adów grzewczych i wentylacyjnych w budynkach niskoenergetycznych

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inŝ. Politechnika Poznańska Wydział Budownictwa i InŜynierii Środowiska Instytut InŜynierii Środowiska Rozwiązania zania układ adów grzewczych i wentylacyjnych w budynkach niskoenergetycznych Instalacje Poznań, kwiecień 2008 r.

2 Konieczny właściwy dobór systemu grzewczego i go. Cele: ograniczenie zuŝycia energii pierwotnej maksymalne wykorzystanie źródeł odnawialnych Nośnik ciepła: powietrze, woda (o moŝliwie niskiej temperaturze zasilania). 2

3 Cechy instalacji: elastyczność, mała bezwładność cieplna, ograniczenie strat ciepła w instalacji Układy mieszane dla budynków niskoenergetycznych: wentylacja, system ogrzewania statycznego. 3

4 Dobór systemów ogrzewania dla budynków niskoenergetycznych Klasa budynku Symbol ZuŜycie energii na cele ogrzewania [kwh/m 2 a] Moc grzejna [W/m 2 ] Stopień pokrycia potrzeb cieplnych przez systemy ogrzewania uzupełniająceg powietrznego o wodnego Budynek pasywny PH 15 ~10 0,95 1,00 0,00 0,05 Ultra niskoenergetyczny (~3 l) UNEH ,50 0,67 0,33 0,50 Niskoenergetyczny NEH ,25 0,33 0,66 0,75 4

5 Projektowanie instalacji j domu niskoenergetycznego obejmuje trzy etapy: Ustalenie ilości powietrza go, Rozwiązanie koncepcji rozdziału powietrza (rozmieszczenie i dobór otworów nawiewnych i wywiewnych), Dobór przekrojów kanałów wentylacyjnych, urządzeń przygotowania powietrza, (filtry, urządzenia do odzysku ciepła, wymienniki gruntowe, nagrzewnice itp.) oraz wentylatorów 5

6 Maksymalny zakres jednostkowej mocy grzejnej dla ogrzewania powietrznego 6

7 Ilość powietrza go ustala się w oparciu o bilanse czynników szkodliwych (zyski ciepła, wilgoci, ilości emitowanych zanieczyszczeń np. CO 2, biozanieczyszczenia), wymagania higieniczne lub normowe. Wymagane ilości powietrza usuwanego według norm niemieckich wynoszą: kuchnia 60 m 3 /h, łazienka 40 m 3 /h, WC 20 m 3 /h. 7

8 Według norm polskich: kuchnia z oknem zewnętrznym z kuchenką gazową 70 m 3 /h, kuchnia z oknem zewnętrznym z kuchenką elektryczną w mieszkaniu do 3 osób 30 m 3 /h, kuchnia z oknem zewnętrznym z kuchenką elektryczną w mieszkaniu dla więcej niŝ 3 osób 50 m 3 /h, łazienka 50 m 3 /h, WC 30 m 3 /h. 8

9 Wymagane ilości powietrza nawiewanego świeŝego ego doprowadzanego do pomieszczeń stałego przebywania ludzi wynoszą według norm niemieckich 30 m 3 /h os, według norm i warunków w technicznych polskich: dla pomieszczeń z otwieralnymi oknami i zakazem palenia, 20 m 3 /h os, dla pomieszczeń z otwieralnymi oknami i dozwolonym paleniem, 30 m 3 /h os, dla pomieszczeń z nie otwieralnymi oknami i zakazem palenia, 30 m 3 /h os, dla pomieszczeń z nie otwieralnymi oknami i dozwolonym paleniem 50 m 3 /h os, dla Ŝłobków i przedszkoli 15 m 3 /h os. 9

10 System wentylacji dla domu pasywnego typu Jangster de Lüx z obliczeniowymi strumieniami powietrza 10

11 Strefa nawiewu w domu mieszkalnym obejmuje z reguły pokoje dzienne, salony, sypialnie, pokoje do pracy, strefa przepływu przedpokoje, korytarze, klatki schodowe, natomiast strefa wyciągu - pomieszczenia wilgotne (łazienka, WC, kuchnia) i o znacznej emisji zanieczyszczeń (pokój osoby palącej). Wszystkie pomieszczenia obu stref: nawiewu i wywiewu powinny posiadać otwory wyrównawcze w przegrodach działowych umoŝliwiające przepływ powietrza ze strefy nawiewu do strefy wywiewu nawet przy zamkniętych drzwiach. Zapobiega to rozprzestrzenianiu się zapachów i zanieczyszczeń w budynkach. 11

12 Nawiew Pokój Korytarz Wywiew Łazienka, WC Rozdział powietrza w domu pasywnym 12

13 Przekrój mieszkalnego domu pasywnego 13

14 Rozprowadzenie przewodów nawiewnych i wywiewnych powinno być starannie zaplanowane i stanowić prosty zwarty układ o małej liczbie załamań i małych stra-tach ciśnienia. W przygotowaniu powietrza go stosuje się wysokoefektywny odzysk ciepła z powietrza go. W przypadku równych strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego i braku odzysku wilgoci sprawność temperaturowa odzysku ciepła określona jest wzorem: η t = t t p p t t 0 e = t t n p t t e e gdzie: t n temperatura powietrza nawiewanego [ C], t p temperatura w pomieszczeniu [ C], t o temperatura powietrza opuszczającego rekuperator [ C], t e temperatura powietrza zewnętrznego [ C]. 14

15 Dla budynku pasywnego wymagana jest efektywność odzysku ciepła przekraczająca 75%. Taką sprawność moŝna uzyskać przez zastosowanie duŝych wymienników przeciwprądowych lub wielorzędowych wymienników krzyŝowych. 15

16 rekuperator podwójny krzyŝowy η t = 65 80%, Rodzaje rekuperatorów stosowanych do odzysku ciepła i ich sprawności Przeciwprądowy KrzyŜowo-przeciwprądowy KrzyŜowy rekuperator przeciwprądowy η t = 75 95%, rekuperator krzyŝowo-przeciwprądowy η t = 70 85%, rekuperator krzyŝowy η t = 50 60%, 16

17 Dla ochrony przed zamarzaniem moŝna stosować wstępne podgrzewanie świeŝego powietrza do temperatury 0 C lub gruntowy wymiennik ciepła. Drugie rozwiązanie jest korzystniejsze, poniewaŝ pozwala na osiągnięcie dodatkowych oszczęd-ności energetycznych w procesie podgrzewania powietrza go oraz zapewnia naturalną klimatyzację. W instalacjach wentylacyjnych pasywnych domów mieszkalnych stosowane są najczęściej bezpośrednie gruntowe wymienniki powietrzne w postaci 1 do 5 równoległych przewodów o średnicy 200 mm i długości ok. 12 do 30 m kaŝdy, ułoŝonych na głębokości ok. 1,5 m poniŝej poziomu terenu, przez które przepływa wstępnie przefiltrowane świeŝe powietrze. 17

18 Układy standardowych gruntowych wymienników ciepła dla domu jednorodzinnego: źródło instrukcja PPH 18

19 Zima Lato Przykładowe warunki współpracy kontrolowanej wentylacji z gruntowym wymiennikiem ciepła : źródło Rehau 19

20 Przykład ułoŝenia wymiennika gruntowego Przykład instalacji gruntowego wymiennika ciepła z wodnym roztworem glikolu 20

21 tworzywo sztuczne PE 25/2 mm, długość kolektora 100 m Sposób połączenia instalacji gruntowego wymiennika ciepła z wodnym roztworem glikolu z instalacją budynku 21

22 W systemach wentylacji nawiewno-wywiewnej stosuje się kompaktowe centrale Centrala taka składa się z dwóch wentylatorów nawiewnego i wyciągowego, nagrzewnicy (wodnej lub elektrycznej), filtrów, rekuperacyjnego wymiennika do odzysku ciepła oraz niezbędnych urządzeń regulacyjno-sterujących. 22

23 Kompaktowa centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła Kompaktowa centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła i pompą ciepła 23

24 System wentylacyjny domu pasywnego z wymiennikiem gruntowym i centralą kompaktową 24

25 W większym budynku np.. mieszkalnym wielorodzinnym lub wielolokalowym moŝna zastosować: rozwiązania zdecentralizowane (w kaŝdym mieszkaniu znajduje się oddzielna centrala do przygotowania powietrza, wentylatory i tłumiki akustyczne), rozwiązania semicentralne (wspólna centrala, ale oddzielne wentylatory i tłumiki w mieszkaniach), rozwiązania centralne (wspólna centrala, wentylatory, regulacja przepływu oraz tłumiki lub wspólna centrala i wentylatory, ale regulacja przepływu i tłumiki w mieszkaniach). 25

26 a) urządzenia zdecentralizowane budownictwo wielorodzinne szeregowe lub jednorodzinne Urządzenia budynków wielolokalowych 26

27 b) urządzenia semicentralne zdecentralizowane wentylatory centrala wentylacyjna i wentylatory w lokalach Urządzenia budynków wielolokalowych 27

28 c) urządzenia centralne regulacja przepływu i tłumiki akustyczne regulacja przepływu i tłumiki akustyczne w lokalach centralne Urządzenia budynków wielolokalowych 28

29 Schemat systemu go budynku biurowego Thiepval 29

30 Stosowane źródła a ciepła i struktury układ adów grzewczych Najpopularniejszymi źródłami ciepła a na cele c.w.u. domów niskoenergetycznych są: s gazowe kotły kondensacyjne, pompy ciepła, w tym zwłaszcza urządzenia kompaktowe na cele ogrzewania, c.w.u i wentylacji, automatycznie zasilane kotły na paliwo odnawialne np. pelety. Wszystkie z tych źródeł mogą opcjonalnie współpracowa pracować z kolektorem słonecznym. s 30

31 Stosowane źródła a ciepła i struktury układ adów grzewczych I tak rozwiązaniami zaniami charakteryzującymi cymi się najwyŝszym współczynnikiem efektywności ekologicznej sąs kolejno: gazowy kocioł kondensacyjny współpracujący z kolektorem słonecznym, gazowy kocioł kondensacyjny, gazowy kocioł niskotemperaturowy. Pompy ciepła a i zautomatyzowane kotły y na pelety naleŝą do urządze dzeń o małym obciąŝ ąŝeniu dla środowiska, natomiast o stosunkowo wysokiej cenie. 31

32 Stosowane źródła a ciepła i struktury układ adów grzewczych Ocena układ adów w ogrzewania 32

33 Stosowane źródła a ciepła i struktury układ adów grzewczych W lokalach zastosowano zdecentralizowane instalacje nawiewno-wywiewne wywiewne zasilane poprzez mieszkaniowe centrale kompaktowe z odzyskiem ciepła. Jako źródło o ciepła a w układzie przygotowania c.w.u. i ogrzewania dodatkowego zastosowano kocioł na pelety współpracuj pracujący cy z zasobnikiem zasilanym dodatkowo przez kolektor słoneczny. s 33

34 Stosowane źródła a ciepła i struktury układ adów grzewczych a) instalacje dwufunkcyjne w lokalach b) instalacje jednofunkcyjne w lokalach Struktury układ adów w grzewczo-wentylacyjnych wentylacyjnych i c.w.u. wielokalowych budynków w pasywnych 34

35 Wykorzystanie energii słonecznej Dla obniŝenia zuŝycia energii pierwotnej przez budynki niskoenergetyczne istotne jest wykorzystanie aktywnych termicznych systemów słonecznych z kolektorami słonecznymi s oraz systemów w fotowoltaicznych. 35

36 Wykorzystanie energii słonecznej Płaski kolektor słoneczny: s źródło o Viessmann 36

37 Wykorzystanie energii słonecznej Rurowy kolektor próŝniowy standardowy: źródło o Viessmann 37

38 Wykorzystanie energii słonecznej Rurowy kolektor próŝniowy z rurką cieplną: źródło o Viessmann 38

39 Wykorzystanie energii słonecznej Sprawność kolektora zaleŝy y od cech konstrukcyjnych, a w szczególno lności właściwow ciwości przesłony przezroczystej i powłoki oki absorbera oraz izolacji termicznej i od warunków w eksploatacji. Dla kolektora moŝna zdefiniować dwa rodzaje sprawności: chwilową i długoterminowd ugoterminową.. Sprawność chwilowa jest to stosunek mocy cieplnej odbieranej z kolektora przez czynnik roboczy do iloczynu powierzchni kolektora i natęŝ ęŝenia całkowitego promieniowania słonecznego s padającego na tęt powierzchnię. Sprawność chwilowa kolektora wyraŝa a się wzorem: η= gdzie: η sprawność chwilowa, m& strumień masy czynnika roboczego, [kg/s], c p ciepło właściwe, [J/kg K], t 1 temperatura na wlocie do kolektora, [ C] t 2 temperatura na wylocie z kolektora, [ C] m& c p I c (t 2 A I c natęŝenie całkowite promieniowania słonecznego, [W/m 2 ], A k powierzchnia kolektora, [m 2 ]. k t 1 ) 39

40 Wykorzystanie energii słonecznej Sprawność kolektora moŝna określi lić z następuj pującej przybliŝonej zaleŝno ności: η=ατ u c (t I a c t o ) 40

41 Wykorzystanie energii słonecznej Zalecana powierzchnia kolektorów w w instalacjach słonecznych przygotowania c.w.u. Rodzaj domu Powierzchnia kolektorów w m 2 /os zapewniająca pokrycie potrzeb cieplnych energią słoneczną w: 60% 40 50% kolektor płaski kolektor próŝniowy rurowy kolektor płaski kolektor próŝniowy rurowy Dom 1 2 rodzinny 1,2 1,5 0,8 1,0 1,0 1,2 0,6 08 Dom wielorodzinny 0,8 1,1 0,6 0,8 0,6 0,8 0,4 0,8 41

42 Wykorzystanie energii słonecznej Krytyczne natęŝ ęŝenie promieniowania słonecznego s [W/m 2 ] I = β gr k 1 *(Tw1 Te ) η o k 1 zastępczy współczynnik strat ciepła, [W/(m 2 K)]; h o sprawność optyczna kolektora, [ ]; T w1 temperatura czynnika roboczego na wlocie do kolektora, [ C]; T e temperatura otoczenia, [ C]. 42

43 Wykorzystanie energii słonecznej a). kolektor płaski 350 [W/m 2 ] b) kolektor próŝniowy standardowy 350 [W/m 2 ] I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 0 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII c) kolektor próŝniowy z rurką ciepła 350 [W/m 2 ] I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Średnie natęŝenia promieniowania słonecznego dla poszczególnych miesięcy w porównaniu z wartościami krytycznymi 43

44 A Obieg grzewczy instalacji ogrzewania podłogowego KW Zimna woda RL Powrót B Kolektor słoneczny VL Zasilanie WW Ciepła woda uŝytkowa C Mieszacz 3-drogowy Schemat instalacji słonecznej s do podgrzewania c.w.u. i wspomagania ogrzewania z pompą ciepła: źródło o Viessmann 44

45 Wykorzystanie energii słonecznej Charakterystyka pokrycia potrzeb cieplnych na cele c.w.u. przez źródło o ciepła a współpracuj pracujące ce z kolektorem słonecznym Powierzchnia ogrzewania A EB [m 2 ] Stopień pokrycia potrzeb cieplnych kolektory słoneczne podstawowe źródła ciepła (kocioł, pompa ciepła) do 300 m 2 0,50 0,65 0,35 0, m 2 0,45 0,60 0,40 0,50 > 1000 m 2 0,30 0,50 0,50 0,70 45