Rekuperácia tepla v systéme vetrania s využitím zemného výmenníka tepla

Vetranie moderných obytných budov sa často kombinuje s doplnkovými technológiami. Do budovy sa tak privádza čerstvý vzduch tým najpohodlnejším a z hľadiska energie najúspornejším spôsobom. Napríklad vyvážené vetranie so spätným získavaním tepla možno spojiť so zemným výmenníkom tepla.

Pretože teplota zeme sa mení pomalšie než teplota vzduchu, možno na predhrievanie privádzaného vonkajšieho vzduchu v zime a na predchladenie privádzaného vonkajšieho vzduchu v lete využiť zem (tzv. zemný kolektor). V tomto článku ukážeme, ako sa vyvážené vetranie s využitím zemného výmenníka tepla s uzavretým okruhom realizuje v praxi (konkrétne v obytnej budove v holandskom meste Nijeveen) a aké prináša výsledky.

Dva typy zemného výmenníka tepla

Existujú dva varianty systému zemného výmenníka tepla. Prvým je otvorený systém, kde sa vonkajší vzduch vedie potrubím uloženým v zemi a až potom sa privádza do budovy a prechádza rekuperačnou jednotkou.  Druhý systém je uzavretý (obr. 1). V tomto prípade sa vonkajší vzduch privádza do výmenníka tepla vzduch – kvapalina a až potom vstupuje do rekuperačnej jednotky. Potrubím prúdi kvapalina, zmes glykolu a vody. Väčšia časť rúrky prechádza zemou vodorovne (zemný kolektor), pričom kvapalina tu odoberá (alebo odovzdáva) teplo zo zeme (zemi) [2,3]. Zvyčajne sa dáva prednosť zemnému výmenníku tepla s uzavretým okruhom, pretože sa ľahšie inštaluje a je menej náchylný na poškodenie spôsobené prirodzeným sadaním zeme alebo zahĺbením do zeme po inštalácii. Systém s uzavretou slučkou zabraňuje aj potenciálnym problémom s množením mikróbov. Navyše, zemnému výmenníku tepla s uzavretou slučkou stačí menší priestor, pretože ho možno nainštalovať aj kľukato.

Obr. 1 Príklad systému vetrania. Zelená: vonkajší vzduch; červená: privádzaný vzduch; žltá: odvádzaný vzduch; hnedá: odpadový vzduch; sivá: zemný kolektor so zmesou glykolu a vody.

Vysvetlenie technológie

Fungovanie vyváženého vetrania s rekuperáciou tepla a zemného výmenníka tepla je vysvetlené na obr. 2. Na vodorovnej osi je vonkajšia teplota. Čierna priamka vyjadruje požadovanú vnútornú teplotu. Pri systéme vetrania s rekuperáciou tepla zobrazuje zelená priamka teplotu privádzaného čerstvého vzduchu, ktorý vstupuje do spálne, detských izieb a obývacej izby cez mriežky na privádzanie vzduchu. V zime je potreba vykurovacej sústavy na ohriatie privádzaného čerstvého vzduchu na požadovanú teplotu (červené šípky) veľmi nízka. To, čo sa ušetrí na vykurovaní v porovnaní so systémom bez spätného získavania tepla, znázorňujú sivé šípky. Tým sa znížia náklady na ohrievanie vnútorného vzduchu. Teplo zo zeme sa využíva, keď je potrebné zaistiť chod rekuperačnej jednotky bez nebezpečenstva zamŕzania kondenzátu. Tým sa po celý rok zachováva rovnotlakové vyvážené vetranie. V letnom období sa v určitých podmienkach automaticky otvorí obtok (bypass) a zabráni privádzaniu vzduchu s príliš vysokou teplotou. V tomto prípade prúdi čerstvý vzduch do miestnosti bez výmeny energie. Zelená čiara sleduje čiernu čiarkovanú čiaru. Nazýva sa to chladenie vonkajším vzduchom, pretože teplota privádzaného vzduchu je nižšia než teplota vnútorného vzduchu (modré šípky).V lete je teplota zeme nižšia ako teplota vonkajšieho vzduchu, dokonca nižšia ako vnútorná teplota. Vďaka zemnému výmenníku tepla je preto chladenie vonkajším vzduchom k dispozícii celé leto, čo zvyšuje úroveň komfortu v každej miestnosti domu (fialové šípky). Zemný výmenník tepla sa nepoužíva pri vonkajších teplotách medzi 7 °C a 23 °C. Tieto hodnoty však možno pri nastavení vetracej jednotky prispôsobiť miestu inštalácie.

Obr. 2 Schematický princíp vyváženého vetrania s rekuperáciou tepla (RT) a zemným výmenníkom tepla Zehnder ComfoFond-L (ZVT).

Monitorovaný dom

V meste Nijeveen (Holandsko) sa vetranie obytného domu monitorovalo celý rok. V priebehu tohto obdobia mal vetrací systém pevne nastavené množstvo čerstvého vzduchu 220 m³/h. Zemný výmenník tepla s uzavretým okruhom pozostáva z jednotky Zehnder ComfoFond-L (umiestnená vedľa rekuperačnej jednotky) a zo zemného kolektora. V tomto projekte zemný kolektor predstavuje polyetylénová rúrka s dĺžkou 100 m s vonkajším/vnútorným priemerom 25/17 mm. Kolektor sa nachádza v hĺbke 1,20 m pod zemou a je naplnený zmesou glykolu a vody. Rúrka kolektora vychádza z jednotky v podkroví priamo dolu na podzemné podlažie. Pri predných dverách domu vstupuje do zeme a prechádza okolo domu do zadného dvora. Na zadnom dvore vytvára niekoľko slučiek, vracia sa rovnakou stranou domu a stúpa späť do podkrovia. Odporúča sa dodržiavať minimálny rozstup rúrok 60 cm, v tomto projekte však ich vzdialenosť na niektorých úsekoch bola 30 cm. Zemný výmenník tepla sa automaticky zapína/vypína čerpadlom v jednotke ComfoFond-L. V tomto prípade čerpadlo pracuje pri vonkajších teplotách nižších než 7 °C a vyšších než 16 °C. Čerstvý vzduch sa rozvádza po dome kruhovým flexibilným potrubím, ktoré vedie do rôznych miestností. Vydýchaný vzduch sa z kuchyne, WC a kúpeľne vracia späť do rekuperačnej jednotky a až potom sa vypúšťa von. Prietokové množstvá, teploty a nastavenia vetracieho systému sa zhromažďovali v intervale 1 minúta a potom sa počítali priemery za 1 hodinu. Tým sa získali štatistické výsledky za jún 2011 až august 2012. Niektoré dáta z leta 2012 chýbajú, pretože nastali hardvérové problémy monitorovacieho zariadenia.

Obr. 3 Kvapalinový „soľankový“ zemný výmenník tepla Zehnder ComfoFond-L s dĺžkou potrubia do 60 m. Vďaka jednoduchej inštalácii zemného výmenníka pred vetraciu jednotku je vhodným riešením do rodinných a bytových domov.

Vetranie so zemným výmenníkom tepla v praxi

Na obr. 4 je zobrazená teplota zeme v hĺbke 1,20 m (tmavočervená krivka) a teplota vonkajšieho vzduchu (modrá). Vidieť tu tlmivý efekt zeme. V tejto hĺbke teplota zeme kolíše medzi 5 a 16 °C, a to pri pohybe teplôt vonkajšieho vzduchu medzi –15 a +35 °C. V prípade tohto vetracieho systému sú možné štyri stavy (pozri aj obr. 2), ktoré závisia od toho, či sa využíva rekuperácia tepla (RT) alebo zemný výmenník tepla (ZVT). Obr. 4 ukazuje, že v chladnom období sa rekuperácia tepla so zemným výmenníkom tepla využíva vždy, keď teplota vonkajšieho vzduchu klesne pod 7 °C (väčšinou v noci a počas chladných dní). V teplom období sa rekuperácia tepla nepoužíva (otvorený bypass – privádzaný vzduch obteká výmenník tepla) a pri teplote vonkajšieho vzduchu o 16 °C vyššej, než je teplota zeme, sa dokonca čerstvý vzduch ešte ochladzuje (popoludnia a teplé noci). V tomto projekte s holandským miernym prímorským podnebím sa zemný výmenník tepla používal počas 55 % monitorovaného času. Efekt predhriatia a predchladenia zemným výmenníkom tepla je na obrázku 6a. Pri vonkajších teplotách nižších než 7 °C sa čerstvý vzduch predhrieva v zemi.

Pri vonkajších teplotách vyšších než 16 °C sa čerstvý vzduch v zemi predchladí. Optimálny výkon by sa dosiahol v prípade, že sa vzduch v zime predhreje na teplotu 5 °C (minimálna teplota zeme) a v lete sa predchladí na 16 °C (maximálna teplota zeme). V tomto projekte bola teplota vzduchu minimálne 0 °C a maximálne 21 °C. Podrobná analýza ukázala, že výkon zemného výmenníka tepla by sa mohol zlepšiť vhodnejším umiestnením zemného kolektora. Kolektor by sa mal v zemi rovnomernejšie rozložiť a mal by sa dodržiavať minimálny rozstup medzi dvoma rúrkami, teda 60 cm. Za rekuperačnou jednotkou sa teplota privádzaného čerstvého vzduchu zvýši, ak sa rekuperačná jednotka využíva (on) (obr. 6b). Aj v prípade, že sú vonkajšie teploty nižšie ako –13 °C, má čerstvý vzduch prúdiaci do obývaných miestností príjemných 17 °C. To odráža obrovskú kapacitu úspor energie, pretože potreba tepla na vetranie sa výrazne znižuje. V skutočnosti je počas celého obdobia spätného získavania tepla nameraná priemerná účinnosť spätného získavania tepla 92 %. Keď sa rekuperácia tepla nevyužíva (off), zemný výmenník tepla pomáha udržať nízku teplotu čerstvého vzduchu, aby bola prívodná teplota vždy nižšia než vnútorná. To znamená chladenie vonkajším vzduchom počas celého teplého obdobia, nielen v priebehu chladných letných nocí. Chladenie vonkajším vzduchom pomáha v lete udržiavať zaťaženie chladiaceho zariadenia domu na nízkej úrovni, a to podobným spôsobom ako správne zvolený tieniaci prvok.

Obr. 4 Teplota zeme (v hĺbke 1,20 m) a teplota vonkajšieho vzduchu.

Obr. 6 a) Teplota vzduchu za zemným výmenníkom tepla

 Úspora energie

Výkon vetracieho systému z energetického hľadiska uvádza tabuľka 1. Faktor sezónnej účinnosti (SPF) sa vypočíta ako zisk energie delený spotrebou energie – tak v priebehu obdobia spätného získavania tepla, ako aj mimo neho. Úspory energie sa pri rekuperácii tepla počítajú s ohľadom na šetrenie na vykurovaní. Referenčná situácia je taká, že privádzaný čerstvý vzduch má rovnakú teplotu ako vonkajší vzduch. Koľko sa ušetrí na vykurovaní vďaka rekuperácii tepla, sa vypočíta pomocou rozdielu medzi privádzaným a vonkajším vzduchom a pomocou skutočného prietokového množstva vzduchu. Táto úspora sa dosiahne využitím elektrickej energie ventilátorov rekuperačnej jednotky a čerpadla zemného výmenníka tepla ComfoFond-L v období, keď sa využíva rekuperácia tepla.  S vypnutou rekuperáciou tepla sa chladenie domu vonkajším vzduchom vypočíta pomocou rozdielu medzi teplotou vnútorného a privádzaného vzduchu a skutočným prietokovým množstvom. Takéto chladenie vonkajším vzduchom sa dosiahne využitím elektrickej energie ventilátorov rekuperačnej jednotky a čerpadla zemného výmenníka tepla ComfoFond-L mimo obdobia spätného získavania tepla.  Pri tejto monitorovanej inštalácii bola hodnota SPF počas a mimo obdobia spätného získavania tepla 7 a 2 v porovnaní s predpokladanou hodnotou 17 a 8 dosť nízka. To preto, že ventilátory a čerpadlo odoberali viac energie. Prvý pre odpor vzduchu v systéme rozvodu vzduchu a druhý, preto, že sa nastavili vyššie otáčky čerpadla, než je nutné.

Tabuľka 1 Ročný energetický zisk rekuperácie tepla v systéme vetrania a faktory sezónnej účinnosti

Obr. 6 b) Teplota pri prívode ako funkcia teploty vonkajšieho vzduchu

Záver

Kombináciou rekuperačnej vetracej jednotky s vyváženým vetraním a zemným výmenníkom tepla získame vetranie, ktoré je energeticky úsporné aj vysoko komfortné. V chladnom období zemný výmenník tepla s rekuperačnou jednotkou zaisťuje, že do miestnosti sa čistý čerstvý vzduch privádza stabilným a komfortným spôsobom s veľmi nízkou potrebou dokurovania počas vetrania. Po celé leto sa zemný výmenník tepla stále (nielen počas chladnejších nocí) stará o chladenie vonkajším vzduchom, súčasne udržiava zaťaženie chladiaceho zariadenia domu na nízkej úrovni. Spoločne so správnymi tieniacimi prvkami v dome zabraňuje vetrací systém so zemným výmenníkom tepla aj nežiaducemu prehriatiu domu.

Ing. Jiří Štekr
Autor je vedúci zastúpenia pre ČR a SR v spoločnosti Zehnder Group Czech Republic, s. r. o.

Foto a obrázky: Zehnder

Literatúra:
[1] Cremers, B.E. 2012. Dlouhodobé monitorování zpětného získávání tepla větracího systému u obytných domů se zemním výměníkem tepla, REHVA Journal, august 2012, 41 – 46
[2] Vollebregt, R. 2011. Koelen zonder energiegebruik door zomernachtventilatie (in Dutch), Verwarming & Ventilatie, máj 2011, 268 – 271
[3] Stege, C. ter 2012. Geen bevriezing of oververhitting bij ventileren met aardwarmte (in Dutch), Gawalo, november 2012, 14 – 17

Faktor sezónnej účinnosti (SPF)