zemní výměníky tepla rozdělit na otevřené a uzavřené neboli cirkulační. Princip jednotlivých variant je možno vidět na obr. 2 a obr. 3.
Otevřený systém je založen na přímém nasávání venkovního vzduchu do zemního výměníku tepla, kde dochází k jeho předehřevu a případnému předchlazení. Zemní výměník tepla ale nepracuje během celého roku. Jeho pracovní doba závisí na průběhu teplot v exteriéru. Zemní výměník tepla je v činnosti ve většině případů tehdy, pokud je teplota v zimě nižší než 2 °C a v létě vyšší než 20 °C. V ostatních případech je nasáván vzduch přes mřížku na fasádě přímo do VZT jednotky. V intervalu 2 °C–20 °C není použití zemního výměníku tepla výhodné z důvodu nízkého, někdy i zcela opačného (nežádoucího) přenosu tepla/chladu mezi proudícím vzduchem a zeminou.
![Obr. 2. Otevřený systém zemního výměníku tepla ve spojení s VZT jednotkou [6]](/docu/clanky/0083/008357o2.png)
Obr. 2. Otevřený systém zemního výměníku tepla ve spojení s VZT jednotkou [6]
Zobrazený cirkulační systém zemního výměníku tepla na obr. 3 je zvláště výhodný pro předchlazení větracího vzduchu v letních měsících. Je založen na cirkulaci vzduchu z budovy v systému zemního výměníku tepla, kde je odváděný vzduch předchlazen a veden s možným přisávaným venkovním vzduchem zpět do VZT jednotky. Jednou ze zásadních výhod tohoto systému je omezení případné kondenzace vzdušné vlhkosti v systému zemního výměníku tepla, která je závažným problémem u otevřených systémů v letních měsících.
![Obr. 3. Cirkulační systém zemního výměníku tepla ve spojení s VZT jednotkou [6]](/docu/clanky/0083/008357o3.png)
Obr. 3. Cirkulační systém zemního výměníku tepla ve spojení s VZT jednotkou [6]
3 Model zemního výměníku pro rodinný dům
Pro ověření výše zmiňovaných parametrů byl vytvořen model zemního výměníku pro rodinný dům. V předchozím textu byly představeny nejdůležitější parametry, které mohou zásadně ovlivnit výkon systému a hodnotu výstupní teploty. Celá případová studie je založena na postupných změnách jednotlivých parametrů a zkoumání, jak se výkon celého systému mění v závislosti na těchto změnách. Výpočty získaného tepla a chladu byly provedeny v programu PH Luft10. Hlavní otázkou, na kterou byla hledána odpověď, byla: Jak ovlivní délka potrubí, dimenze a hloubka uložení množství tepla a chladu získaného ze systému?
3.1 Okrajové podmínky
Výpočty byly prováděny pro rodinný dům umístěný v lokalitě Liberecka. Jelikož program PH Luft poskytuje pouze klimatická data pro Německo, byla vybrána taková klimatická data, která přibližně odpovídají dané lokalitě v ČR. Způsob uložení potrubí je uvažován jako jednotrubkový pro variantu 1 × 50 m a poté polosmyčkový pro varianty 2 × 50 m a 3 × 50 m s rozdělovací a sběračovou šachtou. Ve výpočtovém programu byly nastaveny tyto okrajové podmínky:
- uvažovaná doba provozu zemního výměníku tepla 1. leden až 31. prosinec
- zemina – vlhká hlinitojílovitá (hustota – 1800 kg/m3, tepelná kapacita – 1,34 kJ/kg.K, tepelná vodivost 1,49 W/m.K)
- klimatická data – dle programu PH Luft
- HVAC – množství větracího vzduchu – 120 m3/h
3.2 Zkoumané parametry
Jak již bylo řečeno, cílem je pozorovat vliv parametrů na množství získaného tepla/chladu. Zkoumanými parametry budou délka potrubí, dimenze potrubí a hloubka uložení. Významný vliv na chování zemního výměníku tepla má i druh zeminy. Druh zeminy je však pro reálné aplikace daný, a tak i zde bude pevně zadán.
Proměnné parametry:
- dimenze potrubí – DN50, DN100, DN150, DN200
– v následující tabulce je možno vidět vliv změny dimenze na rychlost proudění vzduchu v potrubí v m/s
Tab. 2. Hodnoty rychlostí proudícího vzduchu v závislosti na dimenzi a počtu větví v m/s Dimenze potrubí Délka a počet větví 1 × 50 m 2 × 50 m 3 × 50 m Dn50 16,99 8,49 5,66 Dn100 4,25 2,12 1,42 Dn150 1,89 0,94 0,63 Dn200 1,06 0,53 0,35 - hloubka uložení – 1,0 m; 1,5 m; 2,0 m; 2,5 m a 3,0 m
– nejčastější hloubka uložení pro zemní výměník tepla je 2 m, u modelu bylo cílem zjistit, jaký je rozdíl ve výkonu zemního výměníku tepla pro různé hloubky uložení - proměnná délka potrubí – 1 × 50 m, 2 × 50 m, 3 × 50 m
- délka potrubí byla dána možnostmi pozemku, na kterém je daný objekt umístěn
- dostatečné prostorové dispozice pozemku umožnily rozdělení zemního výměníku tepla do několika větví s vzdáleností 1 m mezi jednotlivými větvemi
3.3 Výsledky simulace
Graf 1. Množství tepla získaného ze systému zemního výměníku tepla v kWh/rok pro jednotlivé parametry
Graf 2. Množství tepla odevzdaného systémem zemního výměníku tepla v kWh/rok pro jednotlivé parametry
Při zadání všech okrajových podmínek a proměnných parametrů do výpočtového programu, poskytuje program hodnoty o množství tepla získaného a odevzdaného pro předehřev a předchlazení větracího vzduchu. Následující grafy 1 a 2 ukazují celkové porovnání výsledků přijatého a odevzdaného tepla pro jednotlivé kombinace parametrů, a to v kWh za rok.
Na obou grafech je možno vidět hodnoty množství tepla a chladu pro jednotlivé parametry. Z průběhu jednotlivých křivek je patrné, že množství získané energie nejvíce závisí na hloubce uložení a celkové délce potrubí zemního výměníku tepla. Změna hloubky uložení má za následek přibližně stejný procentuální nárůst množství získaného/odevzdaného tepla pro jednotlivé dimenze. Zvyšování celkové délky potrubí významně ovlivňuje množství získaného/odevzdaného tepla pouze u délek 1 × 50 m a 2 × 50 m pro jednotlivé hloubky uložení a dimenze. Další zvyšování, tedy kombinace 3 × 50 m nemá za následek zásadní zvýšení množství tepla pro jednotlivé hloubky a dimenze. Vliv změny dimenze potrubí je dle grafu pouze malý a jeho význam v závislosti na celkové délce potrubí ještě dále klesá. Pro podrobnější analýzu vlivu jednotlivých parametrů, zvláště pak dimenze, budou blíže představeny výsledky pro jednotlivé celkové délky potrubí.
Grafy 3a až 3c zobrazují výkony zemního výměníku pro jednotlivé počty větví, co se získaného tepla týká. Je zde ještě více patrný malý vliv zvětšující se dimenze. U případů 1 × 50 m a 2 × 50 m dochází dokonce pro jednotlivé hloubky uložení u dimenzí DN150 a DN200 k poklesu množství tepla získaného ze systému. Tento fakt lze přičítat pravděpodobnému vzniku jádra proudu, který se jen málo podílí na přenosu tepla ze stěny potrubí a tedy i zeminy, a to díky vyšší rychlosti proudění vzduchu. Zvláště patrný nízký vliv změny dimenze je patrný pro případ 3 × 50 m, kdy pro jednotlivé hloubky uložení je výkon zemního výměníku tepla přibližně stejný pro všechny dimenze. Toto vyrovnání výkonů oproti předešlým případům 1 × 50 m a 2 × 50 m lze přičítat velmi nízké rychlosti proudění pro větší dimenze, jak je možno vidět v tabulce 2. Právě snížená rychlost má za následek delší „pobyt“ vzduchu, takže i jádro proudu se může zapojit do přenosu tepla.
a
b
c
Graf 3a, 3b, 3c Množství získaného tepla v kWh za rok pro jednotlivé délky potrubí a dimenze
a
b
c
Graf 4a, 4b, 4c Množství odevzdaného tepla v kWh za rok pro jednotlivé délky potrubí a dimenze
Grafy 4a až 4c opět zobrazují výkon zemního výměníku tepla pro jednotlivé počty větví tentokrát pro množství odevzdaného tepla. Obecně, pokud srovnáme výkony pro jednotlivé parametry co se množství odevzdaného a získaného tepla týká, můžeme vidět, že ohřev vzduchu v systému je přibližně o 30 % vyšší než ochlazení. Dále je patrná podobná tendence, co do vlivu zvyšující se dimenze na výkon systému, jako je možno pozorovat na grafech 3a až 3c. Stejný je také vliv zvyšující se celkové délky potrubí na chladicí výkon systému.
4 Závěr
V úvodní části byly obecně zmiňovány některé parametry systémů zemního výměníku tepla a jejich předpokládaný vliv na výkon systému. Právě pro ověření těchto předpokladů byl vypracován předešlý model a byly provedeny výpočty, které v podstatě potvrzují obecné předpoklady. Z celého textu tedy vyplývá, že je velmi důležitá volba jednotlivých parametrů. Z jednotlivých grafů bylo patrné, že ne pro všechny důležité parametry platí, že jejich postupným zvyšování lze docílit znatelného zvýšení výkonu systému jak pro předehřev, tak pro předchlazení větracího vzduchu. Je proto třeba zvážit, zda zvýšené pořizovací náklady, zvláště pak u zemních prací a potrubí větších dimenzí, budou dostatečně vyváženy úsporami v podobě zvýšeného množství získaného/odevzdaného tepla.
Příspěvek vznikl v rámci projektu IGS ČVUT SGS10/234/OHK1/3T/11.
Literatura
- [1] Projekční podklady, zemní výměník, ATREA [online].
- [2] Paul, E.: Využití zemních výměníků tepla ve spojení se zařízením pro bytové větrání a rekuperaci tepla
- [3] Kopecký, P.: Chlazení a předehřev vzduchu v zemním výměníku. Sborník konf. „Simulace budov a techniky prostředí 2004“. Praha: IBPSA-CZ, 2004
- [4] PH-Luft, Uživatelský manuál.
- [5] Jílková, K.– Papež, K.: Influence of earth-to-air heat exchanger on energy demand in buildings, Sborník konf. Indoor Climate of Buildings 2010. Bratislava: Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia ZSVTS. 2010. ISBN 978-80-89216-37-6
- [6] Projekční podklady, zemní výměník, ATREA [online].
The article deals with the introduction of underground heat exchanger for preheating and precooling air for buildings. The introduction is devoted to the description of the system and its individual components and parameters that influence the behavior and performance of the system most. The second part presents a simple model, where you can see how each change affects the actual parameters of heat and cold, which can be gotten from the system.