Model využití zemního výměníku pro administrativní budovu

Zemní výměníky jsou v podvědomí veřejnosti spojeny především s nízkoenergetickými rodinnými domy s řízeným větráním. V případě využití zemního výměníku pro větší budovu je nutné, aby velikost výměníku odpovídala většímu množství vzduchu. S tím souvisí především větší délky rozvodů, které vyžadují také výkonnější ventilátory pro pohon vzduchu. Vliv parametrů zemního výměníku na množství získané energie a množství energie nutné na jeho provoz je předmětem tohoto článku. Při snaze o přesnější výpočet je nutné brát v úvahu konkrétní účel výměníku, jeho technické řešení, lokální podmínky a časové rozložení potřeb energie pro provoz budovy.

Recenzent: Michal Kabrhel

1. Úvod

Zemní výměníky tepla (dále ZVT) vy­užívají povrchových, případně hlubinných, vrstev zemního tělesa jako zdroje nízkoteplotního tepla/chladu. Množství energie získané a odevzdané velmi závisí na několika hlavních faktorech, jako jsou vlastnosti zeminy, materiál potrubí, hloubka uložení a dimenze potrubí, způsob uložení atd. Článek se bude výhradně zabývat vzduchovými ZVT, které využívají vzduch pro přenos tepla a chladu. V dnešní době se často ZVT vyskytují jako součást energetických systémů menších rozsahů, a to zvláště u rodinných domů (obvykle ­nízkoenergetických nebo dokonce pasivních). Jaké jsou ale možnosti pro využití toho zdroje tepla/chladu pro větší aplikace např. v administrativních budovách? Jaké množství energie je možno získat ze systému ZVT a jaká je spotřeba elektrické energie ventilátoru v závislosti na jednotlivých parametrech a provedení ZVT? Odpovědi na tyto otázky budou náplní následujícího článku.

2. Model zemního výměníku pro administrativní budovu

Aby bylo možno zjistit množství energie, kterou může poskytnout ZVT, byl vytvořen model zemního výměníku pro jednotlivé parametry, které významně ovlivňují chování ZVT, jak již bylo zmíněno výše. Pro výpočet byl využit program PH-Luft, kde je možné přesně definovat jednotlivé parametry a program GAEA, a to zvláště pro výpočet délky provozní doby systému ZVT.

2.1. Popis budovy

Jako modelová budova byla zvolena ­reálná administrativní budova stojící v Praze. V této budově je uvažováno nucené větrání, které zajišťují tři VZT jednotky. Celkové množství větracího vzduchu je uvažováno 50 800 m³/h, které je rozděleno mezi výše zmíněné jednotky a to 2 x 20 000 m³/h a 1 x 10 800 m³/h. Množství vzduchu, které prochází ZVT, je právě 10 800 m³/h. Délka pozemku, kde je realizován ZVT, zásadně ovlivňuje jeho výkon. Pozemek, na kterém se nachází modelovaný objekt, má rozměry, které by umožnily realizaci 2 až 3 větví o délce 80 m. Tato celková délka, by však zcela nedostatečná. Pro modelovou situaci byla zvolena délka 200 m pro každou z uvažovaných větví.

2.2. Popis systému

Byl modelován zemní výměník složený variantně ze tří nebo čtyř větví o délce 200 m. Vzduch procházející ZVT je rozdělen dle počtu větví, a to na 3600 m³/h nebo 2700 m³/h v každé větvi. Právě počet větví a následně i dimenze budou mít zásadní vliv na celkovou bilanci systému, jak bude možno vidět níže.

Materiálové provedení je uvažováno z kanalizačního potrubí PVC. Charakteristiky potrubí odpovídají třídě SN4 a to zvláště tloušťka stěny, případně tepelná vodivost.

Mezi okrajové podmínky modelového výpočtu patří i klimatické podmínky. V programu PH Luft byla k dispozici pouze data z Německa. Byla tedy zvolena data odpovídající německému středohoří, která se nejvíce blíží klimatickým datům v Praze.

Pro zjištění doby provozu ZVT pro jednotlivé parametry, bylo nutno zadat i okrajové podmínky pro spínání a vypínání celého systému. V programu GAEA je možno zadat teplotní parametry jako jsou vnitřní teplota (20 °C), spínací teplota pro vytápění (18 °C), spínací teplota pro chlazení (25 °C). Zemní výměník pracuje, pouze pokud teplota vzduchu vystupující ze ZVT je blíže k jednotlivým spínacím teplotám než teplota venkovního vzduchu.

2.3. Parametry ZVT v modelovém výpočtu

Výpis jednotlivých proměnných parametrů, které byly použity pro varianty ZVT je uveden níže. Neproměnnými parametry byly vzdálenost mezi jednotlivými větvemi (2 m), hloubka podzemní vody (30 m) a druh zeminy. Zde byla uvažována vlhká jílovitá zemina. Doba práce ZVT byla uvažována během celého roku.

Mezi proměnné parametry patřily:

• Hloubka uložení:
  1.0 m, 1.5 m, 2.0 m, 2.0 m, 2.5 m
• Dimenze potrubí:
  DN250, DN315, DN400, DN500
• Délka potrubí (počet větví):
  3 x 200 m, 4 x 200 m

2.4. Výsledky výpočtu

Z výpočtu v programu PH Luft bylo možno získat množství energie, využitelné pro předehřev a také pro předchlazení větracího vzduchu za období od 1. ledna do 31. prosince. Výstupy ze systému je možno vidět na obrázcích 1 a 2.

Obrázky 1 a 2 ukazují, že při zadání okrajových podmínek, je množství získané energie ze ZVT závislé nejvíce na volbě nejvhodnější dimenze potrubí a celkové délce potrubí.

Nejvyšší množství energie pro předehřev a předchlazení vzduchu lze získat pro rozměr DN500, a to jak z hlediska hloubky uložení, tak i délky potrubí. Hlavním důvodem je, oproti dalším ­variantám, nízká rychlost proudění vzduchu, která umožňuje větší přestup tepla ze zeminy přes stěnu potrubí do proudícího ­vzduchu.

Zlepšení výkonu ZVT však u větší dimenze zvyšuje cenu za použitý mate­riál, u větší hloubky uložení a zvýšeného počtu větví je zde požadavek na rozsáhlejší zemní práce, které znatelně ­navýší pořizovací náklady.

3. Energie pro pohon ventilátorů

Výše zmiňovanou energií získává nebo odebírá ZVT ze zeminy přes stěnu potrubí do proudícího vzduchu. Pro pohon ventilátoru, který toto proudění umožňuje, je však nutno dodávat elektrickou energii, která by také měla být zahrnuta do celkové bilance efektivity tohoto systému. Právě spotřebě energie ventilátorem budou věnovány následující řádky.

Pro zajištění proudění vzduchu v ZVT je většinou využit ventilátor vzduchotechnické jednotky v dané budově. Tento ventilátor však musí být dimenzován tak, aby dokázal pokrýt nemalé tlakové ztráty, které vznikají v potrubí ZVT zvláště u větších aplikací.

Tlakové ztráty jsou přejaty z výpočetního programu GAEA a zahrnují ztráty třením i místními odpory. Hodnoty pro jednotlivé dimenze a délky potrubí jsou v tabulce 1.

Tab. 1 • Tlakové ztráty p_z v potrubí ZVT v Pa

V tabulce 1 je možno vidět, že použití dimenze DN250 je nevhodné z důvodu poměrně vysokých tlakových ztrát, které jsou dány vyšší rychlostí proudění vzduchu v potrubí.

S tlakovými ztrátami souvisí i potřebný výkon a příkon ventilátoru pro jejich překonání. K výpočtu výkonu byl po­užit vztah:

kde:

• P – výkon ventilátoru [W]
• Dp – celkový dopravní tlak [Pa]
• V – objemový průtok [m³/s]

Příkon pro jednotlivé kombinace dimenzí a délek potrubí jsou vypsány v tabulce 2.

Aby bylo možno zjistit celkovou spotřebu energií ventilátorů v systému ZVT, byly použity údaje o délce pracovní doby ZVT pro jednotlivé kombinace parametrů vypočtené výpočtovým programem GAEA. Doba, po kterou je ZVT v provozu, vychází z okrajových podmínek o činnosti systému, jako jsou vnitřní teplota v budově (20 °C), spínací teplota venkovního vzduchu pro vytápění (18 °C) a chlazení (25 °C). Zemní výměník pracuje, pouze pokud teplota vzduchu vystupující ze ZVT je blíže k jednotlivým spínacím teplotám než teplota venkovního vzduchu. Tabulka 3 udává údaje o celkové době práce ZVT za rok pro jednotlivé kombinace parametrů.

Pro pohon vzduchu ve VZT jednotkách se v dnešní době využívá několik typů ventilátorů. Z tohoto důvodu byly pro porovnání spotřeby energie vybrány tři nejčastější typy charakterizované pro výpočtové účely svojí účinností. Právě účinnost jednotlivých typů ventilátorů má nejdůležitější vliv na potřebný příkon ventilátoru, a tedy na spotřebu energie.

První typem byl uvažován klasický radiální ventilátor s dopředu zahnutými lopatkami a AC motorem s účinností 0,65. Druhým typem byl zvolen klasický radiální ventilátor s dozadu zahnutými lopatkami a opět AC motorem o účinnosti 0,75. Posledním ventilátorem byl uvažován radiální ventilátor s EC motorem s volným oběžným kolem s účinnosti 0,95.

V následujících grafech bylo pro názornost provedeno srovnání energie získané ZVT pro předehřev a předchlazení vzduchu a energie spotřebované pro pohon ventilátorů. Graf na obrázku 3 ukazuje systém s použitím radiálního ventilátoru s EC motorem (účinnost 0,95).

Graf na obrázku 4 zobrazuje sy­stém s radiálním ventilátorem s dozadu zahnutými lopatkami (účinnost 0,75).

Graf na obrázku 5 zobrazuje systém s radiálním ventilátorem s dopředu zahnutými lopatkami (účinnosti 0,65).

Z výše uvedených grafů pro jednotlivé varianty obecně vyplývá:

• Využití potrubí DN250 je nevhodné pro využití pro modelovou situaci. Velké tlakové ztráty u obou uspořádání větví potrubí zapříčiňují, že energetický přínos je dokonce jednou převýšen potřebou energie na pohon ventilátoru.
• Nejvýhodnějším z hlediska spotřeby energie se jeví využití systému s dimenzí potrubí DN500, a to díky nejvyšším energetickým ziskům a velmi nízkým tlakovým ztrátám. Je nutné však zvážit energetický přínos mezi DN400 a DN500 oproti vyšším pořizovacím nákladům potrubí.

V grafu na obrázku 6 bude provedeno srovnání energie získané ZVT pro předehřev a předchlazení vzduchu a energie spotřebované pro pohon jednotlivých ventilátorů. Srovnání bude provedeno pro systém ZVT s potrubím o dimenzi DN400 pro jednotlivé další kombinace parametrů.

Z grafu na obrázku 6 jsou patrné rozdíly mezi jednotlivými typy ventilátorů, které však nejsou tak významné. Rozdíl mezi ventilátorem s účinností 0.65 a 0.95 je možno vyčíslit na přibližně 4000 kWh/rok u varianty 3 x 200 m a na přibližně 3000 kWh/rok u varianty 4 x 200 m.

4. Závěr

Při návrhu systému zemního výměníku je nutno brát v potaz nejen parametry samotné potrubní části, kterou nejčastěji ovlivňují fyzikální vlastnosti zeminy případně charakteristiky vlastního potrubí. Vhodný výběr těchto parametrů může výrazně zlepšit výkon ZVT. Důležité je zvážit vliv jednotlivých parametrů na pořizovací, případně provozní náklady.

Při výběru dimenze potrubí je nutné zvážit také souvislost mezi objemovým průtokem a rychlostí v potrubí. Právě vysoká rychlost má za následek velmi vysoké tlakové ztráty a s tím související vysoké nároky na spotřebu energie na pohon ventilátoru, jak to bylo možno vidět na modelové situaci pro DN250.

Jednotlivé typy ventilátorů s různými účinnostmi mají také vliv na celkovou energetickou bilanci. U tak velké aplikace, jaká byla použita v modelu, byl však rozdíl mezi jednotlivými typy malý.

Literatura

[1] Program PH-Luft10, Uživatelský manuál [online] http://www.passiv.de/de/05_service/02_tools/02_tools.htm
[2] 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
[3] JÍLKOVÁ K. Use of Energy of the Earth for Heating and Cooling in Buildings. Sborník konf. Udržitelná výstavba 2011. Praha: ČVUT v Praze, Fakulta stavební. 2011. ISBN 978-80-01-04733-0
[4] CHYSKÝ, J. Větrání a klimatizace, Praha 1993, ISBN 80-901574-0-8
[5] Program GAEA 1.4.05, uživatelský manuál [online] http://nesa1.uni-siegen.de/index. htm?/softlab/gaea.htm

Práce vznikla v rámci projektu IGS ČVUT SGS10/234/OHK1/3T/11

---

Model the use of ground heat exchanger for an office building

The authors discuss the energy balance of ground heat exchanger suitable for an office building. Inlet air flow for office building exchanger is relatively high. The question was advantage of heat exchanger operation according to fan energy consumption.

Keywords: heat exchanger, energy efficiency