Rekuperácia a zemný výmenník tepla

Moderné obytné budovy čoraz častejšie využívajú riadené vetranie, ktoré sa kombinuje s pokročilými technológiami pre zabezpečenie optimálnej klímy a energetickej úspory. Kľúčovou súčasťou takýchto systémov je rekuperácia tepla, efektívne doplnená o zemné výmenníky tepla (často nazývané aj zemné registre alebo zemné kolektory).

Princíp a výhody rekuperácie vzduchu

Rekuperácia vzduchu, známa aj ako spätné získavanie tepla, predstavuje metódu, ako mať v dome neustále čerstvý vzduch s minimálnymi tepelnými stratami. Funguje na princípe odovzdávania tepla medzi odpadným a privádzaným vzduchom bez ich zmiešania. Prívod a odvod vzduchu majú samostatné potrubia, ktoré prechádzajú cez doskový výmenník tepla alebo využívajú systém „rúra v rúre“.

Helios ponúka kompletné riešenia pre vetranie domov z navzájom zosúladených prvkov, čo zákazníkom prináša bezproblémovú úspornú prevádzku a maximálny výkon. Rekuperačné jednotky od výrobcov ako Helios, Vallox a Thesslagreen predstavujú vysokú kvalitu a každá z nich má svoje prednosti.

Účinnosť rekuperácie je závislá od zvoleného rekuperátora a celého systému. Na trhu sú už systémy s viac ako 70 % účinnosťou, čo znamená, že minimálne 70 % odvádzaného tepla sa vráti späť do priestoru s čerstvým vzduchom.

Filtre sú dôležitou súčasťou každého rekuperačného systému, pretože zvyšujú kvalitu privádzaného vzduchu a predlžujú životnosť celého systému vetrania. V každej rekuperačnej jednotke sú minimálne dva filtre. V sortimente sú tiež kompletné riešenia potrubných rozvodov vzduchu, vrátane systému ohybných plastových FlexPipe potrubí (vrátane oválnej verzie), pevných plochých potrubí (plechových aj plastových) a klasických vzduchotechnických spiro potrubí.

Zemný výmenník tepla (zemný register)

Zemný výmenník tepla, tiež nazývaný zemný kolektor alebo zemný register, je určený na predúpravu privádzaného čerstvého vzduchu do obytných budov. Jeho princíp je jednoduchý a využíva akumulačnú schopnosť pôdy. V hĺbke približne 2 metrov je teplota zeme celoročne konštantná, okolo 10 °C. Pretože teplota zeme sa mení pomalšie než teplota vzduchu, možno ju využiť na:

• Predhrievanie privádzaného vonkajšieho vzduchu v zime.
• Predchladenie privádzaného vonkajšieho vzduchu v lete.

Cez sací box sa nasáva vonkajší vzduch do zemného tepelného výmenníka vzduchu a behom prechodu vzduchu dochádza k výmene tepla medzi zeminou a prúdiacim vzduchom v potrubí.

Typy zemných výmenníkov tepla

Existujú dva základné varianty systému zemného výmenníka tepla:

1. Otvorený systém (vzduchový zemný výmenník): Vonkajší vzduch sa priamo vedie potrubím uloženým v zemi a až potom sa privádza do budovy a prechádza rekuperačnou jednotkou.
2. Uzavretý systém (kvapalinový zemný výmenník, „soľanka“): V tomto prípade sa vonkajší vzduch privádza do výmenníka tepla vzduch - kvapalina. Potrubím, ktorého väčšia časť prechádza zemou vodorovne ako zemný kolektor, prúdi kvapalina (zmes glykolu a vody), ktorá tu odoberá alebo odovzdáva teplo zo zeme. Pred vstupom do rekuperačnej jednotky vzduch prechádza cez tento kvapalinový výmenník. Zvyčajne sa dáva prednosť zemnému výmenníku tepla s uzavretým okruhom, pretože sa ľahšie inštaluje, je menej náchylný na poškodenie spôsobené sadaním zeme a zabraňuje potenciálnym problémom s množením mikróbov. Spoločnosť Helios má v ponuke obidva typy zemných výmenníkov.

Prínosy kombinácie rekuperácie a zemného výmenníka

Kombináciou rekuperačnej vetracej jednotky s vyváženým vetraním a zemným výmenníkom tepla získame vetranie, ktoré je energeticky úsporné aj vysoko komfortné. Vetranie moderných obytných budov s týmito technológiami zabezpečuje prívod čerstvého vzduchu tým najpohodlnejším a z hľadiska energie najúspornejším spôsobom.

V zime zemný výmenník tepla predohrieva studený vzduch, čo pomáha zníženiu nákladov na vykurovanie a zároveň slúži ako protimrazová ochrana vetracej jednotky, čím sa po celý rok zachováva rovnotlakové vyvážené vetranie. V letnom období sa horúci letný vzduch v zemi prirodzene schladí, čím sa znižuje letné prehrievanie domu.

Fungovanie vyváženého vetrania s rekuperáciou tepla a zemného výmenníka tepla je zrejmé z prevádzkových diagramov. V zime je potreba vykurovacej sústavy na ohriatie privádzaného čerstvého vzduchu na požadovanú teplotu veľmi nízka. To, čo sa ušetrí na vykurovaní v porovnaní so systémom bez spätného získavania tepla, je významné. V lete je teplota zeme nižšia ako teplota vonkajšieho vzduchu, dokonca nižšia ako vnútorná teplota. Vďaka zemnému výmenníku tepla je preto chladenie vonkajším vzduchom k dispozícii celé leto, čo zvyšuje úroveň komfortu v každej miestnosti domu.

V letnom období sa v určitých podmienkach automaticky otvorí obtok (bypass) a zabráni sa privádzaniu vzduchu s príliš vysokou teplotou. V tomto prípade prúdi čerstvý vzduch do miestnosti bez výmeny energie. Spoločne so správnymi tieniacimi prvkami v dome zabraňuje vetrací systém so zemným výmenníkom tepla aj nežiaducemu prehriatiu domu.

Riziká a potenciálne problémy vzduchového zemného registra

Aj keď zemný výmenník tepla znie jednoducho a logicky, skrýva v sebe aj potenciálne problémy. Najčastejšie diskutovaným problémom je hygiena, predovšetkým v lete. Do rúry sa vháňa teplý vlhký vzduch. Rúra je však na povrchu studená, preto sa na nej začne zrážať voda - kondenzát, a to v značných objemoch.

Je známe, že všade, kde vzniká kondenz a zhromažďuje sa voda (tmavé, vlhké prostredie s teplotou 16 °C - 25 °C), hrozí riziko vzniku a rastu rôznych plesní, baktérií a choroboplodných zárodkov. Inak skondenzovaná voda znečistí privádzaný vzduch hnilobným zápachom a vetracím systémom bude potom tento zápach rozvádzaný po celom objekte. Následkom toho môžu byť baktérie, ktoré nájdu v tomto prostredí optimálne podmienky pre svoj život a budú tak ďalším "obohatením" privádzaného vzduchu.

Vzduch, ktorý je v systéme riadeného vetrania považovaný za čistý, má potom v skutočnosti od čerstvého veľmi ďaleko, a zvlášť pre osoby citlivé na rôzne chronické ochorenia a alergie môže byť skutočnou pohromou. Táto situácia môže úplne znehodnotiť celý systém a vyvolať značné náklady na nápravu. Oprava býva spravidla veľmi nákladná (kompletná výmena potrubia pri už upravenom povrchu pozemku) alebo úplne nemožná v prípade pokládky pod základovou doskou objektu. Najčastejším riešením je potom odpojenie systému výmenníka.

Okrem hygienických rizík je tiež veľmi polemický samotný prínos zemného registra voči vstupnej investícii. Investor (a nie zriedkavo i projektant) sa problematikou zemných výmenníkov niekedy hlbšie nezaoberajú s predstavou, že stačí do výkopu položiť bežné kanalizačné potrubie, pri ktorých problém s choroboplodnými zárodkami určite nastane.

Ďalším rizikom je, že tesne nad povrchom zeme sa môže zdržovať vyššia koncentrácia nerozptýleného zemského radónu (prirodzený rádioaktívny plyn), preto je dôležité správne umiestnenie nasávacej rúry.

Minimalizácia problémov a správny návrh zemného výmenníka

Ako pri každom inom systéme, aj pri zemnom výmenníku je najdôležitejší práve správny návrh a použitie správneho materiálu. Ak sa rozhodnete pre zemný výmenník, tu sú základné tipy na minimalizáciu možných problémov:

• Materiál potrubia: Potrubie by malo byť vyrobené z materiálu s dobrou tepelnou vodivosťou (napr. polypropylén - PP) pre zabezpečenie dobrého tepelného prestupu. Kľúčová je antibakteriálna povrchová úprava potrubia. Bez tejto vlastnosti (odolnosti proti mikróbom) by sa systém zemného výmenníka vzduchu vôbec nemal budovať.
• Predfiltrácia nasávaného vzduchu: Je potrebná na odstránenie prachu, peľu a pachov pre optimálnu hygienu a sviežosť vzduchu. To je dôležité aj napriek tomu, že vetracie zariadenie je obvykle vybavené vlastnou filtračnou jednotkou.
• Odvod kondenzátu: Pri letnej prevádzke systému zemného výmenníka vzniká kondenzát. Je nevyhnutné počítať pri potrubnom vedení so spádom cca 2 % (alebo väčším, než sú minimálne odporúčania výrobcov) smerom k sifónu na odvod kondenzátu, prípadne ku kondenzačnej zbernej šachte. Bez správneho odvodu kondenzátu sa môže v potrubí tvoriť stojatá voda, ktorá vedie k hnilobnému zápachu a rastu baktérií.
• Geometria výmenníka: Zemný výmenník by mal byť priamočiary. Robievanie záhybov a oblúkov sa neodporúča kvôli problematickosti čistenia. Ak sa im nedá vyhnúť, treba v ohyboch zabezpečiť revízne otvory.
• Pravidelné mechanické čistenie: Čistenie je potrebné robiť mechanicky, nie iba prepláchnutím vodou. Postup môže zahŕňať pretiahnutie špongie v tvare gule namočenej v dezinfekčnom prostriedku (napr. SAVO) pomocou oceľového lanka cez celú rúru. Takéto čistenie sa odporúča minimálne raz, optimálne dvakrát ročne.
• Umiestnenie nasávacej rúry: Nasávaciu rúru vytiahnite vyššie nad terén, aby sa minimalizovalo riziko nasávania radónu.
• Vodotesnosť a plynotesnosť: Samozrejmosťou je zaistenie vodotesnosti a plynotesnosti potrubia výmenníka od jeho vstupu až po vyústenie do rekuperačnej jednotky.

Alternatíva k vzduchovému zemnému registru

Konštantnú teplotu zeme možno využiť aj prostredníctvom kvapalinového zemného výmenníka, takzvaná „soľanka“. Ide o okruh tvorený rúrkami zakopanými cca 2 m v zemi, cez ktoré prúdi nemrznúca zmes (podobný princíp ako pri tepelnom čerpadle zem - voda). Zem odovzdáva tejto zmesi teplo, ktoré sa prenáša do samostatného tepelného výmenníka. Tento systém je často preferovaný, pretože sa považuje za hygienicky bezpečnejší vďaka uzavretému okruhu.

Monitorovanie výkonu zemného výmenníka tepla: Prípadová štúdia

V meste Nijeveen (Holandsko) bolo monitorované vetranie obytného domu po celý rok. Počas tohto obdobia mal vetrací systém pevne nastavené množstvo čerstvého vzduchu 220 m³/h.

Popis systému: Zemný výmenník tepla s uzavretým okruhom pozostával z jednotky Zehnder ComfoFond-L (umiestnená vedľa rekuperačnej jednotky) a zo zemného kolektora. Zemný kolektor predstavovala polyetylénová rúrka s dĺžkou 100 m s vonkajším/vnútorným priemerom 25/17 mm. Kolektor bol umiestnený v hĺbke 1,20 m pod zemou a bol naplnený zmesou glykolu a vody. Rúrka kolektora vychádzala z jednotky v podkroví priamo dolu na podzemné podlažie, prechádzala okolo domu a na zadnom dvore vytvárala niekoľko slučiek. Hoci sa odporúča dodržiavať minimálny rozstup rúrok 60 cm, v tomto projekte bola ich vzdialenosť na niektorých úsekoch 30 cm.

Zemný výmenník tepla sa automaticky zapínal/vypínal čerpadlom v jednotke ComfoFond-L, ktoré pracovalo pri vonkajších teplotách nižších než 7 °C a vyšších než 16 °C. Čerstvý vzduch sa rozvádzal po dome kruhovým flexibilným potrubím do rôznych miestností. Vydýchaný vzduch sa z kuchyne, WC a kúpeľne vracal späť do rekuperačnej jednotky a až potom sa vypúšťal von.

Prietokové množstvá, teploty a nastavenia vetracieho systému sa zhromažďovali v intervale 1 minúta a následne sa počítali priemery za 1 hodinu. Tým sa získali štatistické výsledky za jún 2011 až august 2012.

Výsledky a analýza

Monitorovanie ukázalo výrazný tlmivý efekt zeme. V hĺbke 1,20 m teplota zeme kolísala medzi 5 a 16 °C, zatiaľ čo teploty vonkajšieho vzduchu sa pohybovali medzi -15 a +35 °C.

V prípade tohto vetracieho systému boli možné štyri stavy, ktoré záviseli od využitia rekuperácie tepla (RT) alebo zemného výmenníka tepla (ZVT):

• V chladnom období sa RT so ZVT využíva vždy, keď teplota vonkajšieho vzduchu klesne pod 7 °C (väčšinou v noci a počas chladných dní).
• V teplom období sa RT nepoužíva (otvorený bypass - privádzaný vzduch obteká výmenník tepla).
• Pri teplote vonkajšieho vzduchu o 16 °C vyššej, než je teplota zeme, sa čerstvý vzduch ešte ochladzuje (popoludnia a teplé noci).
• Zemný výmenník tepla sa nepoužíva pri vonkajších teplotách medzi 7 °C a 23 °C.

V tomto projekte s holandským miernym prímorským podnebím sa zemný výmenník tepla používal počas 55 % monitorovaného času. Efekt predhriatia a predchladenia zemným výmenníkom tepla bol evidentný. Pri vonkajších teplotách vyšších než 16 °C sa čerstvý vzduch v zemi predchladil. Optimálny výkon by sa dosiahol v prípade, že sa vzduch v zime predhreje na teplotu 5 °C (minimálna teplota zeme) a v lete sa predchladí na 16 °C (maximálna teplota zeme). V tomto projekte bola teplota vzduchu minimálne 0 °C a maximálne 21 °C.

Podrobná analýza ukázala, že výkon zemného výmenníka tepla by sa mohol zlepšiť vhodnejším umiestnením zemného kolektora. Kolektor by sa mal v zemi rovnomernejšie rozložiť a mal by sa dodržiavať minimálny rozstup medzi dvoma rúrkami, teda 60 cm.

Za rekuperačnou jednotkou sa teplota privádzaného čerstvého vzduchu zvýši, ak sa rekuperačná jednotka využíva. Aj v prípade, že sú vonkajšie teploty nižšie ako -13 °C, má čerstvý vzduch prúdiaci do obývaných miestností príjemných 17 °C. To odráža obrovskú kapacitu úspor energie, pretože potreba tepla na vetranie sa výrazne znižuje. Počas celého obdobia spätného získavania tepla bola nameraná priemerná účinnosť spätného získavania tepla 92 %.

Keď sa rekuperácia tepla nevyužíva, zemný výmenník tepla pomáha udržať nízku teplotu čerstvého vzduchu, aby bola prívodná teplota vždy nižšia než vnútorná. To znamená chladenie vonkajším vzduchom počas celého teplého obdobia, nielen v priebehu chladných letných nocí.

Energetický výkon vetracieho systému

Výkon vetracieho systému z energetického hľadiska je možné posúdiť pomocou faktora sezónnej účinnosti (SPF), ktorý sa vypočíta ako zisk energie delený spotrebou energie - tak v priebehu obdobia spätného získavania tepla, ako aj mimo neho.

• Úspory energie pri rekuperácii tepla sa počítajú s ohľadom na šetrenie na vykurovaní. Referenčná situácia je taká, že privádzaný čerstvý vzduch má rovnakú teplotu ako vonkajší vzduch. Táto úspora sa dosiahne využitím elektrickej energie ventilátorov rekuperačnej jednotky a čerpadla zemného výmenníka tepla ComfoFond-L v období, keď sa využíva rekuperácia tepla.
• Chladenie domu vonkajším vzduchom (s vypnutou rekuperáciou tepla) sa vypočíta pomocou rozdielu medzi teplotou vnútorného a privádzaného vzduchu a skutočným prietokovým množstvom. Takéto chladenie sa dosiahne využitím elektrickej energie ventilátorov rekuperačnej jednotky a čerpadla zemného výmenníka tepla ComfoFond-L mimo obdobia spätného získavania tepla.

Pri tejto monitorovanej inštalácii bola hodnota SPF počas a mimo obdobia spätného získavania tepla 7 a 2, čo bolo v porovnaní s predpokladanou hodnotou 17 a 8 dosť nízke. To bolo spôsobené tým, že ventilátory a čerpadlo odoberali viac energie.

Záver: Komfort a úspory v kombinácii

Kombináciou rekuperačnej vetracej jednotky s vyváženým vetraním a zemným výmenníkom tepla získame vetranie, ktoré je energeticky úsporné aj vysoko komfortné. V chladnom období zemný výmenník tepla s rekuperačnou jednotkou zaisťuje, že do miestnosti sa čistý čerstvý vzduch privádza stabilným a komfortným spôsobom s veľmi nízkou potrebou dokurovania počas vetrania. Po celé leto sa zemný výmenník tepla stará o chladenie vonkajším vzduchom, súčasne udržiava zaťaženie chladiaceho zariadenia domu na nízkej úrovni. Spoločne so správnymi tieniacimi prvkami v dome zabraňuje vetrací systém so zemným výmenníkom tepla aj nežiaducemu prehriatiu domu.

tags: #zemny #register #rekuperacia