Nový experimentální výměník tepla FSI VUT

Zařízení bude využito při výuce studentů Energetického ústavu FSI VUT v oblasti alternativních systémů větrání a vytápění, zejména u budov s nízkou spotřebou energie (pasivní a nízkoenergetické domy). Naměřená data umožní upřesnit poznatky získané předchozími numerickými simulacemi a poskytnout relevantní podklady pro navrhování ZVT i hodnocení jejich přínosu ke snížení energetické spotřeby obytných budov.

Úvod

Zemní výměníky tepla (ZVT) jsou založeny na myšlence využití zemského polomasivu k předehřevu nebo ochlazení větracího vzduchu. Tepelnou setrvačností zeminy dochází k tomu, že v některých fázích roku (během zimy) je její teplota v dostatečné hloubce pod povrchem vyšší než obvyklá teplota vzduchu. Vzduch procházející potrubím uloženým v této hloubce (zpravidla postačuje 2–2,5 m) se tedy ohřívá. To jednak přináší energetické úspory, ale zejména může být použito jako protimrazová ochrana následného zařízení pro zpětné získávání tepla (např. rekuperačního výměníku). V létě je situace opačná – zemina se dosud nestačila prohřát a procházející vzduch ochlazuje.

Vedle vzduchových ZVT, u nichž mohou vznikat problémy s hygienou (např. tvorbou plísní v důsledku kondenzace vzdušné vlhkosti na stěnách potrubí), existuje i typ kapalinový (solankový) [1]. Zemním trubkovým registrem zde protéká nemrznoucí směs (solanka, propylenglykol apod.) a přes výměník tepla umístěný uvnitř budovy, zpravidla na počátku vzduchotechnického řetězce, předává teplo (popř. chlad) nasávanému vzduchu. Nevýhodou tohoto typu ZVT je vyšší investiční náročnost, o něco nižší energetická účinnost [2] i vyšší provozní náklady.

Zemní výměníky tepla se začaly v západní Evropě objevovat – v souvislosti s rostoucími cenami energie – již před 20–30 lety [3]. U nás se více uplatňují až v posledních 10 letech, zejména jako doplněk teplovzdušných vytápěcích systémů rodinných domů (viz např. [4]). Existují však i aplikace ve velkých objektech občanské výstavby, např. v nové budově Moravské zemské knihovny v Brně [5].

Dosavadní práce autorů se zabývaly teoretickým rozborem provozu ZVT, zejména s využitím simulačních metod (např. [2], [6], [7]). Navázaly tak na předchozí práce Kopeckého ([8–10], souhrnně [11]). Nový vzduchový zemní výměník tepla v cirkulačním provedení, vybudovaný během loňského roku s podporou projektu FRVŠ 3206/2011/G1 jako doplněk experimentálního nízkoenergetického domku FSI VUT v Brně, umožní jak získání praktických zkušeností, tak i seznámení studentů s tímto relativně novým prvkem techniky prostředí.

Popis zařízení

Realizovaný vzduchový zemní výměník tepla (obr. 1) je tvořen dvěma větvemi potrubí DN 200 KG-Systém PVC^® (výrobce WAVIN Osma, Kostelec nad Labem), které jsou v zemním výkopu uloženy nad sebou v hloubkách cca 1,3 m a 2,0 m (osově). Horním potrubím proudí vzduch směrem od domu, spodním se vrací zpátky. Motoricky ovládanou klapkou typu TKR 200/200/200 Pr LM230 (ATREA, Jablonec nad Nisou) lze sání vzduchu přepínat buď z prostoru 2. NP (cirkulační režim pro ochlazení vnitřního vzduchu v letním období) nebo přes nasávací žaluzii zvenčí (přímý režim pro předehřev větracího vzduchu v zimním období, případně jeho ochlazení v létě). Vzhledem k dispozici volného venkovního prostoru (dané uložením sítí) bylo nutno zvolit lomený půdorys výměníku. Zalomení je realizováno kontrolní šachtou (BMTO Group, Liberec), do níž jsou zaústěny obě větve výměníku (obr. 3a). Dolní větev je propojena přímo šachtou, zatímco vstupy horní (dopředné) větve jsou propojeny flexibilním potrubím s připojeným sifonem pro odvod kondenzátu (obr. 1b). Přímá část obou větví v délce cca 15 m je na opačném konci zapojena do další šachty (obr. 2a, 3b). Zde se proud vzduchu v obou výše uvedených režimech obrací a vrací zpátky. Další možností je nasávání venkovního vzduchu přes tuto zadní (nasávací) šachtu a jedno nebo obě potrubí dovnitř domu. Vzhledem k tomu, že výměník je umístěn v mírném svahu, jsou všechna potrubí vyspádována směrem k mezilehlé šachtě. Případný kondenzát vzdušné vlhkosti (při ochlazování vzduchu v letním období) zde bude shromažďován a jeho množství měřeno. Potrubím jsou rovněž protažena lanka, umožňující jeho budoucí provozní čištění.

Obr. 1a, b – Půdorys a bokorys realizovaného ZVT s vyznačením polohy zemních teplotních sond A–D

Obr. 2 – Výstavba ZVT: a) usazování dolního potrubí (v pozadí je patrná zadní – nasávací šachta), b) instalace zemní teplotní sondy B

Obr. 3 – Výstavba ZVT: a) usazování kontrolní šachty, b) zasypávání výkopu

Obr. 4 – Výstavba ZVT: a) průchod potrubí stěnou objektu, b) uspořádání vnitřního zařízení

Obě větve výměníku jsou do experimentálního domu zaústěny vstupy umístěnými vedle sebe (na obr. 4a zobrazeny ještě bez tepelné izolace a vnějšího krytu). Uvnitř budovy (obr. 4b) jsou umístěny čisticí tvarovky (s odnímatelným víkem pro možnost čištění vnitřku potrubí), přepínací klapka s rozvětvením (na vstupní větvi) a filtr s ventilátorem (na výstupní větvi). Radiální ventilátor typu RM 200L se jmenovitým průtokem 1000 m³/h je ovládán 5stupňovým regulátorem otáček REV 1.5 A IP54 (obojí ELEKTRODESIGN ventilátory, Praha).

Součástí ZVT je regulační a měřicí aparatura. S ohledem na předpokládané využití ve výuce (mj. v předmětech Technika prostředí, Experimentální metody I., II. a Seminář aplikované termomechaniky) není dosud uvedena do konečné podoby; její postupné dobudování bude vycházet z potřeb jednotlivých laboratorních úloh. Doposud jsou instalována následující měřicí zařízení:

• Čtyři zemní teplotní sondy (na obr. 1a označeny A až D), každá s 6 termočlánky typu T, umístěnými v hloubkách 0,35 m, 0,7 m, 1,05 m, 1,4 m, 1,75 m a 2,1 m (obr. 2). Sondy byly během stavby zabudovány do výkopu (sondy A, B ve svislé ose výměníku, sondy C a D ve vzdálenosti cca 2 m od potrubí), aby bylo možno měřit teplotní rozvrstvení jak v zemině ovlivněné, tak i neovlivněné provozem výměníku. Termočlánky byly v potřebných délkách svařovány z termočlánkového drátu typu TT-T-24-SLE (ROHS) (Omega Eng., USA), izolovány proti pronikání vlhkosti a poté ve vodní lázni tříbodově kalibrovány (při teplotách 5 °C, 25 °C a 40 °C) přesným odporovým teploměrem Testo 735 se sondou Pt100. Jednotlivé svazky byly na ochranu proti mechanickému poškození vloženy do flexibilní chráničky (obr. 2b) a uloženy v hloubce cca 50 cm pod povrchem zásypu.
• Šest čidel relativní vlhkosti typu HIH4000-003 (Honeywell), která jsou doplněna termočlánky výše uvedeného typu a instalována v uzlových bodech ZVT (na obou koncích přímých větví ZVT, tzn. na vstupech obou potrubí do kontrolní a nasávací šachty; dále na vstupu a výstupu ZVT do/z objektu).
• Žárový anemometr typu ALMEMO FV A935-TH5 (Ahlborn) v přívodním potrubí ZVT pro měření rychlosti, resp. průtoku vzduchu.
• Výstupy všech čidel jsou snímány měřicím a přídavným modulem typu Omega OMB-DAQ-56 (Omega Eng., USA), z něhož jsou naměřená data přes USB port stahována do řídicího počítače a zde archivována.
• Pro vyhodnocení provozu ZVT mohou být rovněž využita data vnitřního a venkovního prostředí, měřená v rámci jiných projektů (mj. venkovní teplota a relativní vlhkost vzduchu, směr a síla větru, intenzita slunečního záření apod.).

Po ověření funkčnosti všech uzlů bude finalizován měřicí program v jazyce LabView, který umožní naměřené parametry přenášet na počítačovou síť FSI VUT. Naměřené provozní parametry budou dlouhodobě ukládány do databáze a vyhodnocovány. Vzniknou tak relevantní podklady pro navrhování ZVT a hodnocení jejich energetického přínosu. Výhledově se předpokládá automatické řízení provozu ZVT s využitím výstupních modulů řady ADAM 4000 včetně průběžného měření spotřeby elektrické energie.

Předpokládané využití ZVT

Realizovaný zemní výměník tepla může (s malými úpravami) pracovat v následujících režimech:

• 1a) přímý větrací režim v plné délce – nasávání vzduchu z fasády a jeho průchod celou délkou potrubí (horní větví tam, dolní větví zpět);
• 1b) totéž s přehozením obou větví (tzn. dolní větví tam, horní větví zpět);
• 2a) přímý větrací režim v poloviční délce – nasávání vzduchu zadní (nasávací) šachtou a jeho paralelní průchod oběma větvemi ZVT (jejich výstupy budou propojeny kontrolní šachtou);
• 2b, c) totéž pouze horní/dolní větví;
• 3a, b) cirkulační režim chlazení – nasávání vzduchu ve 2. NP objektu a jeho průchod celou délkou potrubí (horní větví tam, dolní větví zpět nebo naopak).

Obr. 5 – Teploty zeminy naměřené teplotní sondou C v období leden–březen 2012

Popisovaný zemní výměník tepla byl budován s primárním cílem podpořit výuku v oblasti alternativních systémů TZB pro větrání a vytápění, zejména u budov s nízkou spotřebou energie (pasivní a nízkoenergetické domy). Měření vertikálního teplotního profilu zeminy umožní studentům učinit si názornou představu o energetickém potenciálu zemského polomasivu (jako příklad jsou na obr. 5 uvedeny hodinové průměry teplot zeminy v období od 31. 12. 2011 do 10. 3. 2012). Na základě naměřených provozních dat bude rovněž možno posoudit vhodnost zemního výměníku jako protimrazové ochrany dalších vzduchotechnických zařízení.

Studenti se tak prakticky seznámí s tímto v ČR relativně novým prvkem techniky prostředí, jeho možnostmi (např. dosahovanými výstupními teplotami vzduchu) i potenciálními problémy, které s sebou jeho provoz přináší (kondenzace vody během letního provozu, hygienická hlediska apod.). Zařízení bude sloužit studentům bakalářských, magisterských i doktorských studijních programů.

Závěr

Výše popsaný zemní výměník tepla je v mnohém netypický, což vyplývá ze skutečnosti, že byl vybudován dodatečně, jako doplněk již existujícího objektu. Z téhož důvodu byly i jeho investiční náklady (bez systému měření a regulace cca 119.000,– Kč, viz tab. 2) vyšší než u zařízení postaveného „na zelené louce“ (což někdy platí i doslova). Ani typ zeminy, v níž je umístěn (prachovitě písčitá jílovitá hlína sprašového typu s pórovitou strukturou) není pro jeho funkci ideální [8] – vhodnější jsou půdy s vyšší tepelnou vodivostí (tab. 3).

Přesto věříme, že nově vybudovaný zemní výměník tepla přispěje nejen k bližšímu seznámení studentů i širší odborné veřejnosti s tímto stále ještě poměrně ojedinělým zařízením, ale i k získání nových provozních údajů o jeho energetickém a ekonomickém přínosu.

Poděkování

Autoři děkují Fondu rozvoje vysokých škol za podporu poskytnutou projektem 3206/2011/G1 „Zemní výměník tepla jako nový prvek v technice prostředí“ při budování zde popsaného ZVT a grantům GAČR 101/09/H050 „Výzkum energeticky úsporných zařízení pro dosažení pohody vnitřního prostředí“ a FSI-S-11-6 „Komplexní modelování interakce člověka a prostředí v kabinách dopravních prostředků a obytných prostorách a návrhové nástroje“ za podporu při zpracování a prezentaci tohoto příspěvku. Zvláštní poděkování náleží doc. Ing. Lumíru Mičovi, Ph.D. z Ústavu geotechniky Fakulty stavební VUT za odborné posouzení typu zeminy.

Použité zdroje

• [1] MICHAEL, K. Zemní výměník tepla k předehřívání vzduchu v zimě a předchlazení vzduchu v létě (český překlad). In: Pasivní domy 2007. 1. vyd. Brno: Centrum pasivního domu, 2007, s. 291–295.
• [2] KOLBÁBEK, A., JAROŠ, M., SOKOLA, R. Energetická simulace zemních výměníků tepla. In: Sborník 6. konf. IBPSA-CZ „Simulace budov a techniky prostředí 2010“. Praha: IBPSA-CZ, 2010, s. 61–66.
• [3] PAUL, E. Využití zemních výměníků tepla ve spojení se zařízením pro bytové větrání a rekuperaci tepla [online], 10. 10. 2005 [cit. 2012-03-22]. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=2772.
• [4] MORÁVEK, P. Nový systém teplovzdušného vytápění s řízeným větráním obytných budov a jeho výpočtový model. In: Sborník konf. „Klimatizace a větrání 2004“. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2004, s. 245–259.
• [5] Moravská zemská knihovna. Příležitostná publikace. Brno: Unistav, 2001.
• [6] JAROŠ, M., KOLBÁBEK, A. Vliv zemního výměníku tepla na provoz rekuperační jednotky teplovzdušného vytápění. In: Sborník konf. „Klimatizace a větrání 2010“. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2010, s. 55–62.
• [7] JAROŠ, M., KOLBÁBEK, A. Energetický a ekonomický přínos zemního výměníku tepla v teplovzdušném vytápěcím systému s rekuperací. Vytápění, větrání, instalace, 19 (5): 222–228, 2010.
• [8] KOPECKÝ, P. Chlazení a předehřev vzduchu v zemním výměníku. Sborník konf. „Simulace budov a techniky prostředí 2004“. Praha: IBPSA-CZ, 2004, s. 71–76.
• [9] KOPECKÝ, P. Zemní výměník tepla: model a validace. Vytápění, větrání, instalace, 15 (4): 198–202, 2006.
• [10] KOPECKÝ, P. Návrh dimenzí zemních výměníků tepla. Vytápění, větrání, instalace, 17 (3): 124–128, 2008.
• [11] KOPECKÝ, P. Hygro-thermal performance of earth-to-air heat exchangers: numerical model, analytical and experimental validation, measurements in-situ, design. Disertační práce. Praha: ČVUT v Praze, Fakulta stavební, 2008. Dostupné z: http://kopeckyp.wz.cz/files/pdf/PK_DIZ08.pdf.
• [12] JOHNSON, J. B., LORENZ, R. B. Thermophysical Properties of Alaskan Loess: An Analog Material for the Martian Polar Layered Terrain? Geoph. Res. Lett., 27 (17): 2769–2772, 2000. Dostupné z: http://www.lpl.arizona.edu/~rlorenz/loess.pdf.