Ocena energetyczna wentylacji z odzyskiem ciepła

Wiedza fachowa
Ocena energetyczna wentylacji
z odzyskiem ciepła
− energia cieplna i elektryczna
Wentylacja z odzyskiem ciepła z powietrza usuwanego zdobywa coraz większą popularność. Przyczynia się
do tego nie tylko rozwój technologiczny, lecz także rozwiązania prawne i zachęty ekonomiczne.
Wśród wymagań prawnych wymienić można np.
nowelizację Warunków Technicznych, w których obowiązek stosowania odzysku ciepła obejmuje instalacje
już od wydajności powyżej 500 m3/h. Duże nadzieje
wiązane były z uruchomieniem zachęty w postaci dopłat
do budynków energooszczędnych, miedzy innymi wyposażonych w urządzenie do odzysku ciepła z powietrza
usuwanego. Popularność tego typu rozwiązań skłania do
podjęcia oceny energetycznej całosezonowego funkcjonowania wentylacji z odzyskiem ciepła, czyli odpowiedzi
na pytanie jaką część energii cieplnej można zaoszczędzić i ewentualnie, o ile wzrośnie zapotrzebowanie na
energię elektryczną?
Oszczędności energetyczne stosowania
odzysku ciepła
35
30
30
25
25
20
20
15
Temperatura [°C]
Rys. 1. Parametry psychrometryczne
powietrza zewnętrznego typowego
roku meteorologicznego ISO dla
Warszawy przyjętego do analiz
energetycznych i symulacji przepływów powietrza
Temperatura [°C]
Założenia
Wykonano całosezonową symulację działania wentylacji z odzyskiem ciepła. Aby w pełni ocenić korzyści
energetyczne, porównano system wentylacji z odzyskiem ciepła z wentylacją mechaniczną wywiewną.
Wszystkie z możliwych parametrów utrzymano w obu
systemach na tym samym poziomie (ten sam strumień
powietrza, ta sama temperatura powietrza w pomieszczeniach). Pojawiają się jednak różnice np. w przypadku
wentylacji z odzyskiem ciepła, zarówno temperatura,
15
10
5
-5
10
5
0
0
2
4
6
8
10
-5
0
sty 30 mar 01 mar 30 kwi 30 maj 30 cze 29 lip 29 sie 28 wrz 27 paź 27 list 26 gru 26
-10
-15
-10
-20
-15
Czas
28
jak i czystość powietrza nawiewanego jest bardziej
komfortowa.
W obu przypadkach zrezygnowano z nagrzewnicy
powietrza nawiewanego − wymaganą temperaturę
powietrza w pomieszczeniu utrzymuje system ogrzewania zasilany z kotła gazowego. Oznacza to, że różnica
pomiędzy systemami dotyczy innego zapotrzebowania
na ciepło przez instalację ogrzewania oraz innego zapotrzebowania na energię elektryczną przez instalację
wentylacji. Oba systemy wentylacji spełniają wymagania
zawarte w obowiązujących warunkach technicznych oraz
normie dotyczącej wentylacji w budynkach mieszkalnych (PN-83/B-03430/Az3:2000, Wentylacja w budynkach
mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności
publicznej. Wymagania).
Obliczenia dla wariantu z wentylacją z odzyskiem
ciepła wykonano dla trzech najpopularniejszych rodzajów rekuperatorów:
■ wymiennik krzyżowy (sprawność 61%, moc wentylatorów 156 W, zabezpieczenie przed szronieniem
nagrzewnicą elektryczną powietrza nawiewanego
przed wymiennikiem),
■ wymiennik przeciwprądowy (sprawność 87%, moc
wentylatorów 75 W, zabezpieczenie przed szronieniem nagrzewnicą elektryczną powietrza nawiewanego przed wymiennikiem),
cyrkulacje 25 – styczeń 2015
Zawartość wilgoci [g/kg]
12
14
16
Wiedza fachowa
a)
b)
30
300
25
15
10
5
0 0
-5
2
4
6
8
10
12
14
16
Strumień powietrza [m3/h]
20
Temperatura [°C]
Rys. 2. Parametry psychrometryczne
powietrza wewnętrznego (a) oraz
przebieg zmienności strumienia
powietrza wentylacyjnego (b)
250
200
150
100
50
-10
0
-15
sty-01 sty-30 mar-02 kwi-01 maj-01 maj-31 cze-30 lip-30 sie-29 wrz-28 paz-28 lis-29 gru-27
-20
Zawartość wilgoci [g/kg]
Data
■ wymiennik obrotowy (sprawność 82%, moc wenty-
latorów 128 W, zabezpieczenie przed szronieniem
poprzez zmniejszenie sprawności odzysku ciepła).
Rekuperatory dobrane zostały do instalacji według
rzeczywistych informacji zamieszczonych w kartach katalogowych producentów.
W przypadku referencyjnego systemu wentylacji
mechanicznej wywiewnej moc wentylatora wynosi 48 W,
a nawiew powietrza realizowany jest przez nawiewniki
znajdujące się w ramach okiennych.
Do obliczeń wykorzystano jednorodzinny budynek
referencyjny NAPE jako przykład typowego współczesnego budynku jednorodzinnego w Polsce. Powierzchnia
budynku wynosi 149,8 m2, zamieszkuje go czteroosobowa rodzina. Budynek jest zasilany w ciepło z kotłowni
gazowej o sprawności 90%.
Obliczenia symulacyjne prowadzone były dwuetapowo – obliczenia strumieni powietrza oraz bilans cieplny
budynku.
Tabela. 1. Wyniki obliczeń dla poszczególnych wariantów odzysku ciepła
Składowa
zapotrzebowania na energię
Wentylacja
mechaniczna
wywiewna
13066
13066
13066
13066
Instalacja c.o.
(ogrzanie
powietrza)
8744
2878
59
2118
Wentylatory
1261
3934
1874
3353
Nagrzewnica
(szronienie)
0
116
1959
0
Razem
23072
19994
16959
18537
Symulacja strumieni powietrza wentylacyjnego została przeprowadzona w programie CONTAM w modelu
wielostrefowym (jedno pomieszczenie odpowiada jednej
strefie). Wyznaczone strumienie powietrza stanowią dane
wejściowe do obliczeń bilansu cieplnego. Obliczenia te
zostały wykonane zgodnie z PN-EN-ISO 13790, zmodyfikowaną metodą godzinową 6R1C, w układzie jednostrefowym (budynek stanowi jedną strefę).
4,0
4,0
Moc cieplna [kW]
5,0
Moc cieplna [kW]
5,0
Rys. 3. Przebieg zmienności
zapotrzebowania na energię cieplną
(a) i elektryczną (b) dla wentylacji
mechanicznej wywiewnej
3,0
2,0
1,0
1,0
0,0
0
720
1440
2160 2880
3600
4320
5040
5760
6480
7200
7920
8640
-20
-10
0,0
Czas [h]
0
10
20
30
40
30
40
Temperatura zewnętrzna [°C]
b) 1500
1500
1250
1250
Moc elektryczna [W]
1000
Moc elektryczna [W]
Odzysk ciepła
(wymiennik
obrotowy)
kWh/rok (energia pierwotna)
6,0
2,0
Odzysk ciepła
(wymiennik
przeciwprądowy)
Instalacja c.o.
(bez wentylacji)
a) 6,0
3,0
Odzysk ciepła
(wymiennik
krzyżowy)
750
500
1000
750
500
250
250
0
0
0
720
1440
2160 2880
3600
4320
Czas [h]
5040
5760
6480
7200
7920
8640
-20
-10
0
10
20
Temperatura zewnętrzna [°C]
www.cyrkulacje.pl
29
Wiedza fachowa
6,0
5,0
5,0
4,0
4,0
Moc cieplna [kW]
a) 6,0
Moc cieplna [kW]
Rys. 4. Przebieg zmienności
zapotrzebowania na energię cieplną
(a) i elektryczną (b) wentylacji
mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła (wymiennik
krzyżowy)
3,0
2,0
3,0
2,0
1,0
1,0
0,0
0,0
0
720
1440
2160
2880
3600
4320
5040
5760
6480
7200
7920
8640
-20
-10
Czas [h]
1500
1250
1250
1000
Moc elektryczna [W]
Moc elektryczna [W]
b) 1500
750
500
40
30
40
500
0
720
1440
2160 2880
3600
4320
5040
5760
6480
7200
7920
-20
8640
-10
Czas [h]
0
10
20
Temperatura zewnętrzna [°C]
Analizę zapotrzebowania na energię do ogrzewania budynku przeprowadzono dla danych meteorologicznych dla
Warszawy dostępnych na stronie internetowej Ministerstwa
Infrastruktury i Rozwoju na potrzeby obliczeń energetycznych budynków. Obliczenia przeprowadzono jedynie dla
okresu sezonu ogrzewczego. Założono początek i koniec
sezonu ogrzewczego wynikający z wartości temperatury
średnio dobowej przekraczającej 12°C − rys. 1.
Wyniki
W wyniku obliczeń uzyskano przebieg zmienności parametrów powietrza wewnętrznego, strumienie
powietrza oraz zapotrzebowanie na energię cieplną
i elektryczną. Wynikowe parametry psychrometryczne
powietrza wewnętrznego oraz strumień powietrza wentylacyjnego przedstawiono na wykresie 2.
6,0
5,0
5,0
4,0
4,0
Moc cieplna [kW]
a) 6,0
Moc cieplna [kW]
30
250
0
3,0
2,0
3,0
2,0
1,0
1,0
0,0
0,0
0
720
1440
2160 2880
3600
4320
5040
5760
6480
7200
7920
-20
8640
-10
Czas [h]
0
1250
1250
Moc elektryczna [W]
1500
1000
750
500
20
30
40
20
30
40
1000
750
500
250
0
10
Temperatura zewnętrzna [°C]
b) 1500
Moc elektryczna [W]
20
750
0
250
0
0
720
1440
2160 2880
3600
4320
5040
Czas [h]
30
10
1000
250
Rys. 5. Przebieg zmienności
zapotrzebowania na energię cieplną
(a) i elektryczną (b) dla wentylacji
mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła (wymiennik
przeciwprądowy)
0
Temperatura zewnętrzna [°C]
cyrkulacje 25 – styczeń 2015
5760
6480
7200
7920
8640
-20
-10
0
10
Temperatura zewnętrzna [°C]
Wiedza fachowa
5,0
5,0
4,0
4,0
Moc cieplna [kW]
6,0
Moc cieplna [kW]
a) 6,0
3,0
2,0
3,0
2,0
1,0
0,0
Rys. 6. Przebieg zmienności
zapotrzebowania na energię cieplną
(a) i elektryczną (b) dla wentylacji
mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła (wymiennik
obrotowy)
1,0
0
720
1440
2160
2880
3600
4320
5040
5760
6480
7200
7920
0,0
8640
-20
-10
0
Czas [h]
b) 1500
1500
1250
1250
Moc elektryczna [W]
1000
Moc elektryczna [W]
10
20
30
40
30
40
Temperatura zewnętrzna [°C]
750
500
1000
750
500
250
250
0
0
720
1440
2160 2880
3600
4320
5040
5760
6480
7200
7920
-20
8640
-10
Metoda obliczeń energetycznych umożliwiła rozdzielenie zapotrzebowania na energię na różne cele. Wyróżniono zapotrzebowanie na energię do ogrzewania (obliczoną
przy założeniu braku wentylacji w budynku i pokrywanej
z instalacji grzejników c.o.), energię potrzebną do ogrzania
powietrza wentylacyjnego (również pokrywanej z grzejników c.o.) oraz energii elektrycznej na potrzeby napędu
wentylatorów i zasilania nagrzewnicy zabezpieczającej
wymiennik przed szronieniem (jeśli wymiennik jest w takie
zabezpieczenie wyposażony). Wszystkie wartości wyrażono w energii pierwotnej stosując wskaźniki 1,2 dla energii
cieplnej i 3,0 dla energii elektrycznej.
Całoroczny przebieg zapotrzebowania na energię
cieplną oraz elektryczną przedstawiono na rys. od 3 do 6.
Podsumowanie
Zestawienie zapotrzebowania na energię pierwotną
wraz z wyszczególnieniem poszczególnych składowych
zilustrowano na rys. 7.
W analizowanym przypadku zmniejszenie zapotrzebowania na energię cieplną do ogrzewania wyniosło ok
30 do 38%. Jeśli jednak uwzględnimy dodatkowe zużycie
energii elektrycznej, to okaże się, że zmniejszenie zapotrzebowania na energię pierwotną wynosi tylko od 11%
do 20% w odniesieniu do całorocznego zużycia energii
cieplnej na ogrzewanie oraz elektrycznej do napędu
wentylatorów i zasilania nagrzewnicy zabezpieczającej
przed szronieniem.
Uogólniając, można stwierdzić, że w nowych budynkach spełniających obecne wymagania warunków
0
10
20
Temperatura zewnętrzna [°C]
Zapotrzebowanie na energię pierwotną [kWh/rok]
Czas [h]
0
25000
Nagrzewnica (szronienie)
Wentylatory
Instalacja c.o. (ogrzanie powietrza)
Instalacja c.o. (bez wentylacji)
20000
Rys. 7. Porównanie zapotrzebowania na energię pierwotną dla
różnych wariantów odzysku ciepła
15000
10000
5000
0
wentylacja
mechaniczna
wywiewna
wentylacja
z odzyskiem
ciepła (wymiennik
krzyżowy)
wentylacja
z odzyskiem ciepła
(wymiennik
przeciwprądowy)
wentylacja
z odzyskiem ciepła
(wymiennik
obrotowy)
technicznych duże znaczenia ma zapotrzebowanie na
energię do napędu wentylatorów, które może odpowiadać zapotrzebowaniu na ciepło do ogrzania powietrza
wentylacyjnego (licząc w energii pierwotnej). Ponadto,
należy unikać zabezpieczenia przed szronieniem w postaci nagrzewnicy elektrycznej, szczególnie w przypadku wymienników o sprawności temperaturowej
powyżej 70%.
Stosowanie wentylacji z odzyskiem ciepła może być
źródłem oszczędności energetycznych, ale nie jest to
słuszne w każdym przypadku i niekiedy oszczędności
energii cieplnej mogą nie zrekompensować dodatkowych nakładów na energię elektryczną.
Maciej Mijakowski
Politechnika Warszawska
Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa
www.cyrkulacje.pl
Tekst stanowi fragment
referatu wygłoszonego
na Forum
Wentylacja – Salon
Klimatyzacja 2014.
Pełna treść artykułu jest
dostępna w „Materiałach seminaryjnych
– 2014”.
Zamówienia
tel. 22 542 43 14 lub
wentylacja.org.pl/sklep
31