Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Studentská vědecká a odborná činnost Akademický rok 05/06 Zpětné získávání tepla ve větracích systémech pro RD Jméno a příjmení studenta : Ročník, obor : Vedoucí práce : Ústav : Jakub Henkl, Stanislav Čermák 5TZB1 Ing. Olga Rubinová, Ph.D. Technické zařízení budov
Obsah: Zpětné získávání tepla.str. 2 Dělení výměníků...str. 3 Parametry ovlivňující přenesený tepelný tok str. 3 Hodnocení výměníků tepla..str. 4 Postup měření...str. 5 Výsledky měření str. 9 Náběh jednotek.str. Teplotní účinnost výměníků...str. 11 Porovnání h-x diagramů.. str. 13 Teplotní účinnost v závislosti na otáčkách ventilátorů str. 15 Průběhy vlhkostí...str. 17 Tepelná ztráta přívodního potrubí..str. 19 Závěr.....str. - 1 -
Zpětné získávání tepla (ZZT) Podnětem k vývoji zařízení pro ZZT ve vzduchotechnice v současné době je snaha o zlepšení hospodaření s energií jako nejlepšího způsobu snížení provozních nákladů při nejlepší ochraně ovzduší díky omezení spotřeby energie - a to jak v zimním, tak v letním provozu (u klimatizovaných budov). V celkové ekonomické bilanci přináší ZZT také sn í- žení investičních nákladů, vhledem k odstranění některých komponentů a ke snížení potřebné výkonnosti zdrojů tepla a chladu. Účelem systémů zpětného získávání tepla je využít teplo přenášené odpadním (znečištěným) vzduchem a zlepšit celkovou energetickou bilanci systému. Takto získané teplo lze využít pro ohřev přiváděného čerstvého vzduchu, ohřev jiné látky pro využití v energetickém systému provozu (voda, akumulační látka), ohřev látky mimo energetický systém (sušení). Klimatizační zařízení upravují vlhký vzduch. Proto je třeba při ZZT rozlišovat, zda jde o teplo: citelné - jímž se mění teplota vzduchu, při sdílení citelného tepla odváděný odpadní vzduch sdílí teplo přes teplosměnnou plochu Q c V ct 2 t 1 vázané (latentní) - sdělované při vypařování vody nebo při kondenzaci vodní páry - které ovlivňuje měrnou vlhkost vzduchu, při sdílení vázaného tepla dochází ke sdílení tepla přímo do ohřívaného média, nebo přes vložené zařízení (kapalinový okruh) Q v V lx 2 x 1 celkové - dané součtem citelného a latentního - které mění entalpii Qs Qc Qv V h 2 h 1 Psychrometrický diagram dle Molliera (h-x diagram) - 2 -
Dělení výměníků z hlediska přenosu energie a hmoty regenerační entalpijní získávání tepla (přenáší teplo i vodu): rotační výměníky přepínací výměníky speciální deskové výměníky rekuperační teplotní získávání tepla (přenáší jen teplo): deskové výměníky výměníky z tepelných trubic oddělené výměníky s vloženým kapalinovým okruhem Parametry výměníků: Přenesený tepelný tok ovlivňují: velikost, tvar a materiál teplosměnné plochy rovnoměrnost vystavení teplosměnné plochy proudům vzduchu parametry proudů vzduchu, zejména rozdíl teplot a hmotnostních průtoků součinitel prostupu tepla přes teplosměnnou plochu zejména součinitelé přestupu tepla ze vzduchu na teplosměnnou plochu na straně ochlazovaného a opačně na straně ohřívaného vzduchu, + další v případě vložených kapalinových okruhů Provoz výměníků: příměsi ve vzduchu nečistoty, korozivní a leptavé látky rovnost hmotnostních toků ochlazovaného a ohřívaného vzduchu údržba zařízení, zejména pravidelné čištění teplosměnných ploch a výměna filtrů technická kvalita výměníku, těsnost, mechanická odolnost, odolnost příměsím ve vzduchu apod. rané typy výměníků - 3 -
Hodnocení výměníků tepla účinnost zpětného získávání tepla - poměr rekuperovaného k celkovému teoreticky získatelnému tepelnému výkonu QR R Q i,max Q R.rekuperovaný tepelný výkon Q i,max celkový tepelný výkon, který je možné získat při využití teplotního spádu mezi ochlazovaným i a ohřívaným e vzduchem. teplotní účinnost - měřítkem efektivnosti přenosu citelného tepla ochlazení odvodního vzduchu: ti teo Rt pro V i = V e, ρ i = ρ e, c pi = c pe t t i ep ohřátí přívodního vzduchu: tip tep Rt pro V i = V e, ρ i = ρ e, c pi = c pe t t i ep t eo t t ep t io t ip - 4 -
Postup měření Pro měření účinnosti zpětného získávání tepla (ZZT) jsme použili dvě jednotky rozdílné konstrukce a principu ZZT: Větrací jednotka s rekuperací tepla AKOR 300/150 Vzduchotechnická jednotka s rekuperací tepla SYSTEMAIR VR 700 E Obě jednotky jsou určeny pro větrání rodinných domů. ACOR (ELEKTRODESIGN) (obr.2): Účinnost udávaná výrobcem je v závislosti na průtoku, venkovní teplotě a vnitřní vlhkosti až 70%. Dvoustupňová regulace otáček (15 nebo 30 m3/hod) a přepínání režimu přívod / odvod (obr.1). Obr.1 Obr.2-5 -
SYSTEMAIR VR 700 E (obr.3): Jednotka je vybavena řídícím systémem, rotačním rekuperátorem, dvěma jednostranně sacími ventilátory, elektrickým ohřívačem a filtry. Účinnost rekuperace udávaná výrobcem je 75 85 %. Jednotka je vybavena automatickým přepínáním mezi normálním provozem s rekuperací tepla a letním provozem bez rekuperace tepla popř. s letním dochlazováním. Požadovaná teplota a množství vzduchu se nastavuje na externím ovladači CE (obr.4). Obr. 3 Obr.4 Měření je provedeno v laboratorních podmínkách. Sání čerstvého vzduchu z exteriéru je na severozápadní fasádě pomocí flexohadice (obr.5). Vý fuk čerstvého vzduchu je volně do místnosti (obr.6). Výfuk odpadního vzduchu je také do místnosti, což neodp o- vídá skutečnému použití jednotek v praxi. Obr.5 Obr.6-6 -
Výpočet účinnosti výměníků je založen na měření teplot, průtoků a vlhkostí vzduchu. Umístění čidel pro měření teplot a vlhkostí viz obr.7 a obr. 8. Legenda: 8 čidla pro měření teploty II, III černé skříňky pro měření teploty a vlhkosti e..exteriér i...interiér Obr.7 - Deskový výměník Obr.8 - Rotační výměník: Legenda k obrázku č.8: 1 7..čidla pro měření teploty III, IV černé skříňky pro měření teploty a vlhkosti e, i.exteriér, interiér V místnosti i v exteriéru byla umístěna také černá skříňka. - 7 -
Měření probíhalo za různých teplotních a vlhkostních venkovních podmínek. V interiéru jsme zvyšovali vlhkost vnitřního vzduchu simulací stavů obvyklých v rodinných domech - sušení prádla (odpar vody z mokrých ručníků) a vařením (odpařování vody pomocí vařiče). Při zvyšování vlhkosti odpařováním vody z ručníků byl použit pro spouštění deskového výměníku časový spínač. Jednotky jsme při provozu vyfotili infrakamerou: Obr.9 - rotační výměník Obr. deskový výměník (otevřený) t eo t ep t ip t io Obr.11 deskový výměník (uzavřený) - 8 -
Výsledky měření Měření průtoků vzduchu: Legenda: 1 rotační výměník 2 deskový výměník - 9 -
Náběh jednotek: Při zapnutí obou jednotek trvá určitý čas, než dojde ke stabilizování teplot v jednotkách a na výstupu z jednotek. Zejména teplota odpadního vzduchu po výměně tepla klesá. Doba náběhu je u deskového výměníku 25 minut, u rotačního výměníku 15 minut. Rychlejší náběh rotačního výměníku je způsoben kovovou konstrukcí jeho pláště a izolací. Plášť deskového výměníku je z plastu a výměník nebyl při měření izolován. Náběh jednotky deskového výměníku 25 25 MINUT 15 exterier interier přívodní vzd. odpadní vzd. 5 0 15:52 15:54 15:56 15:58 16:00 16:02 16:04 16:06 16:08 16: 16:12 16:14 16:16 16:18 16: 16:22 16:24 16:26 čas Náběh jednotky rotačního výměníku 25 15 MINUT 15 exterier interier přívodní vzd. odpadní vzd. 5 0 15:52 15:54 15:56 15:58 16:00 16:02 16:04 16:06 16:08 16: 16:12 16:14 16:16 16:18 16: 16:22 16:24 16:26 čas - -
Teplotní účinnosti výměníků: Pro každou jednotku jsme stanovili účinnost z odvodního vzduchu a z přívodního vzduchu. Reálná účinnost jednotek se pohybuje v těchto dvou mezích. Průměrná střední teplotní účinnost obou jednotek je 65 %. účinnosti deskového výměníku účinnos [%] 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% % % 0% 16:30 17: 17:50 18:30 19: 19:50 :30 21: 21:50 22:30 23: 23:50 0:30 1: 1:50 2:30 3: 3:50 4:30 5: 5:50 6:30 z odvodu z přívodu čas účinnosti rotačního výměníku účinnos [%] 0% 80% 60% 40% % z odvodu z přívodu 0% 16:30 17:04 17:38 18:12 18:46 19: 19:54 :28 21:02 21:36 22: 22:44 23:18 23:52 0:26 1:00 1:34 2:08 2:42 3:16 3:50 4:24 4:58 5:32 6:06 čas porovnání průměrných účinností výměníků účinnos [%] 70% 68% 66% 64% 62% 60% 58% 16:30 17:12 17:54 18:36 19:18 :00 :42 21:24 22:06 22:48 23:30 0:12 0:54 1:36 2:18 3:00 3:42 4:24 5:06 5:48 6:30 rotační v. deskový v. deskový výměník rotační výměník čas - 11 -
Vykreslení ZZT v h-x diagramu P sychrom etrick ý diagram dle M olliera Tlak vzduchu: 0 kpa rekuperace M ax. vlhkost při úpravách: 0 % t [ C] 55 50 % Povrchová teplota chladiče: 5 C 30 45 40 1 40 50 35 70 0 30 25 90 15 1 3 4 50 60 70 80 40 5 2 30 0 98765-5 - h=0 kj/kg s.v. klim ajednotky na m íru: C.I.C. Jan H řebec Štefánikov a 48 150 00 Praha 5-15 - T el: 02/5732 0066, 5732 7141 Fax:02/5732 3625 E-m ail:info@ cic.cz http://www.cic.cz - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21 22 23 24 25 x [g/kg s.v.] - 12 -
Porovnání h-x diagramů t[ C] Naměřeno? = 0% Z tohoto h-x diagramu, který vykresluje skutečné naměřené hodnoty, je patrný přenos vlhkosti v rotačním výměníku z odváděného vzduchu do vzduchu přiváděného. Dále si nelze nepovšimnout nestejného rozdílu teplot na přívodní a odvodní straně tepleného výměníku. h[kj/kg s.v.] 0-0 x[g/kg s.v.] t[ C] Nízké teploty bez vnitřní vlhkosti? = 0% Tento h-x diagram naznačuje stav, kdy externí teploty poklesnou pod bod mrazu. Tyto hodnoty jsme nenaměřili. Diagram naznačuje, že pokud v interiéru nevznikne velká vlhkost, nemůže dojít na výměníku k žádané kondenzaci vodní páry. h[kj/kg s.v.] 0-0 x[g/kg s.v.] - 13 -
t[ C] Naměřeno za deště? = 0% Z tohoto h-x diagramu, který vykresluje skutečné naměřené hodnoty na deskovém výměníku, je patrný pokles relativní vlhkosti při ohřátí přívodního vzduchu. I když je v exteriéru vlhkost vysoká, nemůže bez vzniku vlhkosti v interiéru dojít ke kondenzaci vodní páry na tepelném výměníku na straně odváděného vzduchu. h[kj/kg s.v.] 0-0 x[g/kg s.v.] t[ C] xi - xp Předpoklad kondenzace? = 0% Tento h-x diagram naznačuje stav, kdy v interiéru vznikne dostatečná vlhkost na to, aby vodní pára obsažená v odváděném vzduchu zkondenzovala na teplosměnných plochách výměníku. h[kj/kg s.v.] 0 xk - 0 x[g/kg s.v.] - 14 -
Teplotní účinnost v závislosti na otáčkách ventilátorů(průtocích vzduchu): - 15 -
Teplotní účinnost v závislosti na průtocích vzduchu účinnost [%] 80% 78% 76% 74% 72% 70% 68% 66% 0 5 15 25 30 35 t vysoké otáčky nízké otáčky vysoké otáčky nízké otáčky Teplotní účinnost při dvou rozdílných průtocích vzduchu jsme měřili u jednotky s rotačním výměníkem. Počítali jsme opět účinnost z teplot odvodního a přívodního vzduchu. Při průtoku vzduchu V p = 190,1 m 3 /hod je průměrná účinnost 70%, při průtoku V p = 421 m 3 /hod je průměrná účinnost 73%. - 16 -
Průběhy vlhkostí: Deskový výměník - rosné body 6,0 PROVOZ JEDNOTKY teplota[ C] 4,0 2,0 0,0-2,0-4,0-6,0 interiér exteriér přívod za R odvod za R -8,0 12:00 12:38 13:16 13:54 14:32 15: 15:48 16:26 17:04 17:42 18: 18:58 19:36 :14 :52 21:30 22:08 22:46 čas teplota[ C] 13:14 0 Rotační výměník - rosné body PROVOZ JEDNOTKY 9 8 7 6 5 4 3 2 1 14:34 15:54 17:14 18:34 19:54 21:14 22:34 23:54 1:14 2:34 3:54 5:14 6:34 7:54 9:14 :34 11:54 13:14 t interiér přívod za R odvod za R exteriér - 17 -
relativní vlhkosti vzduchu I-E teplota [ C] relativní vlhkost [%] 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 15-5 05 11: 12:08 12:56 13:44 14:32 15: 16:08 Jednotka v chodu 16:56 17:44 18:32 19: :08 :56 21:44 PRŠÍ 22:32 23: 0:08 0:56 1:44 2:32 3: rel.vlhkost exterieru rel.vlhkost interieru teplota interieru teplota exterieru čas (6.-7.4.06) Sušení ručníků (3,57l) v interiéru od 12:00; zapnutí deskového výměníku v 14:00; vypnutí výměníku v 21:30. V exteriéru jasno a sucho, v podvečer zataženo s deštěm. relativní vlhkosti vzduchu I-E teplota [ C] relativní vlhkost [%] 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 15 5 0 13:14 14: 15:26 16:32 17:38 18:44 19:50 :56 22:02 Jednotka v chodu 23:08 0:14 1: 2:26 3:32 4:38 5:44 6:50 7:56 9:02 :08 11:14 12: rel.vlhkost exterieru rel.vlhkost interieur teplota interieru teplota exterieru čas (.-11.4.06) Sušení ručníků (3,52l) v interiéru od 13:30; zapnutí rotačního výměníku v 15:00; vypnutí výměníku v 13:15 dalšího dne. V exteriéru občasné přeháňky až déšť. Běžná relativní vlhkost vzduchu v zimním období je kolem 60 % (viz graf relativní vlhkosti I-E pro deskový výměník). To odpovídá měrné vlhkosti cca 2,6 g/kg suchého vzduchu při teplotě 2 C. Pokud ohřejeme vzduch z teploty 2 C na 16 C, tak relativní vlhkost tohoto vzduchu klesne na cca 23%, což se blíží hodnotě nevhodné pro zdraví. Relativní vlhkost v interiéru se zvýší vnitřními zdroji vlhkosti. - 18 -
Tepelná ztráta přívodního potrubí Pří průchodu přívodního venkovního vzduchu neizolovaným hliníkovým kruhovým potrubím v místnosti, dochází k ohřátí vzduchu u deskového výměníku o 3,2 C, u rotačního o 4,8 C. Deskový výměník: Q V p c tep te 0,05 1,2 4,7 1,5 194 W 2 plocha potrubí: S d l 0,142 2,5 1,115m d.průměr potrubí l.délka potrubí 2 tepelná ztráta Q / S 194 /1,115 174W / m součinitel prostupu tepla U = 54,4 W. m -2. K -1 Rotační výměník: Q V p c tep te 0,0514 1,2 6,3 1,5 299 W 2 plocha potrubí: S d l 0,2 2,0 1,257m d.průměr potrubí l.délka potrubí 2 tepelná ztráta Q / S 299 /1,257 240W / m součinitel prostupu tepla U = 50 W. m -2. K -1 průměrný součinitel prostupu tepla: 52,2 W. m -2. K -1 teplota v místnosti t i = 16,1 C - 19 -
Závěr Při zpětném získávání tepla ve větracích systémech rodinných domů nám za běžných provozních podmínek v zimě nevznikl žádný kondenzát. Proto nelze běžně uvažovat se zvýšením účinnosti ZZT kondenzací vodní páry na teplosměnných plochách. Při měření nebyly rozdíly teplot před a po rekuperaci u přívodního a odvodního vzduchu stejné, proto jsme počítali 2 účinnosti: z ochlazeného odpadního vzduchu a z ohřátého přívodního vzduchu. Reálná účinnost jednotek se pohybuje v těchto dvou mezích. Deskový výměník má větší průměrnou teplotní účinnost, než rotační výměník. Při zvýšení otáček ventilátorů se teplotní účinnost výměníku za našich podmínek příliš nelišila. Při vývinu vlhkosti v interiéru sušením ručníků a její následném snížení větráním záleží na vlhkosti v exteriéru. Při velké exteriérové vlhkosti se vlhkost v interiéru nesníží, nebo velmi pomalu. Záleží tudíž na počasí, zda jsou jednotky schopny interiérovou vlhkost odvést do exteriéru, nebo ne. Přívodní neizolované potrubí zvyšuje znatelně teplotu přívodního vzduchu z exteriéru. - -