PRACA ZINTEGROWANEGO UKŁADU GRZEWCZO

Budynek energooszczędny, budynek pasywny,
układ zintegrowany grzewczo- chłodzący
Grzegorz KRZYŻANIAK*
PRACA ZINTEGROWANEGO UKŁADU GRZEWCZOCHŁODZĄCEGO 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 m2, a kubatura 418,5 m3.
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 QH,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 ηOC = 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.