TZB - VZDUCHOTECHNIKA

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ JIŘÍ HIRŠ, GÜNTER GEBAUER TZB - VZDUCHOTECHNIKA MODUL BT02-09 ZPĚTNÉ ZÍSKÁVÁNÍ TEPLA STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

2 TZB Vzduchotechnika, modul BT02-09 Zpětné získávání tepla Ing. Günter Gebauer, CSc., Brno (15) -

3 Obsah OBSAH 1 Úvod Cíle Požadované znalosti Doba potřebná ke studiu Klíčová slova Použitá terminologie Zpětné získávání tepla ve vzduchotechnice Zařízení s deskovými výměníky Zařízení kapalinové s lamelovými výměníky Zařízení ZZT s tepelnými trubicemi Zařízení ZZT s tepelnými čerpadly Zařízení ZZT s regeneračními výměníky Návrh zařízení ZZT Ekonomické hodnocení zařízení ZZT Obecný postup při návrhu zařízení ZZT Příklad Úkol Kontrolní otázky Závěr Shrnutí Studijní prameny Seznam použité literatury Seznam doplňkové studijní literatury Odkazy na další studijní zdroje a prameny (15) -

4

5 Úvod 1 Úvod 1.1 Cíle Vzduchotechnika formuje interní mikroklima vzduchem, jehož podstatná část se musí z hygienických důvodů vyměňovat za vzduch venkovní. V nově realizovaných a rekonstruovaných budovách se podstatně snižují tepelné ztráty prostupem obvodovým pláštěm a převažují ztráty větráním. V uvedených případech lze tepelnou energii odváděného vzduchu, jehož průtok odpovídá větracímu vzduchu, výhodně využít zařízením zpětného získávání tepla (ZZT). Zmíněné zařízení je aktuální součástí vzduchotechniky umožňující minimalizaci energie pro tvorbu interního mikroklimatu. Cílem kapitoly je seznámení čtenáře s principem ZZT, klasifikací a technickým řešení zařízení, energetickými a finančnímu efekty i dopadem na stavební řešení budovy. 1.2 Požadované znalosti Nezbytné ke studiu jsou základní poznatky z termiky (přenos tepla) a pasáže týkající se vzduchotechnických systémů. 1.3 Doba potřebná ke studiu Studium si vyžádá 2 hodiny a opakování s procvičením. 1.4 Klíčová slova Rekuperace, regenerace, zpětné získávaní tepla, recyklace tepla, klimatizační zařízení, zařízení ZZT 1.5 Použitá terminologie Teplo citelné teplo jímž se mění teplota ve VZT vzduchu Teplo latentní tj. vázané teplo sdělované při vypařování vody nebo při kondenzaci vodní páry a ovlivňující měrnou vlhkost vzduchu a entalpii Teplo celkové teplo dané součtem citelného a latentního teplo Tepelné čerpadlo zařízení pracující na principu čerpaní tepla z nižší na vyšší teplotní hladinu a umožňující účelně využívat nízkopotenciální teplo Rekuperace tepla zpětné získávání tepla prostupem tepla stěnou výměníků Regenerace tepla zpětné získávání tepla střídavým vystavování akumulační hmoty odpadnímu a venkovnímu vzduchu - 5 (15) -

6 TZB Vzduchotechnika, modul BT02-09 Zpětné získávání tepla Tepelná trubice uzavřená žebrovaná trubka ve funkci výměníku přenášející teplo pomocí skupenských změn - 6 (15) -

7 Zpětné získávání tepla ve vzduchotechnice 2 Zpětné získávání tepla ve vzduchotechnice Úspory energií, ekonomické i ekologie faktory vyžadují racionální přístupy s hospodařením tepla i ve vzduchotechnice. Uvedené skutečnosti sleduje zpětné získávaní tepla (ZZT), tzv. recyklace tepla technickým zařízením, jehož účelem je využití energie odváděného znehodnoceného vzduchu. Zařízení pro ZZT lze dělit dle přenosu tepla na regenerační a rekuperační. Obě zařízení pracují na principu přenosu tepla konvekcí či skupenskými změnami. Klasifikace zařízení pro zpětné získávání tepla uvádí [1]. Zařízení ZZT je dnes již obvykle součástí sestavných vzduchotechnických jednotek Obr. 1 Princip ZZT Vnější vzduch Tepelný tok Q Odváděný vzduch Základní komponenty ZZT ve VZT představují: výměníky rekuperační deskové, kapalinové okruhy s lamelovými výměníky, výměníky regenerační, tepelné trubice a tepelná čerpadla. Zařízení ZZT Místnost t x 2.1 Zařízení s deskovými výměníky Zařízení tvoří rekuperační ZZT ve skladbě vzduch-vzduch. Základním prvkem zařízení jsou výměníky deskové. Skládají se z teplosměnných desek mezi nimiž střídavě proudí teplý a chladný vzduch. Proudy přívodního a odváděného vzduchu jsou ve výměníku odděleny, uvedené zařízení lze využívat i pro znečištěná prostředí. Oba proudy vzduchu musí být přivedeny do místa osazení výměníku. Materiálem výměníku je ocelový pozinkovaný plech, hliník, nerez ocel, plast, technické sklo. Schéma výměníku a tepelné výměny jsou na obr. 2. Osazení výměníku v sestavě klimatizační jednotky je na obr. 3. Účinnost tepelných výměn lze zvýšit sprchováním. Na sprchované ploše dochází k odpařování vody a potřebné teplo se odebírá vzduchu, který proudí kolem druhé strany desky výměníku a je ochlazován V p 22 - V p 21 - V e 12 - V z Obr. 2 Deskový výměník a schéma tepelných výměn Aktuálním jsou deskové výměníky z upraveného papíru, jenž působí jako molekulové síto propouštějící vodní páru. Jejich účinnosti je v zimě %. t x - 7 (15) -

8 TZB Vzduchotechnika, modul BT51-09 Zpětné získávání tepla V e V p V z V p Obr. 3 Klimatizační jednotka s deskovým výměníkem 2.2 Zařízení kapalinové s lamelovými výměníky Zařízení tvoří dva lamelové výměníky propojené kapalinovým okruhem k přenosu tepla v sestavě vzduch-kapalina-vzduch dle obr. 4. Jeden výměník je osazen v potrubí vnějšího vzduchu a druhý v potrubí odváděného vzduchu. Částmi kapalinového okruhu jsou potrubí, teplonosná látka, oběhové čerpadlo, uzavřená expanzní nádoba a regulace. Jako teplonosné látky se využívají různé nemrznoucí směsi nuceně cirkulující mezi oběma výměníky. Podstatnou výhodou tohoto zařízení oproti jiným jsou menší pořizovací náklady a skutečnost, že vzduchovody vnějšího a odvodního vzduchu mohou být libovolně vzdáleny. Lamelový výměník V p, t z V p, t e t m2 5 1 t m1 t r 4 2 V p, t i V p, t p 3 Mikroklima t i, φ i, k i Legenda 1 - Výměník vnějšího vzduchu 2 - Výměník znehodnoceného vzduchu 3 - Vzduchotechnická jednotka 4 - Čerpadlo 5 - Expanzní nádoba V, t - průtok, teplota vzduchu φ, k - vlhkost, koncentrace e, i, p - venkovní, vnitřní, přívodní r, z - recyklovaný, znehodnocený m - teplonosná látka Obr. 4 Schéma zařízení s kapalinovým okruhem a lamelovými výměníky Kapalinové okruhy doznaly zásluhou vývoje příznivé vlastnosti. Jsou mnohařadé (do 18 řad), jsou osazeny v čistém protiproudu voda vzduch a mají malé tlakové ztráty na straně vzduchu. Jejich účinnost dosahuje okolo 90 %. 2.3 Zařízení ZZT s tepelnými trubicemi Zařízení tvoří tepelné trubice vložené do rámu a vytvářející výměník. Náplní trubic je chladivo umožňující přenos tepla pomocí skupenských změn (vypařování a kondenzace). Chladivo proudí v trubici vlivem gravitačních nebo kapilárních sil v závislosti na poloze trubice. Trubice je opatřena žebrováním. Schéma výměníku, jeho osazení a tepelných výměn je na obr (15) -

9 Zpětné získávání tepla ve vzduchotechnice 21 chladný vzduch 12 vypařování chladiva Vertikální tepelná trubice chladivo - pára kondenzace chladiva teplý d h chladivo - kapalina Obr. 5 Schéma vertikálního výměníku, jeho osazení a tepelných výměn V e V z TT V p V p t x Tepelné výměny 2.4 Zařízení ZZT s tepelnými čerpadly Využívají k přenosu tepla skupenských změn s nuceným prouděním chladiva. Tepelná čerpadla patří investičně k nejnáročnějším prvkům ZZT. Jejich provoz je efektivní pro případy levné energie k pohonu kompresoru, blíže [1]. 2.5 Zařízení ZZT s regeneračními výměníky Zařízení využívá k přenosu tepla akumulační hmotu periodicky ohřívanou teplým a ochlazovanou chladným proudem vzduchu. Přenosem celkového tepla (citelného i vázaného tepla) dosahují maximální účinnosti. Provedení je rotační nebo přepínací. a. Regenerační výměník rotační tvoří rotující výměník osazený do rámu. Přenos tepla i vlhkosti umožní akumulační hmota rotoru při jeho otáčení z proudu teplého do proudu chladného vzduchu. Akumulační hmotou rotoru může být speciální slitina, hliník, plast, apod. K nežádoucímu míšení čerstvého s odpadním vzduchem a omytí povrchu rotoru k zamezení přenosu škodlivin do čerstvého vzduchu je vytvořena výfuková štěrbina. Schéma zařízení je na obr. 6. Rotory výměníku lze dělit podle povrchu teplosměnné plochy k přenosu vlhkosti a představují: Kondenzační rotory přenášející citelné teplo, přenos vlhkosti je malý. Entalpické rotory umožňující i přenos vodní páry adsorpčním účinkem. Sorpční rotory opatřené vrstvou sorpčního materiálu (např. silikagelu). Rotory se vyznačují velkou jímavostí vodní páry při nízkých měrných vlhkostech. Mikroklima t i,, φ i, k i 2 1 V p, t V p, t i 2 V p, t p V p, t e Obr. 6 Schéma zařízení ZZT s regeneračním výměníkem a jeho osazení - 9 (15) -

10 TZB Vzduchotechnika, modul BT51-09 Zpětné získávání tepla b. Regenerační výměník přepínací tvoří dva výměníky, kterými střídavě proudí čerstvý (chladný) a odpadní (teplý) vzduch. Akumulační hmota měnící svou polohu, směr proudění je stálý. Blíže [1]. 2.6 Návrh zařízení ZZT Charakteristika řešení Návrh zařízení vychází z komplexního přístupu zahrnujícího fyzikální i ekonomickou problematiku nebo jen z fyzikálních hledisek, sledujících jen energetickou složku ZZT. Obecné řešení vychází z návrhu výměníků sledující vyčíslení tepelných a hydraulických poměrů. Komplexní řešení úlohy tvoří fyzikální a ekonomická problematika. Fyzikální se vyznačuje nestacionárním sdílením tepla a látky při proměnných teplotách a časových režimech provozu vzduchotechniky, členitou geometrii teplosměnných ploch a čistotou jejich povrchů. Ekonomika představuje vyčíslení investičních a provozních nákladů, z nichž jsou podstatné ceny energií. Návrh a výpočty vyžadují idealizaci s běžným předpokladem totožných průtoků na vstupu a výstupu výměníků. Konečným cílem návrhu zařízení ZZT je návratnost investic vyplývající z vícenákladů a vlastních energetických úspor. Základními veličinami návrhu a ekonomického hodnocení ZZT je tepelný výkon a teplota vzduchu na výstupu z výměníků. V případě návrhu výměníku ZZT uplatňující jen energetické aspekty lze uplatnit tepelnou účinnost získanou experimentálně a vyjádřenou formulí (12) pro průtoky vzduchu V a teploty vstupního a výstupního vzduchu. 2.7 Ekonomické hodnocení zařízení ZZT Podmínkou rentability navrženého zařízení ZZT je reálná návratnost investic podmíněná kladnými finančními efekty při jeho provozu. Ekonomické hodnocení proto sleduje vyčíslení finanční náročností ZZT danou náklady na realizaci a provozními náklady zařízení ZZT. Finanční přínosy závisí zejména na: ceně energií (teplo, elektrická energie) době provozu zařízení vzduchotechnického systému a ZZT pořizovacích nákladech na ZZT průtoku vzduchu vyplývající z tepelných a hmotnostních toků Q za, Q zi, M w K hodnocení ekonomie ZZT lze užít algoritmus dle [3], jenž vychází z níže uvedené formule pro průměrný roční porovnávací efekt zařízení - 10 (15) -

11 Zpětné získávání tepla ve vzduchotechnice E = K K p K K K K6 (1) Pro konkrétní vstupní údaje a jejich variabilitu mohou dosáhnout jednotlivé složky a výsledný efekt široký rozsah hodnot. Realizační varianta ZZT musí být taková, aby průměrný roční porovnávací efekt E p byl maximální ze spektra reálných provozních podmínek a pořizovacích nákladů. Pro zimní provoz platí dle [3]. Průměrné roční zisky z ušetřeného tepla K 1 jsou dány rov. 2 6 K = V. ρ. c. ε. t. τ. P. 10 (Kč.rok -1 ) (2) 1 v v v 1 m 2 t Průměrné roční zisky z ušetřeného tepla produkovaného ventilátory K 2 Teplo produkuje ventilátor (event. soustrojí ventilátor-motor) na přívodu vzduchu s předpokládanou 50 % K = V. p. τ. P. 10. η = 2. V. p. τ. P. 10 (Kč.rok -1 ) (3) 2 v v 2 t v v 2 t Průměrné roční zisky z ušetřeného tepla produkovaného čerpadly K 3 V případě systémů s lamelovými výměníky a pomocnou tekutinou VKV vyžadující čerpadlo jsou zisky K 3 teplem produkovaným čerpadlem s účinností η = 80% pro hustotu tekutiny ρ w = 1000 kgm K = M. p. τ. P. 10. ρ. η = 1, 25. M. p. τ. P. 10 (Kč.rok -1 ) (4) 3 w c 2 t w c w c 2 t Vícenáklady na provoz ventilátorů K 4 (Kč.rok -1 ) V případě rovnosti objemových průtoků přívodního a odváděného vzduchu i jejich tlakových ztrát a 50% účinnost ventilátorů platí pro vícenáklady vztah 5a Vícenáklady na provoz oběhového čerpadla K 5 (Kč.rok -1 ) V případě rovnosti tepelných kapacit přívodního a odváděného vzduchu pro vícenáklady rov. 5b. 9 K = V. p. τ. P. 10 K = 4. V. p. τ. P w c 2 t Roční amortizace zařízení ZZT K 6 (Kč.rok -1 ) 5 v v 1 e 6 (5a,b) Výše amortizace K 6 se odvozuje z nákladů spojených s realizací zařízení (investiční náklady - projekt, dodávka, montáž atd.) a umořovatele u určeného na základě přepisů o odpisech investic. K 6 = I.u (Kč.rok -1 ) (6 ) kde V v - průtok vzduchu zařízením (m 3 s -1 ) M w - hmotnostní průtok kapaliny čerpadlem (kg.s -1 ) P t, P e - cena tepla a elektrické energie tepla (Kč.MWh -1 ) t m = t i - t em teplotní rozdíl pro teplotu interiéru t i a střední teplotu venkovního vzduchu t em ε 1 - teplotní účinnost zařízení ZZT vztažená teplotní rozdíl t m η c - účinnost čerpadla (-), c, ρ - tepelná kapacita, hustota tekutiny τ 1 - počet hodin provozu vzduchotechniky za rok (h.rok -1 ) τ 2 - počet hodin provozu zařízení ZZT za rok (h.rok -1 ) p 1 - tlaková ztráta zařízení ZZT na straně vstupu vzduchu (Pa) p c - tlaková ztráta kapalinového okruhu zařízení ZZT (Pa) - 11 (15) -

12 TZB Vzduchotechnika, modul BT51-09 Zpětné získávání tepla I - investiční náklady (Kč) u - odpisy (-) Jednodušší algoritmus pro systémy vzduch-vzduch s deskovými výměníky a zimní provoz tvoří složky: 1. Střední tepelný výkon vodního ohřívače VZT pro výstupní teplotu t p Q oh v ( t t ) = V.ρ. c. (W) (7) p em 2. Střední tepelný výkon deskového výměníku ZZT jeho účinnost η zzt Qzzt = Q oh η. zzt (W) (8) 3. Průměrné roční zisky z ušetřeného tepla K 1 pro roční provozní doba ZZT τ 2 a cenu tepla P t K 1 = Q zzt.τ 2.P t (Kč.rok -1 ) (9) 4. Vícenáklady na provoz ventilátorů K 2 (Kč.rok -1 ) pro zvýšení el. příkonu ventilátoru N K 2 = N.τ 1.P e (Kč.rok -1 ) (10) 5. Finanční úspory provozem ZZT E p = K 1 - K 2 (Kč.rok -1 ) (11) 6. Tepelná účinnost výměníku ZZT V = V / ψ p e e (-) (12) o t t o t t e 2.8 Obecný postup při návrhu zařízení ZZT Kritéria užití ZZT stanoví [6]. Pokud je celková intenzita výměny vzduchu v budově větší než n = 2 po dobu nejméně 8 hodin denně, požaduje se ZZT s účinnosti min. 60 %, pokud je intenzita n > 1 pak se ZZT doporučuje. Specifikace vstupních hodnot představující průtok vzduchu, průměrné venkovní teploty, roční dobu provozu vzduchotechnického systémů a využívaní ZZZ, ceny tepla a elektrické energie, pořizovací ceny zařízení, odpisy a náklady na opravy a údržbu. Volba reálných variant. Návrh tepelných prvků zvolených variant zejména výměníků s cílem určení velikosti výměníku, teploty na výstupu z výměníku a tlakových ztrát. Ekonomické hodnocení variant. Výběr optimální varianty dle ekonomického řešení a stavebních podmínek. Podrobný návrh technických prvků celého zařízení. Řešení regulace, ovládání provozu a protimrazové ochrany. Nutnost užití ZZT v ČR stanoví vyhlášky a ČSN Pokud je celková intenzita výměny vzduchu v budově větší než n = 2 po dobu nejméně 8-12 (15) -

13 Zpětné získávání tepla ve vzduchotechnice hodin denně, požaduje se ZZT s účinnosti min. 60 %, pokud větší je n = 1 pak se ZZT doporučuje. 2.9 Příklad 1. Zadání: Úkolem je návrh systému zpětného využití tepla a jeho zjednodušené ekonomické hodnocení pro zimní provoz klimatizace ve variantách rekuperačních systémů: a. Lamelové výměníky s kapalinovým okruhem VKV b. Deskové výměníky VV c. Deskové výměníky v komorách sestavných strojoven 2. Nástin řešení Cílem návrhu zařízení ZZT je teplota vzduchu na výstupu z výměníku, tepelný výkon, tlakové ztráty event. teplosměnná plocha. Obecné řešení vychází z problematiky návrhu výměníků sledující vyčíslení tepelných a hydraulických poměrů. Charakteristika - nestacionární sdílení tepla a hmoty, (proměnná teplota venkovního vzduchu, geometrie (tlakové ztráty, zanášení povrchu prachem) 3. Postup: a. Přehled výchozích hodnot b. Návrh výměníku (optimálního počtu řad výměníku) c. Určení teploty vzduchu recyklovaného vzduchu d. Návrh zařízení a grafické řešení systému e. Ekonomické vyhodnocení 4. Výchozí hodnoty Objemový průtok vnějšího vzduchu V e, teplota vnitřního vzduchu t i, zvolená střední výpočtová teplota vnějšího vzduchu t em, rychlost vzduchu ve výměníku w, otopná plocha řady výměníku S na 1 m 2 průřezu, hustota a měrná tepelná kapacita teplonosné tekutiny ρ k, c k, cena el. energie P 1, cena tepelné energie P 2, roční provozní doba klimatizační soustavy τ 1, předpokládaná doba vyžívání soustavy ZZT τ 2, investiční náklady na jednu řadu výměníku včetně poměrných nákladu na potrubí a kapalinu C, odpisy o 5. Řešení vyžaduje technické a fyzikální údaje přesahující rozsah opor. Numerické a grafické řešení je dokumentováno v [2] Úkol Zadání: Úkolem je návrh systému zpětného využití tepla a jeho ekonomické hodnocení pro zimní provoz vzduchové klimatizace kina. Systém pracuje s průtokem vzduchu 4 m 3 s -1. Řešení uvádí [2] (15) -

14 TZB Vzduchotechnika, modul BT51-09 Zpětné získávání tepla 2.11 Kontrolní otázky Zpětné využití tepla princip, klasifikace, užití Rekuperační systémy ZZT - princip, systémy, návrh, užití Regenerační systémy ZZT - princip, systémy, návrh, užití Kritéria aplikace ZZT Tepelné trubice funkce, návrh užití Tepelná čerpadla aplikace při zpětném získávání tepla Ekonomická kritéria ZZT - 14 (15) -

15 Závěr 3 Závěr 3.1 Shrnutí Aktuálním trendem hospodaření energiemi je zpětné získávání tepla (ZZT), jenž nachází široké uplatnění i ve vzduchotechnice. Ta při svém provozu, zajišťujícím vnitřní prostředí, pracuje s jistým podílem venkovního vzduchu. Průtok venkovního odpovídá průtoku odváděného vzduchu, jehož teplo lze využít pomocí systémů ZZT. Efekty z provozu systémů závisí na řadě faktorů. Konkrétní efekty lze vyčíslit pomocí ročních energetických bilancí a s ohledem na výši kladných efektů vyplývajících z investičních a provozních nákladů zvolit optimální řešení. 3.2 Studijní prameny Seznam použité literatury [1] Gebauer, G., Rubinová, O., Horká, H. Vzduchotechnika. Brno, ERA 2005 [2] Hirš, J., Gebauer, G., Rubinová, O. Vzduchotechnika příklady a návrhy. Brno, Cerm 2006 [3] Chyský, J., Hemzal, K., a kol. Větrání a klimatizace. Bolit, Brno 1993 [4] ČSN Vzduchotechnická zařízení. Názvosloví [5] ČSN Vzduchotechnická zařízení. Navrhování větracích a klimatizačních zařízení. Všeobecná ustanovení [6] ČSN Tepelná ochrana budov Seznam doplňkové studijní literatury [7] Chyský, J., Hemzal, K., a kol. Větrání a klimatizace. Brno, Bolit 1993 [8] ČSN EN 832 Tepelné chování budov Výpočet potřeby energie na vytápění Obytné budovy Odkazy na další studijní zdroje a prameny [9] (15) -