Zemní výměník pro větrací systém budov

VÝPOČET VÝKONU ZEMNÍHO VÝMĚNÍKU - TEORIE A INFORMACE

Problematikou zemních výměníků (ZVT), nebo kolektorů, pro přívod větracího vzduchu se zabývá řada webových presentací. Tento prvek vzduchotechniky se v poslední době používá zejména v nízkoenergetické výstavbě obytných domů. Jeho použití v jiných aplikacích je samozřejmě také možné, ale ve většině případů je jeho použitelnost z mnoha důvodů velmi omezená.

Přestože princip zemního kolektoru je jednoduchý, tak jeho problematika je poměrně složitá. Základními tématy diskuze o použití výměníků tepla zem - vzduch je jejich materiálové provedení z hlediska montáže, těsnosti, čistitelnosti, hygieny provozu, jejich aplikovatelnost a výhodnost použití a zejména energetická úspornost. Uvedený výpočet je zaměřen na praktické a jednoduché určení výkonu zemního výměníku a jejím cílem nejsou další zmiňované aspekty. Protože výpočet zemního kolektoru má některé základní rysy podobné výpočtu tepelných izolací na vzduchotechnickém potrubí, tak použitý postup je založen na principu výpočtu uvedeném v jiné části webu.

Zadání výpočtu je rozděleno na tři oddíly. V první části se zadají podmínky uložení zemního kolektoru s cílem zjištění vlastností okolí (zeminy) a teploty okolí. Pomocí volby typu zeminy se do výpočtu vloží součinitel tepelné vodivosti a objemová tepelná kapacita. Dle různých zdrojů je vhodnější zeminou jílovitá půda, ale větší vliv na výkon výměníku má ve skutečnosti obsah vlhkosti. Čím vyšší vlhkost zeminy, tím je pro přenos energie výhodnější. Druhou volbou výpočtu je oblast, pomocí které se nastaví základní výpočtová teplota zeminy. Teplou oblastí jsou myšleny lokality umístěné například v nižších polohách s nadprůměrným slunečním svitem. Naopak studenou oblastí jsou místa s nižšími teplotami například hory, údolí, svahy orientované severně apod. Dalším výpočtovým parametrem je hloubka uložení trouby výměníku. Hloubka uložení má vliv na teplotu zeminy v okolí. Větší hloubky jsou z hlediska výkonu kolektoru vhodnější a běžně se používají hloubky 1,5-2,5 m. Na základě nastavení a zadání uvedených parametrů se vypočítá předpokládaná teplota zeminy. Pokud je teplota známa například měřením, tak je možné její přímé alternativní zadání, ale v tom případě nesmí být doplněna hodnota hloubky uložení.

V druhé části se zadají parametry potrubí. Volbou je možno vybrat materiál potrubí. Ve výběru nejsou zohledněny další požadavky, například hygienické, a jsou zde i materiály, které pro použití na zemní kolektor nejsou příliš vhodné. Dalším parametrem je průměr a délka kolektoru. Pro výpočet je také podstatným parametrem tloušťka stěny potrubí. Pro zjednodušení se ve výpočtu uvažuje tloušťka dle materiálu a průměru standardně vyráběných potrubí.

Třetí částí zadání jsou parametry nasávaného vzduchu, jeho teplota, relativní vlhkost a objemový průtok. Alternativně místo průtoku je možné zadat rychlost proudění. Velký vliv na výpočet má volba typu provozu. K dispozici jsou tři varianty. Základní variantou je přerušovaný provoz 25%, což znamená provoz cca 6 hodin / den. Tento provoz nemusí být v jednom bloku, ale může být přerušovaný, například 1,5 hodinu ráno a 4,5 hodin večer. Další variantou je 50% (12 hodin/den) a nepřerušovaný provoz. Z důvodů omezené kapacity akumulace zemního výměníku se nepřetržitý provoz příliš nehodí.

Výpočtem lze určit předpokládanou výstupní teplotu vzduchu z kolektoru, jeho výkon a účinnost. Dále je pro dané podmínky vypočítána tlaková ztráta třením bez započítání místních tlakových ztrát. Ty jsou závislé na dalších okolnostech technického řešení kolektoru a je možné je určit v jiné části výpočtů. Dále je pro zadané podmínky slovně vyhodnocena kondenzace. Je nutné zdůraznit, že vypočtené hodnoty jsou průměrnými pro daný typ provozu. Fyzikální proces zemního výměníku je nestacionární děj s neustále se měnícími vnějšími podmínkami, a proto i tepelný výkon výměníku nemá stabilní hodnotu, ale je proměnný.

Přestože technické provedení a řešení zemního výměníku je možné detailně připravit, tak vlivem umístění a dalších zejména provozních podmínek je každé řešení originální. Z tohoto důvodu je přesný výpočet prakticky nemožný. V dnešní době lze situaci zemního výměníku modelovat pomocí dynamického výpočetního systému, ale přesnost výsledků je závislá na přesnosti vstupních dat a okrajových podmínek.

Výpočet výměníku uvedený výše je proveden za použití standardních vztahů uvedených v odborné literatuře. Při výpočtu je provedena řada zjednodušení, zejména v určení okrajových podmínek. Výpočet kondenzace je proveden pouze pro stanovení podmínek vzniku kondenzátu, ale s kondenzací není uvažováno při výpočtu výkonu a teploty vystupujícího vzduchu. Výsledkem jsou předpokládané průměrné hodnoty při určitém typu provozu zemního registru. Shoda výpočtu s realitou je podmíněna zejména shodou předpokládaných výpočtových podmínek a parametrů s reálným řešením. Ve formuláři je uvažováno s podmínkami v oblasti ČR, a proto závěry nejsou aplikovatelné pro odlišné oblasti.

Výhodou výpočtu je rychlé porovnání různých variant, z kterých je patrný vliv různých parametrů. Například průměr použité trouby kolektoru je zásadním parametrem. V praxi se používají nejčastěji trouby 200 mm a to z důvodů použití pro průtoky běžné ve výstavbě rodinných domů. Z hlediska přenosu energie jsou však vhodnější menší průměry. Naopak při použití větších průměrů již účinnost při srovnatelné délce a rychlosti proudění klesá, a proto použití zemních výměníku je obvykle výhodné pouze u malých aplikací.