envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement











schemat obliczeniowyUsuwając z budynku powietrze wcześniej ogrzane lub ochłodzone za pomocą nagrzewnic i chłodnic w instalacjach wentylacji i klimatyzacji, traci się bezpowrotnie energię cieplną lub chłodniczą, która mogłaby być ponownie wykorzystana do zmiany temperatury nawiewanego powietrza zewnętrznego. Ile energii można zaoszczędzić stosując odzysk ciepła lub chłodu?

Obecnie ze względów ekonomicznych oraz prawnych prawie każdy budynek z instalacją wentylacyjną lub klimatyzacyjną jest wyposażony w urządzenie do odzyskiwania ciepła/chłodu z powietrza usuwanego. Zarówno ostatnia, jak i wcześniejsze wersje rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (WT) stawiają przed projektantami wymóg odzyskiwania energii w instalacjach wentylacji mechanicznej ogólnej nawiewno-wywiewnej lub klimatyzacji komfortowej o wydajności 500 m3/h i większej za pomocą recyrkulacji lub wymienników do odzysku ciepła.

Program dopłat NFOŚiGW

Dokumentem zachęcającym do oszczędności energii zużywanej przez instalacje w budynku, oprócz WT, jest program dopłat do kredytów na budowę energooszczędnych domów jedno- lub wielorodzinnych NFOŚiGW, promujący stosowanie systemów wentylacji/klimatyzacji z odzyskiem ciepła. Wysokość dofinansowania zależy od uzyskanego wskaźnika rocznego jednostkowego zapotrzebowania na energię użytkową do celów ogrzewania i wentylacji (EUco), obliczanego zgodnie z wytycznymi NFOŚiGW, oraz od spełnienia innych warunków, w tym dotyczących sprawności instalacji grzewczej i przygotowania c.w.u.

Obliczanie sprawności temperaturowej, sprawności całkowitej wymiennika i sprawności wilgotnościowej zgodnie z normą PN-EN 308:2001P

Zgodnie z wymaganiami programu dopłat do domów energooszczędnych NFOŚiGW temperaturowa sprawność odzysku ciepła jawnego dla zrównoważonych strumieni powietrza nawiewanego i usuwanego powinna być określona zgodnie z normą PN-EN 308:2001P. Powszechnie stosowana nazwa „temperaturowa sprawność odzysku ciepła” w normie została zastąpiona przez „współczynnik temperatury” i określona zależnością (1). W opisie wzoru są oznaczenia i nazwy z normy, w nawiasach – zwyczajowo używane określenia.

 wzór 1

gdzie:
ηt – współczynnik temperatury (sprawność temperaturowa)
t22 – temperatura powietrza – wlot powietrza zasysanego (powietrze za wymiennikiem nawiewane do pomieszczenia)
t21 – temperatura powietrza – wylot powietrza zasysanego (powietrze zewnętrzne przed wymiennikiem)
t11 – temperatura powietrza – wlot powietrza tłoczonego (powietrze usuwane z pomieszczenia przed wymiennikiem)

Analogicznie do sprawności temperaturowej określa się, korzystając z odpowiednich wartości entalpii, sprawność całkowitą wymiennika związaną z odzyskiem ciepła jawnego i utajonego oraz sprawność wilgotnościową (współczynnik wilgoci wg normy) związaną z odzyskiem ciepła utajonego, uwzględniającą zawartość wilgoci w powietrzu przed i za wymiennikiem.

Ocena efektywności pracy wymienników

Aby ocenić celowość stosowania danego sposobu odzysku ciepła i rodzaju wymiennika do odzysku ciepła, najlepiej przeprowadzić ocenę efektywności energetycznej ich pracy w dłuższym przedziale czasowym: całoroczną lub całosezonową (np. dla okresu grzewczego).
W domach jednorodzinnych w Polsce często stosuje się ogrzewanie w zimie, a latem tylko wymianę powietrza. Z tego powodu w analizie zużycia energii przez instalacje wentylacyjne rozważono jedynie odzysk ciepła w zimie, a pominięto odzyskiwanie chłodu w lecie, wykorzystując poniższy model obliczeniowy bilansu cieplnego wymiennika do odzysku ciepła.

Model obliczeniowy bilansu cieplnego wymiennika do odzysku ciepła

Do analizy zużycia energii wykorzystano zależności służące do obliczenia chwilowego zapotrzebowania na energię – ciepło/chłód (2), zużytej energii elektrycznej (3) oraz bilans strumieni ciepła przy odzysku ciepła jawnego dla równych strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego (4). Na schemacie wymiennika (rys. 1) są oznaczenia i symbole występujące w modelu obliczeniowym.

schemat obliczeniowy
Schemat ideowy wymiennika do odzysku ciepła

 

Chwilowe zapotrzebowanie na energię do ogrzania lub ochłodzenia powietrza: 

Qth = V ∙ ρp ∙ cpp ∙ (Θ1 – Θ2)  (2)

gdzie:
Qth – chwilowe zapotrzebowanie na energię do ogrzania lub ochłodzenia powietrza [kW]
V – strumień objętości powietrza wentylacyjnego [m3/s]
ρp – gęstość powietrza [kg/m3] (przyjęto 1,2 kg/m3)
cpp – ciepło właściwe powietrza [kJ/kg] (1,0 kJ/kg)
1 – Θ2) – różnica temperatury ogrzewanego powietrza [K]

Zapotrzebowanie na energię elektryczną przez wentylator:

3 wzór

gdzie:
Qel – moc pobierana przez silnik wentylatora [W]
V – strumień objętości powietrza wentylacyjnego przepływającego przez wentylator [m3/s]
ΔP – ciśnienie całkowite wentylatora [Pa]
ηwen – sprawność wentylatora [-]

Bilans strumieni ciepła dla równych strumieni powietrza przy realizacji odzysku ciepła jawnego (qms = qme; ηx = 0):

cpp • (Θs2 - Θs1) = (he1 - he2) = ηt • cpp • (Θe1 - Θs1)  (4)

gdzie:
Θ – temperatura [°C]
h – entalpia [kJ/kg]
ηt – sprawność temperaturowa wymiennika do odzysku ciepła [-]
indeksy s1, s2, e1, e2 – punkty wymiennika zgodnie z oznaczeniami na rys. 1

Wzór 4 zilustrowano graficznie na rys. 2, przedstawiając przebieg procesu odzyskiwania ciepła jawnego dla równych strumieni powietrza (nawiewanego i usuwanego) przy założonej sprawności temperaturowej wymiennika wynoszącej 80%.

Bilans strumieni ciepła dla różnych strumieni powietrza przy realizacji odzysku ciepła jawnego i utajonego z zastosowaniem rozdzielenia sprawności całkowitej na sprawność temperaturową i wilgotnościową:

qms • (hs2 - hs1) = qme • (he1 - he2) = ηtot • qm min • (he1 - hs1) =
= ηt • qm min • cpp • (Θe1 - Θs1) + ηx • qm min • cpw • (xe1 - xs1)  (5)

gdzie:
qm min – mniejszy ze strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego [kg/s]
qms – strumień masowy powietrza nawiewanego [kg/s]
qme – strumień masowy powietrza wywiewanego [kg/s]
ηtot – sprawność całkowita wymiennika do odzysku ciepła, definiująca jaka ilość ciepła (jawnego i utajonego) została pobrana w stosunku do całego potencjału ciepła możliwego do odebrania [-]
ηx – sprawność wilgotnościowa wymiennika do odzysku ciepła [-]
x – zawartość wilgoci [kg/kg]
cpw – ciepło właściwe pary wodnej [kJ/kg] (1,96 kJ/kg)

 

wykres psychometryczny
Wykres psychometryczny z zaznaczonym przebiegiem procesu odzysku ciepła jawnego dla równych strumieni powietrza i sprawności temperaturowej wymiennika ciepła 80%

 

Analizowane systemy wentylacji

W celu porównania zużycia energii niezbędnej do ogrzania i wentylacji domu referencyjnego w okresie grzewczym rozważono następujące rodzaje i warianty systemów wentylacji:

  • wentylacja grawitacyjna (okna z nawiewnikami, kanały wentylacji grawitacyjnej – zgodnie z wymaganiami PN-83/B-03430/Az3:2000);
  • wentylacja mechaniczna wywiewna (stały strumień powietrza zgodny z PN-83/B-03430/Az3:2000, moc właściwa wentylatorów zgodna z WT);
  • wentylacja mechaniczna wywiewna higrosterowana (7 nawiewników oraz 5 kratek wywiewnych higrosterowanych, wentylator z regulatorem stałego podciśnienia);
  • wentylacja nawiewno-wywiewna z odzyskiem ciepła (wymiennik krzyżowy, sprawność 61%, moc wentylatorów 156 W, zabezpieczenie przed szronieniem nagrzewnicą elektryczną powietrza nawiewanego przed wymiennikiem);
  • wentylacja nawiewno-wywiewna z odzyskiem ciepła (wymiennik przeciwprądowy, sprawność 87%, moc wentylatorów 75 W, zabezpieczenie przed szronieniem nagrzewnicą elektryczną powietrza nawiewanego przed wymiennikiem);
  • wentylacja nawiewno-wywiewna z odzyskiem ciepła (wymiennik obrotowy, sprawność 82%, moc wentylatorów 128 W, zabezpieczenie przed szronieniem przez zmniejszenie sprawności odzysku ciepła).

Rekuperatory zostały dobrane do instalacji według rzeczywistych informacji zamieszczonych w kartach katalogowych producentów. Instalacje powinny działać w sposób ciągły, a więc także podczas nieobecności mieszkańców.

Autorzy: dr inż. Anna Charkowska, dr inż. Maciej Mijakowski

Wyniki analizy całosezonowego zużycia energii cieplnej przez wybrane systemy wentylacji zainstalowane w jednorodzinnym domu referencyjny przedstawiono w PI 1/2015.


 

pi