Minimální účinnost ZZT při větrání s ohledem na bilanci energií a ekonomickou návratnost
Ilustrační obrázek, zdroj: Zehnder Group
Minimální potřebnou účinnost k efektivnímu využití výměníku v rovnotlakém větracím systému rodinného domu určuje poměr energie na provoz ventilátorů a předehřev ku zpětně získané energii, rovnováha z pohledu cen energie a primární energie a ekonomická návratnost.
Úvod
Příspěvek předkládá výsledky studie, jejímž cílem je poukázat na důležité faktory, které ovlivní volbu větrací jednotky se zpětným získáváním tepla při rovnotlakém větrání rodinného domu v podmínkách České republiky. Na obecném zadání jsou diskutovány vlivy určující minimální účinnost výměníku zpětného získávání tepla pro klimatické podmínky ČR. Mezi nimi je zohledněna tlaková ztráta výměníku ZZT, spotřeba energie ventilátory, spotřeba energie předehřevem vzduchu jakožto protimrazové ochrany, aj. Minimální účinnost je stanovena prostřednictvím bilance energií s ohledem na aktuální ceny a primární energii. Z těchto výsledků je dále diskutován vliv účinnosti na návratnost investice do systému.
Základní požadavek minimální účinnosti zařízení pro zpětné získávání tepla v aplikaci pro bytové větrání je dán směrnicí o ekodesignu 2009/125/EU [1] aplikovanou na větrací jednotky v nařízeních komise 1253/2014 [2] a 1254/2014 [3]. Klíčovým určujícím kritériem je primární energie pro provoz větracích zařízení. Ovšem provoz větracích zařízení při větrání staveb pro bydlení je ovlivněn mnoha dalšími parametry, především ekonomickými.
Tyto souvislosti zohlednili Laverge a Janssens [4] ve studii srovnávající nucené rovnotlaké větrání se zpětným získáváním tepla proti nucenému podtlakovému větrání v podmínkách většiny evropských zemí. Hledali jaká má být minimální účinnost výměníku ZZT v závislosti na jeho tlakové ztrátě. Zjistili, že z pohledu primární energie je pro severské země dostatečná minimální účinnost 20 %, což je umocněné využitím obnovitelných zdrojů v energetickém mixu. Avšak s postupem k jihu požadavek na minimální účinnost roste. V podmínkách středoevropského klimatu se pohybuje mezi 40 až 60 % a v jižních státech by se teoreticky měla blížit 100 %.
V obráceném pohledu Anjomshoaa a Salmanzadeh [5] provedli detailní celoroční analýzu pro íránské město Kerman v níž hledali nejvyšší přípustné tlakové ztráty výměníků pro sdílení citelného i celkového tepla. Při uvažované celkové účinnosti výměníku ZZT 50 %, ventilátoru 54 %, otopné soustavy 80 % dospěli k závěru, že ekonomické hledisko při pětileté době návratnosti připouští výrazně nižší mezní tlakové ztráty výměníku, než bilance primárních energií.
V uvedeném kontextu si tento článek klade za cíl určit minimální účinnost sdílení citelného tepla pro rovnotlaký větrací systém rodinného domu v klimatických podmínkách České republiky s ohledem na:
- stav rovnosti energie pro provoz ventilátorů a předehřevu s energií zpětně získanou;
- rovnováhu z pohledu cen energie a primární energie;
- změnu ekonomické návratnosti celého systému.
Teorie
K nalezení odpovědí byla provedena celoroční simulace s hodinovým krokem výpočtu počítačového modelu v programu Trnsys [6] pro příklad nuceného rovnotlakého větrání s ZZT v rodinném domě v okolí Prahy [7].
Návrhový průtok přiváděného i odváděného vzduchu byl stanoven 225 m3/h. Předepsaným profilem kopíruje typické využití RD v týdnu a víkendu s řízením průtoku vzduchu. Průměrná teplota vzduchu ve větraných místnostech byla stanovena 21 °C.
Větrací jednotka je uvažována s výměníkem ZZT sdílejícím pouze citelné teplo, dvojicí vysoce účinných ventilátorů a elektrického předehřevu jako protimrazové ochrany.
| Zařízení | Popis |
|---|---|
| Výměník ZZT | Sdílí pouze citelné teplo, ve výpočtu uvažována účinnost 20 až 99 %. Závislost tlakové ztráty na účinnosti: ∆pzzt = 550 ηc − 125 [5] |
| Elektrický předehřev | Start když teplota odváděného vzduchu za výměníkem < 0 °C, nastavená teplota ohřevu čerstvého vzduchu 3 °C. |
| Ventilátory | Konstantní účinnost 62 %, příkon závislý na průtoku a tlakové ztrátě (max. 70 W/ventilátor při ∆p = 570 Pa). |
| Dohřev vzduchu | Vypočten jako zbývající část tepelné ztráty větráním |
| Filtry vzduchu a potrubní síť | Zadány konstantní tlakovou ztrátou 100 + 50 Pa |
Zvolení energonositelé jsou elektrická energie a zemní plyn (Tab. 2). Pro zajištění dodávky tepla do RD jsou uvažovány dvě varianty systémů. Elektrické přímotopné (systém 1) s jediným energonositelem pro všechnu potřebu energie a teplovodní vytápění s plynovým kotlem (systém 2). V případě systému 2 spalování zemního plynu kryje tepelnou ztrátu větráním, avšak předehřev i pohon ventilátorů zůstává elektrický.
| Energonositel | Účinnost přeměny [–] | Jednotková cena [Kč/kWh vč. DPH] | Faktor přepočtu primární energie [–] |
|---|---|---|---|
| Elektrická energie (při jiném zdroji tepla, D02d 3×25 A) | 0,98 | 4,62 | 3,2 |
| Elektrická energie (při elektrickém přímotopném vytápění, D45d, 3×32 A) | 0,98 | 2,73 | 3,2 |
| Teplo spalováním plynu (kondenzační kotel) | 0,95 | 1,15 | 1,1 |
Referenčním systémem pro posouzení návratnosti vložené investice do rovnotlakého větrání bylo navržené podtlakové větrání s odvodními ventilátory v koupelně a WC a větracími mřížkami v obytných místnostech se stejným denním provozem. Investiční náklady byly stanoveny pro rovnotlaké větrání jednotné bez ohledu na uvažovanou účinnost 99 700 Kč vč. DPH (15 %) a pro podtlakové větrání 33 300 Kč vč. DPH.
Výsledky a jejich diskuse
Výsledky celoroční simulace bilancí energie ve větracím systému v závislosti na zvolené účinnosti ZZT uvádí Tab. 3. Podle předpokladu s rostoucí účinností téměř lineárně roste množství energie zpětně získané a klesá množství energie nezbytné pro dosažení cílové teploty vzduchu dohřevem.
Pro nízké účinnosti do 60 % nedochází v odváděném vzduchu ke vzniku rizika namrzání kondenzátu, a tudíž je množství energie pro předehřev nulové. Teprve při vyšších účinnostech je odváděný vzduch vychlazován na teplotu 0 °C a nižší a spotřeba předehřevu roste.
S rostoucí účinností vykoupenou vyšší tlakovou ztrátou výměníku ZZT (interval od 20 Pa při ηc = 20 % po 420 Pa při ηc = 99 %) znatelně roste i spotřeba energie ventilátory. Je však zřejmé, že při použití vysoce účinných ventilátorů a řízení průtoku vzduchu je spotřeba elektrické energie nižší než 5 % energie zpětně získané.
| Roční suma | Jedn. | účinnost ZZT | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 99 | ||
| Energie zpětné získané výměníkem | kWh | 955,0 | 1 432,4 | 1 909,9 | 2 387,4 | 2 864,9 | 3 315,7 | 3 749,9 | 4 153,6 | 4 506,2 |
| Energie pro dohřev vzduchu | kWh | 3 816,6 | 3 340,3 | 2 863,9 | 2 387,5 | 1 911,2 | 1 423,6 | 941,6 | 467,4 | 53,1 |
| Energie pro předehřev vzduchu | kWh | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 38,1 | 87,4 | 159,7 | 223,1 |
| Energie pohonu ventilátorů | kWh | 44,1 | 62,0 | 80,0 | 97,9 | 115,9 | 133,8 | 151,8 | 169,7 | 185,9 |
Podtlakové větrání působí tepelnou ztrátu větráním 4 771,6 kWh. Energie pro pohon ventilátorů je pro zjednodušení uvažována shodná s variantou nejnižší účinnosti, tj. 44,1 kWh.
Z výsledků je zřejmé, že množství energie zpětně získané výměníkem ZZT je vždy vyšší než energie potřebná pro pohon ventilátorů a předehřev vzduchu.
Při přepočtu jednotlivých složek bilance energie z Tab. 3 podle cen a faktorů primární energie uvedených v Tab. 2 pro oba uvažované systémy, lze určit minimální účinnost výměníku ZZT, při které dochází k vyrovnání provozní energie (ventilátory a předehřev) s úsporou z ekonomického hlediska a hlediska primární energie.
| Systém | Kritérium | Minimální účinnost ZZT |
|---|---|---|
| Elektrické přímotopné vytápění | Cena energie | 52 |
| Primární energie | 52 | |
| Vytápění s kotlem na zemní plyn | Cena energie | 57 |
| Primární energie | 55 |
Výsledné minimální účinnosti pro uvedené varianty se nachází v úzkém rozpětí 50 až 60 % a shodují se s výsledky studie [4]. Aby provozní úspora energie pokryla provozní náklady na energii, musí být pro elektrické vytápění min. 52 %, zatímco pro teplovodní vytápění se zdrojem tepla na zemní plyn 57 %. Ačkoliv jsou cenové položky u elektrického vytápění významně vyšší (Obr. 1) je minimální účinnost o pět procentních bodů nižší. Rozdíl je dán tím, že u druhého systému je v nákladové části i významně dražší elektrická energie. Pokud by její podíl v bilanci rostl, narůstala by i hodnota minimální účinnosti.
Obr. 1 Průběhy provozních spotřeb a úspor energie v závislosti na účinnosti ZZT (systém 1 elektrické vytápění, systém 2 teplovodní s plynovým kotlem)
Z pohledu primární energie jsou výsledky velmi podobné. U elektrického vytápění je přepočet na primární energii shodný na straně spotřeby i úspory, proto je hodnota minimální účinnosti stejná jako v předchozím případě. Pro teplovodní vytápění je rozdíl daný jen jiným vztahem cen energií a faktorů primární energie.
Současné požadavky ekodesignu na základě kritéria primární energie stanovují významně vyšší parametry. Pravděpodobnou příčinou je nadsazená spotřeba elektrických zařízení (ventilátory, předehřev, aj.). Skutečné technické parametry dnešních větracích jednotek pro bytové aplikace výrazně převyšují vypočtené minimální účinnosti a slibují tudíž výhodnou ekonomickou návratnost.
Průběh návratnosti vložené investice do rovnotlakého větrání proti podtlakovému větrání v závislosti na účinnosti ZZT zobrazuje pro oba systémy graf na Obr. 2. Výpočet zahrnuje výše uvedené investice a kumulované provozní náklady v letech, nezahrnuje diskontní sazbu a změny cen energií.
Obr. 2 Průběh závislosti doby návratnosti na účinnosti výměníku ZZT (systém 1 elektrické vytápění, systém 2 teplovodní s plynovým kotlem)
Počet let, kdy se navrátí počáteční zvýšená investice, podle předpokladů s rostoucí účinností klesá. V absolutních číslech jsou hodnoty pro elektrické vytápění výrazně nižší než vytápění se zdrojem tepla na plyn. To je dáno vyšší cenou elektrické energie.
Překvapivá však je nízká rychlost poklesu doby návratnosti. Pro systém 1 s elektrickým přímotopným vytápěním dosahuje pokles doby návratnosti v intervalu účinnosti 60 až 99 % průměrně 0,8 roku na každé zvýšení účinnosti o 10 procentních bodů. V případě systému 2 s plynovým kotlem je pokles mírně vyšší a to 0,9 let na každých 10 procentních bodů.
Závěr
Článek popisuje vlivy, které určují minimální výši účinnosti zařízení zpětného získávání tepla při rovnotlakém větrání rodinného domu. Bylo zjištěno, že v intervalu účinností 20 až 99 % při celoročním provozu nenastane stav, kdy by energie vynaložená na provoz ventilátorů a předehřevu dosáhla výše energie zpětně získané výměníkem ZZT. Z pohledu cen energií a primární energie vychází interval minimální účinnosti pro oba posuzované systémy 50 až 60 %. Při této minimální účinnosti dochází k vyrovnání provozní energie (ventilátory a předehřev) s úsporou energie z ekonomického hlediska a hlediska primární energie. Doba návratnosti investice v porovnání s podtlakovým systémem vychází kolem 20 let pro systém s teplovodním vytápěním a plynovým kotlem, zatímco pro elektrické přímotopné díky vyšší ceně energie se pohybuje v intervalu 5 až 9 let, pokud účinnost ZZT je vyšší než 60 %.
Literatura
- Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES o stanovení rámce pro určení požadavků na ekodesign výrobků spojených se spotřebou energie. 2009. Dostupné z:
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/CS/ALL/?uri=CELEX%3A32009L0125. - Nařízení komise EU č. 1253/2014, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign větracích jednotek. 2014. Dostupné z:
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/CS/TXT/PDF/?uri=CELEX:32014R1253&from=CS. - Nařízení komise EU č. 1254/2014, kterým se doplňuje směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/30/EU, pokud jde o uvádění spotřeby energie na energetických štítcích větracích jednotek pro obytné budovy. 2014. Dostupné z:
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/CS/TXT/?uri=CELEX:32014R1254. - LAVERGE, J., JANSSENS, A. Heat recovery ventilation operation traded off against natural and simple exhaust ventilation in Europe by primary energy factor, carbon dioxide emission, household consumer price and exergy. Energy and Buildings, 50: 315–323, 2012.
- ANJOMSHOAA, A. a SALMANZADEH, M. Finding a criterion for the pressure loss of energy recovery exchangers in HVAC systems from thermodynamic and economic points of view. Energy and Buildings, 166: 426–437, 2018.
- Trnsys Simulation studio, v. 16.01.003, The University of Wisconsin Madison, 2006.
- Klimatická data CZ-Praha-115180.tm2, Meteonorm.
Seznam označení
- ηc
- účinnost sdílení citelného tepla výměníkem ZZT [–]
- ∆p
- tlaková ztráta [Pa]
- ∆pzzt
- tlaková ztráta výměníku zpětného získávání tepla [Pa]
The minimum efficiency required for the efficient use of the heat exchanger in the equal pressure ventilation system of a family house is determined by the ratio of energy for fan operation and preheating to recovered energy, the balance in terms of energy and primary energy prices and economic return.