Rekuperace s využitím zemního výměníku tepla

Větrání moderních obytných budov se často kombinuje s doplňkovými technologiemi, čímž se do budovy přivádí čerstvý vzduch tím nejpohodlnějším a z hlediska energií nejúspornějším způsobem. Například vyvážené větrání se zpětným získáváním tepla lze spojit se zemním výměníkem tepla.

Protože teplota země reaguje pomaleji než teplota vzduchu, lze k předehřívání přiváděného venkovního vzduchu v zimě a k předchlazení přiváděného venkovního vzduchu v létě využít zemi (tzv. zemní kolektor). V tomto článku ukážeme výsledky, jak se vyvážené větrání s využitím zemního výměníku tepla s uzavřeným okruhem provádí v praxi, v obytné budově v nizozemském Nijeveenu.

Obr. 1 Příklad systému větrání. Zelená: venkovní vzduch; červená: přiváděný vzduch; žlutá: odváděný vzduch; hnědá: odpadní vzduch; šedá: zemní kolektor se směsí glykol-voda.

Dva typy zemního výměníku tepla

Existují dvě varianty systémů zemního výměníku tepla. První je otevřený systém, kde se venkovní vzduch vede potrubím uloženým v zemi a teprve poté se přivádí do budovy a prochází rekuperační jednotkou. Druhý systém je uzavřený (obr. 1), kde se venkovní vzduch přivádí do výměníku tepla vzduch-kapalina a teprve poté vstupuje do rekuperační jednotky. Potrubím proudí kapalina, směs glykolu a vody. Větší část trubky prochází vodorovně zemí (zemní kolektor), kde kapalina odebírá (nebo předává) teplo ze země (zemi) [2,3].Přednost se dává zemnímu výměníku tepla s uzavřeným okruhem, protože se snadněji instaluje a je méně náchylný k poškození z důvodu přirozeného sesedání země nebo zahloubení do země po instalaci. Systém s uzavřenou smyčkou také zamezuje potenciálním problémům s množením mikrobů. Navíc zemní výměník tepla s uzavřenou smyčkou vyžaduje menší prostor, neboť jej lze nainstalovat klikatě.

Obr. 2 Schematický princip vyváženého větrání s rekuperací tepla (RT) a zemním výměníkem tepla Zehnder ComfoFond-L(ZVT).

Vysvětlení technologie

Vyvážené větrání s rekuperací tepla a zemní výměník tepla jsou vysvětleny na obr. 2. Na vodorovné ose je venkovní teplota. Černá přímka vyjadřuje požadovanou vnitřní teplotu. U systému větrání s rekuperací tepla zobrazuje zelená přímka přívodní teplotu čerstvého vzduchu, který vstupuje do ložnice, dětských pokojů a obývací místnosti přes mřížky přívodního vzduchu. V zimě je potřeba otopné soustavy k ohřátí přiváděného čerstvého vzduchu na požadovanou teplotu (červené šipky) velice nízká. Vytápění, které se ušetří v porovnání se systémem bez zpětného získávání tepla, ukazují šedé šipky. Tím se uspoří náklady na vytápění vnitřního vzduchu. Teplo země se využívá, když je potřeba, aby byl chod rekuperační jednotky zajištěn bez nebezpečí zamrzání kondenzátu. Tím je zachováno rovnotlaké vyvážené větrání po celý rok. Za určitých podmínek se v letním období automaticky otevře obtok (bypass) a zabrání přivádění vzduchu s příliš vysokou teplotou. V tomto případě proudí čerstvý vzduch do místností bez výměny energie. Zelená čára sleduje čárkovanou černou čáru. Toto se nazývá chlazení venkovním vzduchem, neboť teplota přívodního vzduchu je nižší než teplota vnitřního vzduchu (modré šipky). V létě je teplota země nižší než teplota venkovního vzduchu a dokonce nižší než vnitřní teplota. Díky zemnímu výměníku tepla je proto chlazení venkovním vzduchem k dispozici po celé léto, což zvyšuje úroveň komfortu v každé místnosti domu (fialové šipky). Zemní výměník tepla se nepoužívá při venkovních teplotách mezi 7 °C a 23 °C, tyto hodnoty lze však přizpůsobit při nastavení větrací jednotky podle místa instalace.

Monitorovaný dům

V Nijeveenu (Nizozemsko) bylo větrání obytného domu monitorováno po celý rok. Během monitorovaného období měl větrací systém nastavené pevné množství čerstvého vzduchu 220 m³/h. Zemní výměník tepla s uzavřeným okruhem sestává z jednotky Zehnder ComfoFond-L (umístěné vedle rekuperační jednotky) a zemního kolektoru. V tomto projektu zemní kolektor představuje polyetylenovou trubku o délce 100 m s vnějším/vnitřním průměrem 25/17 mm. Kolektor je umístěn v hloubce 1,20 m pod zemí a je naplněn směsí glykolu a vody. Trubka kolektoru vychází z jednotky v podkroví přímo dolů do podzemního podlaží. U předních dveří domu vstupuje do země a prochází kolem domu do zadního dvora. Na zadním dvoře tvoří několik smyček a vrací se zpět stejnou stranou domu a stoupá zpět do podkroví. Doporučuje se dodržovat minimální rozestup trubek 60 cm, u tohoto projektu však byla vzdálenost v některých úsecích 30 cm. Zemní výměník tepla se automaticky zapíná/vypíná čerpadlem v jednotce ComfoFond-L. U tohoto projektu domu je čerpadlo v chodu při venkovních teplotách nižších než 7 °C a vyšších než 16 °C. Čerstvý vzduch se rozvádí po domě kruhovým flexibilním potrubím, které vede do různých místností. Vydýchaný vzduch se z kuchyně, WC a koupelny vrací zpět do rekuperační jednotky a teprve poté se vypouští ven. Průtokové množství, teploty a nastavení větracího systému se shromažďovaly v intervalu 1 minuta a poté se vypočítávaly průměry za 1 hodinu, tím byly získány statistické výsledky pro červen 2011 až srpen 2012. V létě 2012 některá data chybí, protože došlo k hardwarovým problémům monitorovacího zařízení.

Obr. 4 Teplota země (v hloubce 1,20 m) a teplota venkovního vzduchu.

Větrání se zemním výměníkem tepla v praxi

Na obr. 4 je zobrazena teplota země v hloubce 1,20 m (tmavě červená křivka) a teplota venkovního vzduchu (modrá). Je zde vidět tlumicí efekt země. V této hloubce teplota země kolísá mezi 5 a 16 °C při kolísání teplot venkovního vzduchu mezi –15 a +35 °C. Pro tento větrací systém existují čtyři možné stavy (viz též obr. 2), které závisí na tom, zda se využívá rekuperace tepla (RT) nebo zemní výměník tepla (ZVT). Obr. 4 ukazuje, že v chladném období se využívá rekuperace tepla se zemním výměníkem tepla vždy, když teplota venkovního vzduchu klesne pod 7 °C (většinou v noci a během chladných dnů). V teplém období se rekuperace tepla nepoužívá (otevřený bypass – přiváděný vzduch obtéká výměník tepla) a při teplotě venkovního vzduchu o 16 °C vyšší než země se dokonce ještě čerstvý vzduch ochlazuje (odpoledne a teplé noci). U tohoto projektu s mírným nizozemským mořským klimatem se zemní výměník tepla používal během 55 % monitorované doby. Efekt předehřevu a předchlazení zemním výměníkem tepla je na obrázku 6a. Pro venkovní teploty nižší než 7 °C se čerstvý vzduch předehřívá zemí. Pro venkovní teploty vyšší než 16 °C se čerstvý vzduch zemí předchlazuje.

Obr. 5 Stavový diagram. Modrá: rekuperace tepla (RT) zapnutá, zemní výměník tepla (ZVM) zapnutý; zelená: RT zapnutá, ZVT vypnutý; oranžová: RT vypnutá, ZVT vypnutý; červená: RT vypnutá, ZVT zapnutý.

Optimálního výkonu by bylo dosaženo v případě, že se vzduch v zimě předehřeje na teplotu 5 °C (minimální teplota země) a v létě předchladí na 16 °C (maximální teplota země). U tohoto projektu byla teplota vzduchu minimálně 0 °C a maximálně 21 °C.Podrobná analýza ukázala, že výkon zemního výměníku tepla by se mohl zlepšit lepším umístěním zemního kolektoru. Kolektor by se měl do země rozložit rovnoměrněji a dodržovat minimální rozestup mezi dvěma trubkami 60 cm. Za rekuperační jednotkou se teplota přiváděného čerstvého vzduchu zvýší, pokud se rekuperační jednotka využívá (on) (obr. 6b). I v případě, že jsou venkovní teploty nižší než –13 °C, má čerstvý vzduch proudící do obývaných místností příjemných 17 °C. To odráží obrovskou kapacitu úspor energie, protože potřeba tepla pro větrání se výrazně snížila. Ve skutečnosti je po celé období zpětného získávání tepla změřena průměrná účinnost zpětného získávání tepla 92 %.Pokud se rekuperace tepla nevyužívá (off), zemní výměník tepla pomáhá udržet teplotu čerstvého vzduchu na nízké úrovni, aby byla přívodní teplota vždy nižší než vnitřní teplota. To znamená chlazení venkovním vzduchem po celé teplé období a nejen během chladných letních nocí. Chlazení venkovním vzduchem pomáhá udržovat zatížení chladicího zařízení domu v létě na nízké úrovni, podobným způsobem jako správný stínicí prvek.

Obr. 6 b) teplota na přívodu jako funkce teploty venkovního vzduchu.

Úspora energie

Výkon větracího systému z hlediska energie je uveden v tabulce 1. Faktor sezónní účinnosti (SPF) se vypočítá jako zisk energie dělený spotřebou energie, jak během období zpětného získávání tepla, tak i mimo ně. Úspory energie se při rekuperaci tepla vypočítají s ohledem na vytápění, které se ušetří. Referenční situace je taková, že přiváděný čerstvý vzduch má stejnou teplotu jako venkovní vzduch. Vytápění, které se ušetří díky rekuperaci tepla, se vypočítá pomocí rozdílu mezi přívodním vzduchem a venkovním vzduchem a skutečného průtokového množství vzduchu. Této úspory se dosáhne využitím elektrické energie ventilátorů rekuperační jednotky a čerpadla zemního výměníku tepla ComfoFond-L v období, ve kterém se využívá rekuperace tepla. S vypnutou rekuperací tepla se chlazení venkovním vzduchem domu vypočítá pomocí rozdílu mezi vnitřní teplotou a přívodní teplotou a skutečným průtokovým množstvím. Tohoto chlazení venkovním vzduchem se dosáhne využitím elektrické energie ventilátorů rekuperační jednotky a čerpadla zemního výměníku tepla ComfoFond-L mimo období zpětného získávání tepla. Pro tuto monitorovanou instalaci je hodnota faktoru SPF během a mimo období zpětného získávání tepla 7 a 2 v porovnání s ohlášenou hodnotou 17 a 8 dost nízká. To proto, že ventilátory a čerpadlo odebírají více energie. První z důvodu odporu vzduchu v systému rozvodu vzduchu a druhý z důvodu nastavení vyšších otáček čerpadla, než je nutné.

Závěr

Kombinací rekuperační větrací jednotky s vyváženým větráním a zemním výměníkem tepla získáme větrání, které je jak energeticky úsporné, tak i vysoce komfortní pro bydlení.nV chladném období zemní výměník tepla s rekuperační jednotkou zajišťuje, že do místností je přiváděn čerstvý čistý vzduch stabilním a komfortním způsobem a současně s velmi nízkou potřebou dotápění během větrání. V teplém období zemní výměník tepla zajišťuje chlazení venkovním vzduchem po celé léto (nejen v chladných letních nocích), současně udržuje zatížení chladicího zařízení domu na nízké úrovni. Společně se správnými stínicími prvky v domě větrací systém se zemním výměníkem tepla zabraňuje rovněž nežádoucímu přehřátí domu.

Foto a obrázky: Zehnder

Ing. Jiří Štekr
Autor je vedoucí zastoupení pro ČR a SR ve společnosti Zehnder Group Czech Republic, s. r. o.

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

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.