wentylacja_w_budynkach_pasywnych.pdf

(836 KB) Pobierz
WENTYLACJA W BUDYNKACH PASYWNYCH
WENTYLACJA W BUDYNKACH PASYWNYCH
Budynek pasywny jest budynkiem, wewnątrz którego komfort cieplny może być
osiągnięty bez udziału systemów grzewczych lub klimatyzacyjnych – dom ogrzewa i chłodzi
się wyłącznie pasywnie (Adamson 1987 i Feist 1988). Warunkowane jest to niskim rocznym
zapotrzebowaniem na ciepło do ogrzania budynku mniejszym 20 kWh/(m²a) (w Niemczech
15 kWh/(m²a)). Taka wartość zapotrzebowania na ciepło wynika z zastosowania bardzo
dobrze zaizolowanych przegród zewnętrznych, specjalnej konstrukcji okien oraz wysoko
sprawnej mechanicznej wentylacji.
Niezbędnym elementem każdego budynku pasywnego, pozwalającym na znaczne
ograniczenie strat ciepła, jest mechaniczna wentylacja nawiewno-wywiewna dostosowująca
swoją wydajność do aktualnego zapotrzebowania na świeże powietrze. Najważniejszym
elementem instalacji wentylacyjnej jest wysokosprawny wymiennik ciepła, w którym
powietrzu nawiewanemu zostaje przekazana duża część ciepła odzyskana z powietrza
wywiewanego. Wymiennik ten powinien charakteryzować się wysoką sprawnością powyżej
80 % i niskim zużyciem energii elektrycznej. Powietrze zewnętrzne można doprowadzać do
budynku poprzez wymiennik gruntowy, w którym podgrzewa się ono w czasie zimy i chodzi
latem.
Wentylacja nawiewno-wywiewna budynku pasywnego ma charakter ukierunkowany.
Świeże powietrze zostaje doprowadzone bezpośrednio do przestrzeni wspólnej z jadalnią i
sypialni. W pomieszczeniach tych znajduję się każdorazowo, co najmniej jedna kratka
nawiewna. Powietrze usuwane jest z kuchni, łazienek i sypialni na piętrze, w których
umieszczone są kratki wywiewne. Dzięki temu w mieszkaniu ma miejsce ukierunkowany
przepływ powietrza: świeże powietrze dociera najpierw do głównych pomieszczeń
mieszkalnych. Przepływa ono następnie poprzez strefę pośrednią do pomieszczeń wilgotnych,
w których panuje relatywnie wysoka krotność wymian, co umożliwia np. szybkie wysychanie
mokrych ręczników. Dzięki zasadzie ukierunkowanego przepływu świeże powietrze zostaje
wykorzystane w optymalny sposób.
Rys.1 Schemat ukierunkowanego przepływu powietrza w budynku.
Budynki pasywne charakteryzuje bardzo niskie zapotrzebowania na ciepło dlatego
można je ogrzewać przy wykorzystaniu ogrzewania powietrznego. Podgrzewając świeże
powietrze nawiewane do pomieszczeń dziennych, biurowych, dziecinnych i sypialni, można
doprowadzić ciepło potrzebne do ich ogrzania. Typowe centrale wentylacyjne wykorzystują
do podgrzania powietrza nagrzewnice elektryczne. Ich lokalizacja zależy od pełnionej funkcji.
Nagrzewnice wstępne są umieszczane przed wymiennikiem krzyżowym i chronią go przed
niebezpieczeństwem szronienia. Nagrzewnice właściwe zlokalizowane są za wymiennikiem
457144496.001.png
krzyżowym. Zastosowanie nagrzewnicy o mocy 3 – 5 kW może w pełni pokryć
zapotrzebowanie budynku pasywnego na ciepło.
Często spotykanym rozwiązaniem są również tzw. urządzenia kompaktowe, które
pełnią jednocześnie rolę centrali wentylacyjnej, instalacji grzewczej oraz odpowiadają za
przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Ich konstrukcja jest oparta o pompę ciepła, która
wykorzystuje pozostałe w powietrzu wywiewnym z budynku ciepło do ogrzania c.w.u..
Urządzenia kompaktowe mogą korzystać z odnawialnych źródeł energii np. dzięki współpracy
z kolektorami słonecznymi.
Centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła
Głównym elementem instalacji wentylacyjnej budynku pasywnego jest
wysokosprawny wymiennik ciepła, zwany też rekuperatorem, w który zachodzi odzyskanie
ciepła z usuwanego, zużytego powietrza. Brak odzysku spowodowałby, że strata ciepła na
wentylację wyniosłaby od 20 do 30 kWh/(m²a), czyli więcej niż całkowite zapotrzebowanie
na ciepło do ogrzewania budynku. Nowoczesne wymienniki pozwalają na odzyskanie od 65
% do 95 % ciepła z usuwanego powietrza. Zapewniają jednocześnie szczelne oddzielenie
strumienia powietrza usuwanego od nawiewanego, zużywają niewiele energii elektrycznej i
charakteryzują się cichą pracą. Dzięki wysokiej sprawności odzysku ciepła, straty ciepła na
wentylację są małe, co jest warunkiem koniecznym dla prawidłowego funkcjonowania
budynku pasywnego.
Wysoka efektywność wymiennika pozwala równocześnie na ogrzanie powietrza
nawiewanego do temperatury zbliżonej do temperatury powietrza wewnętrznego. Dzięki temu
nawiewane powietrze nie jest już „zimne“. Daje to możliwość, razem z wysoką izolacyjnością
przegród zewnętrznych i okien, zapewnienia użytkownikom budynku wysokiego komfortu
cieplnego.
Stosowane w budynkach pasywnych wymienniki powinny charakteryzować się
sprawnością odzysku ciepła, 80 % i niskim pobórem mocy elektrycznej. Pozostałe
parametry techniczne takie jak, wymagany spręż dyspozycyjny oraz wydatek określa się na
podstawie punktu pracy instalacji. Oblicza się go przyjmując maksymalną ilość powietrza
wentylacyjnego, V n m 3 /h oraz obliczoniowe całkowitych straty ciśnienia, p c Pa (całkowita
strata ciśnienia dla instalacji nawiewnej powinna być równa stracie instalacji wywiewnej przy
uwzglednieniu strat w gruntowym wymienniku ciepła). Ze względu na ewentualne
nieszczelności układu oraz niedokładność oszacowania strat ciśnienia, zaleca się
podwyższenie obu wielkości przeciętnie o od 5 do 10 %. Uzyskany punkt pracy przenosi się
na wykres charkterystyk pracy wyminnika co pozwala na wyznaczenie wymagnej prędkości
obrotowej wentylatorów, 1/s i poboru mocy elektrycznej, N kW.
Gruntowy wymiennik ciepła
Jednym z elementów instalacji wentylacyjnej budynku pasywnego jest gruntowy
wymiennik ciepła. Świeże powietrze dopływające do pomieszczeń jest w nim wstępnie
podgrzewane w zimie i chłodzone w lecie. Ze względu na akumulację ciepła w otaczającym
gruncie, wymiana ciepła w wymienniku gruntowym ma charakter nieustalony. Dodatkowym
zadaniem przy obliczaniu wymienników gruntowych jest właściwe ujęcie trójwymiarowej
wymiany ciepła w gruncie. W literaturze opisywanych jest kilka modeli fizycznych
wymiennika gruntowego. Większość autorów rozważa jednowymiarowy przepływ ciepła –
albo w kierunku promieniowym od powierzchni rury, albo w kierunku prostopadłym do
powierzchni Ziemi.
Poniżej do obliczeń powierzchni wymiennika gruntowego zaadoptowano metodę
IGSHPA (The International Ground Source Heat Pump Association Method) doboru
wymienników gruntowych współpracujących z pompami ciepła, w publikacji „Design/data
manual for closed-loop ground-coupled heat pump systems” autorstwa J.E. Bose, J.D. Parker i
F.C. McQuiston. Długość wymiennika gruntowego można obliczyć korzystając ze wzoru:
L
Q
W
  m
T
R
P
R
G
F
H
ln
gdzie:
Q W – wymagana moc wymiennika, W,
R P – opór przenikania ciepła przez ściankę rury wymiennika, m·K/W,
R G – opór cieplny gruntu, m·K/W,
F H – współczynnik cykliczności pracy wymiennika,
T ln – średnia logarytmiczna różnica temperatur, K.
Wymaganą moc gruntowego wymiennika ciepła obliczamy:
0.0.1
Q
V
n
c
p
  W
1
t
e
w
3
gdzie:
V n – ilość nawiewanego powietrza wentylacyjnego, m 3 /h,
 – gęstość powietrza (dla t śr = (t 1 + t e )/2), kg/m 3 ,
c p – ciepło właściwe powietrza (dla t śr ), kJ/kgK,
t 1 – temperatura powietrza za wymiennikiem gruntowym, o C,
t e – obliczeniowa temperatura powierza zewnętrznego, o C.
Zakłada się, że temperatura powietrza za wymiennikiem gruntowym t 1 powinna mieć
wartość ≥ 0 o C. Warunek ten chroni rekupeartor przed szronieniem powierzchni wymiennika
krzyżowego zapewniając efektywną pracę. Dlatego, do obliczeń wymaganej mocy
wymiennika gruntowego należy przyjmować t 1 ≥ 0 o C. Przyjęcie większej wartości spowoduje
wydłużenie długości wymiennika i doprowadzi do wzrostu kosztów inwestycyjnych.
Opór cieplny przenikania ciepła przez ściankę rury wymiennika jest sumą oporu
cieplnego przejmowania ciepła od wewnętrznej ścianki do powietrza i oporu przewodzenia
ciepła przez ściankę rury wymiennika:
R sc
P
R
R
m
K
/
W
Opór przejmowania ciepła od wewnętrznej ścianki obliczamy korzystając ze wzoru:
R
1
m
K
/
W
d
w
i
gdzie:
d w – średnica wewnętrzna rury wymiennika, m,
α i – współczynnik przejmowania ciepła dla powietrza od strony wewnętrznej ścianki
wymiennika, W/m 2 K.
t
457144496.002.png
Współczynnik przejmowania ciepła α i wyznacza na podstawie teorii wymiany ciepła w
przewodach przy przepływie wymuszonym. Decydujący wpływ na wartość współczynnika ma
rodzaj ruchu, który zależy od średnicy wewnętrznej i prędkości przepływającego nim
powietrza. Prędkość przepływu powinna być na tyle duża by wywołać ruch turbulentny
intensyfikujący wyminę ciepła i zmniejszający opór przejmowania. Jednocześnie nadmierne
zwiększenie prędkości może doprowadzić do znacznego wzrostu całkowitej strat ciśnienia w
wymienniku i spowodować konieczność dobrania centrali wentylacyjnej o większej mocy.
Opór przewodzenia ciepła przez ściankę wymiennika obliczamy korzystając ze wzoru:
R
1
ln
d
z
m
K
/
W
sc
2
d
sc
w
gdzie:
λ sc – współczynnik przewodzenia ciepła ścianki rury wymiennika, W/mK,
d z – średnica zewnętrzna rury wymiennika, m.
Opór przejmowania ciepła dla gruntu wyznacza się z wzoru:
R
I
 
X
d
z
I
X
2
H
W
/
m
K
G
2
gr
gdzie:
λ gr – współczynnik przewodzenia ciepła gruntu, W/m·K,
I(X dz ) – wartość funkcji dla X = d z
I(X 2H ) – wartość funkcji dla X = 2H, gdzie H – odległości osi wymiennika od
powierzchni gruntu, m.
Wartość funkcji I(X) oblicza się na podstawie:
dla 0 < X  1
1
ln
X
2
0
57721566
0
,
99999193
X
2
0
24991055
X
4
0
05519968
X
6
 
I
X
2
0
00976004
X
8
0
00107857
X
10
dla 1  X < 
I
   
X
   
1
/
2
X
2
e
X
2
A
/
B
gdzie:
A
X
8
8
5733287
X
6
18
,
059017
X
4
8
637609
X
2
0
2677737
B
X
8
9
5733223
X
6
25
,
6329561
X
4
21
,
0996531
X
2
3
9684969
Współczynnik cykliczności pracy gruntowego wymiennika ciepła obliczamy
korzystając ze wzoru:
F H
t
24
n
457144496.003.png 457144496.004.png
gdzie:
t – całkowity czas pracy wymiennika dla najzimniejszego miesiąca (lub
najcieplejszego dla lata), h,
n – liczba dni w tym miesiącu.
Wartość średniej logarytmicznej różnicy temperatur pomiędzy powietrzem płynącym
w wymienniku o otaczającym go gruntem obliczamy korzystając ze wzoru:
T
  
g
1
t
e
t
g
2
t
1
ln
t
t
ln
g
1
e
t
t
g
2
1
gdzie:
t g1 – temperatura gruntu otaczającego początek wymiennika, o C,
t g1 – temperatura gruntu otaczającego koniec wymiennika, o C.
Korzystając z zaprezentowanej procedury obliczeniowej wyznaczono powierzchnie
wymiany (długość) gruntowego wymiennika ciepła dla przykładowego budynku. Wymiennik
umieszczono pod budynkiem na głębokości 2 m a jego rolę pełni rura kanalizacyjna z PVC-U
Ø 200/3,9, przy czym do obliczeń przyjęto następujące założenia:
 V n = 285 m 3 /h – strumień nawiewanego powietrza wentylacyjnego,
 t 1 = 0 o C – założona temperatura powietrza za wymiennikiem gruntowym,
 t e = -20 o C – obliczeniowa temperatura powierza zewnętrznego,
 t g1 = t g2 = 8,0 o C – temperatura gruntu na głębokości 2m w lutym pod budynkiem,
  sc = 0,20 W/mK - współczynnik przewodzenia ciepła ścianki rury wymiennika,
  gr = 1,24 W/mK – współczynnik przewodzenia ciepła gruntu,
 wymiennik pracuje 24 h na dobę.
Dla przedstawionych założeń obliczeniowa długość gruntowego wymiennika ciepła
wyniosła 48,3 m.
t
 

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin