Budynek energooszczędny, budynek pasywny, układ zintegrowany grzewczo- chłodzący Grzegorz KRZYŻANIAK* PRACA ZINTEGROWANEGO UKŁADU GRZEWCZO- CHŁODZĄCEGO W BUDYNKU ENERGOOSZCZĘDNYM I PASYWNYM Przedmiotem analizy obliczeniowej jest budynek jednorodzinny w standardzie energooszczędnym i pasywnym w którym zapotrzebowanie ciepła pokrywa zintegrowany układ grzewczochłodzący. W oparciu o średnie miesięczne temperatury zewnętrzne ustalono na drodze symulacji obliczeniowej udziały w pokryciu zapotrzebowania ciepła poszczególnych urządzeń układu. Określono tryby pracy gruntowego wymiennika ciepła, rekuperatora i pompy ciepła. 1. WPROWADZENIE Konieczność ograniczania zużycia energii na pokrycie zapotrzebowania na cele ogrzewania, podgrzewania ciepłej wody oraz chłodzenia zmusza inwestorów do poszukiwania nowych sposobów jej oszczędności. Celem prowadzącym do tego jest m.in. budownictwo energooszczędne i pasywne, ze stosowanymi w nich coraz częściej zintegrowanymi układami grzewczo-chłodzącymi o różnej strukturze, wymagającymi odpowiedniego sterowania i eksploatacji. W oparciu o średnie miesięczne temperatury zewnętrzne ustalono na podstawie analizy obliczeniowej udziały poszczególnych urządzeń wchodzących w skład zintegrowanego układu grzewczochłodzącego w pokryciu zapotrzebowania ciepła dla budynku jednorodzinnego. Określono najbardziej korzystne tryby pracy gruntowego wymiennika ciepła, rekuperatora i pompy ciepła. * Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Piotrowo 3a, 60-965 Poznań
2. CHARAKTERYSTYKA INSTALACJI W ANALIZOWANYM BUDYNKU Przedmiotem analizy była praca zintegrowanego układu grzewczo-chłodzącego w tym samym budynku, najpierw o standardzie energooszczędnym, a później o standardzie pasywnym. Budynek dwukondygnacyjny (rys. 1) z użytkowym poddaszem jest zlokalizowany w II strefie klimatycznej i zamieszkuje w nim 4-osobowa rodzina. Powierzchnia ogrzewana netto wynosi 211,6 m 2, a kubatura 418,5 m 3. W przypadku zmiany standardu budynku z energooszczędnego na pasywny powierzchnia użytkowa oraz kubatura nie ulegną zmianie, gdyż zakładana termomodernizacja obejmowała tylko zwiększenie grubości warstwy styropianu po zewnętrznej stronie przegrody oraz wymianę stolarki okiennej i drzwiowej. W budynku o standardzie energooszczędnym zastosowano instalację grzewczo chłodzącą (rys. 2) składającą się z gruntowego wymiennika ciepła (GWC) [4], krzyżowego wymiennika ciepła [3] oraz rewersyjnej pompy ciepła [2]. Pompa ciepła jest połączona z zasobnikiem buforowym i pełni funkcję ogrzewania, chłodzenia oraz podgrzewania c.w.u. Po zmianie standardu budynku z energooszczędnego na pasywny w obliczeniach zmniejszono średnicę zewnętrzną rur wymiennika i zastosowano mniejszy wymiennik krzyżowy. 3. MIESIĘCZNE ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ UŻYTKOWĄ DO OGRZEWANIA I WENTYLACJI Miesięczne zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji Q H,nd dla budynku energooszczędnego i pasywnego obliczono wg metodologii w Rozporządzeniu [1], a wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 3 dla standardu energooszczędnego i rys. 4. dla standardu pasywnego. 4. TRYBY PRACY INSTALACJI GRZEWCZO CHŁODZĄCEJ Analizę pracy instalacji grzewczo chłodzącej w odniesieniu do zapotrzebowania wykonano dla okresu całego roku, w okresie od stycznia do grudnia. W instalacji w zależności od miesiąca powietrze zewnętrzne przepływa albo przez wszystkie elementy układu instalacji, albo z pominięciem gruntowego wymiennika ciepła, jak również z wyłączeniem przepływu powietrza przez krzyżowy wymiennik ciepła przy zastosowaniu letniego obejścia.
Rys.1. Aksonometryczny rzut budynku od strony południowo wschodniej Fig. 1. South-east axonometric view of building Rys. 2. Schemat instalacji w budynku energooszczędnym i pasywnym Fig. 2. Low energy and passive house systems Oznaczenia do rys.2: CT czerpnia terenowa, CŚ czerpnia ścienna, F filtr powietrza zewnętrznego, N nagrzewnica, OC odzysk ciepła, P1 pompa obiegowa kolektora gruntowego, P2 pompa obiegowa układu grzewczego, PR parownik, SK skraplacz, SP sprężarka, ZR zawory rozprężne, ZCWU zasobnik c.w.u., T1 temperatura za gruntowym wymiennikiem ciepła, T2 temperatura za krzyżowym wymiennikiem ciepła, TP temperatura w pomieszczeniu, TN temperatura nawiewu, TZ temperatura zewnętrzna, WN wentylator nawiewny, WW wentylator wywiewny. Rys. 3. Zestawienie zapotrzebowania na energię użytkową na ogrzewanie, strat i zysków ciepła w poszczególnych miesiącach w budynku energooszczędnym Fig. 3. Monthly energy demand for heating, heat losses and heat gains in low energy building Rys. 4. Zestawienie zapotrzebowania na energię użytkową na ogrzewanie, strat i zysków ciepła w poszczególnych miesiącach w budynku pasywnym. Fig. 4. Monthly energy demand for heating, heat losses and heat gains in passive house
Budynek energooszczędny Okres, w którym pracują wszystkie urządzenia, tj. GWC, rekuperator oraz pompa ciepła obejmuje miesiące od października do marca. W kwietniu, maju oraz we wrześniu powietrze nawiewane przepływa przez rekuperator, pompę ciepła, natomiast nie przepływa przez wymiennik gruntowy. Wpływ na to ma temperatura gruntu, która jest niższa od temperatury powietrza zewnętrznego, a co za tym idzie powoduje jego wychłodzenie, podczas gdy wymagane jest jego podgrzanie. Czerwiec, lipiec oraz sierpień są miesiącami, w których instalacja pracuje w trybie chłodzenia, zatem powietrze zewnętrzne przepływa przez gruntowy wymiennik ciepła oraz pompę ciepła, natomiast omija rekuperator poprzez obejście letnie, tzw. bypass. Moce cieplne uzyskiwane w wyniku symulacji pracy poszczególnych elementów zintegrowanego układu grzewczo-chłodzącego przedstawiono na rys. 5, a temperatury zewnętrzne, nawiewu oraz w pomieszczeniu w ciągu roku na rys. 6. Rys. 5. Udział GWC, rekuperatora oraz pompy ciepła w strumieniu ciepła nawiewanego w budynku energooszczędnym Fig. 5. Shares of ground heat exchanger, recuperator and heat pump in heat supplied to the building Rys. 6. Porównanie temperatur powietrza zewnętrznego, w pomieszczeniach oraz nawiewu w budynku energooszczędnym Fig. 6. Comparison of outside air temperature, room temperature and inflow air temperature for low energy building Budynek pasywny Instalacja w budynku pasywnym pracuje podobnie jak w budynku energooszczędnym. Okresem pracy wszystkich elementów instalacji jest okres od października do marca. W kwietniu, maju oraz we wrześniu powietrze zewnętrzne pobierane jest przez czerpnię znajdującą się za GWC, gdyż jego temperatura w tych miesiącach jest wyższa od temperatury gruntu. W czerwcu, lipcu oraz sierpniu pompa ciepła przechodzi w tryb
chłodzenia, a powietrze jest schładzane w GWC. W tym okresie strumień powietrza omija rekuperator poprzez obejście letnie. Moce cieplne uzyskiwane w wyniku symulacji pracy poszczególnych elementów zintegrowanego układu grzewczo-chłodzącego przedstawiono na rys. 7, a temperatury zewnętrzne, nawiewu oraz w pomieszczeniu w ciągu roku na rys. 8. Rys. 7. Udział GWC, rekuperatora oraz pompy ciepła w strumieniu ciepła nawiewanego w budynku pasywnym Fig. 7. Shares of ground heat exchanger, recuperator and heat pump in heat supplied to the passive house Rys. 8. Porównanie temperatur powietrza zewnętrznego, w pomieszczeniach oraz nawiewu w budynku pasywnym [2] Fig. 8. Comparison of outside air temperature, room temperature and inflow air temperature for passive house 5. PODSUMOWANIE Praca gruntowego wymiennika ciepła znajdującego się na początku układu podczas okresu zimowego pozwala na podgrzanie powietrza nawiewanego o kilka stopni, natomiast podczas upalnego lata obniża jego temperaturę nawet o ponad 10 K. Następstwem tego jest wyraźne obniżenie mocy cieplnej pozostałych urządzeń, co wiąże się ze zmniejszeniem kosztów eksploatacyjnych. Największą moc GWC osiąga w lipcu podczas chłodzenia i wynosi ona 1,69 kw w budynku energooszczędnym oraz 1,37 kw w budynku pasywnym. W pierwszym przypadku rury gruntowego wymiennika ciepła mają większą średnicę, co się wiąże z większą powierzchnią wymiany ciepła. W obydwu budynkach GWC wykorzystywane jest przez 9 miesięcy w ciągu roku, co dodatkowo potwierdza słuszność jego stosowania. W okresie grzewczym wymiennik krzyżowy i pompa ciepła pracują przy zbliżonych mocach cieplnych. Nieznacznie większy udział w pokryciu zapotrzebowania na
ciepło ma pompa ciepła. Może to być spowodowane założoną sprawnością odzysku ciepła wynoszącą η OC = 80%, która w rzeczywistości może osiągnąć jeszcze większą wartość. Pompa ciepła w obydwu budynkach pracuje przez cały rok, a największą moc uzyskuje w lutym i wynosi ona 3,07 kw w obiekcie energooszczędnym oraz 1,88 kw w obiekcie pasywnym. Praca zintegrowanego układu grzewczo-chłodzącego jest ściśle uzależniona od warunków zewnętrznych. Duży wpływ na zużycie energii w układzie ma wymiennik gruntowy, który podwyższając w sezonie grzewczym temperaturę powietrza na wejściu do wymiennika krzyżowego i obniżając ją w okresie chłodzenia wyraźnie podwyższa efektywność całego układu. LITERATURA [1]. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej [2]. www.ochsner.pl [3]. www.pro-vent.pl [4]. www.rehau.pl SUMMARY Operation of integrated heating and cooling system in low energy and passive building Calculation are carried out for one-family-house with integrated heating and cooling system. On a base on monthly average air temperatures the participation of system elements in energy demand were calculated. Operation regimes of ground heat exchanger, recuperater and heat pump were obtained.