Дослідження ефективності роботи грунтового теплообмінника для системи контрольованої вентиляції житлових приміщень в однородинному будинку с.Олександрія Рівненської області

Abstract

У сучасному будівництві енергоефективних будівель дедалі більшої популярності набувають технології, які дозволяють скоротити споживання енергії покращуючи тим самим комфортні умови мікроклімату для мешканців. Однією з таких технологій є застосування ґрунтових повітряних трубних теплообмінників, які функціонують як пасивні елементи системи контрольованої вентиляції в системах з рекуперацією тепла. У даній магістерській кваліфікаційній роботі розраховані системи грунтових повітряних теплообмінників для системи припливно-витяжної вентиляції повітря з рекуперацією тепла. Об’єкт дослідження – однородинний житловий будинок у с. Олександрія Рівненської області. Предмет дослідження – грунтовий повітряний теплообмінник виконаний у двох конфігураціях: за схемою змійовика та за схемою Тихельмана. Мета дослідження – визначення оптимальної температури повітря від грунтового повітряного теплообмінника, який виконаний двома схемами прокладання в грунті у залежності від глибини. Визначення показників енергоефективності грунтового теплообмінника для сталого об’єму припливного повітря у кількості 1360 м3/год, шляхом моделювання зміни глибини вкладання грунтового теплообмінника, діаметру труб і його довжини з використанням програмного продукту REHAU-GAHE. Енергоефективність вентиляції суттєво впливає на витрати будівлі. Перспективне рішення для їхнього зменшення — використання ґрунтового повітряного трубного теплообмінника в системі припливно-витяжної вентиляції з рекуперацією тепла. Ґрунтовий повітряний теплообмінник являє собою систему труб, прокладених у ґрунті на глибині від 1,5 до 3,5 метрів, по яких проходить зовнішнє припливне повітря. Завдяки сталості температури ґрунту на цих глибинах протягом року [1], повітря, що проходить трубопроводом, у зимовий період підігрівається, а в літній – охолоджується. Це дозволяє значно знизити енергетичне навантаження на механічні елементи системи вентиляції (зокрема, нагрівачі та охолоджувачі), зменшити ризик обмерзання теплообмінника в рекуператорі, а також покращити загальну термічну динаміку мікроклімату всередині будівлі [2]. В умовах помірного клімату України, зокрема в Рівненській області, де проводилось моделювання, ґрунтові повітряні теплообмінники здатні забезпечити стабільний попередній нагрів повітря з високими показниками енергоефективності. У рамках цієї кваліфікаційної роботи, було змодельовано роботу грунтового повітряного теплообмінника при різних схемах прокладання труб та різних глибинах (1,5–3,5 м) за допомогою спеціалізованого програмного продукту, який дозволяє розрахувати показники енергоефективності в реальних кліматичних умовах. Метою дослідження було визначення оптимальної температури припливного повітря на виході з теплообмінника перед подаванням до вентиляційної установки з рекуперацією тепла, яка використовується для забезпечення комфортного мікроклімату в житловому будинку і мінімізації витрат традиційної енергії для нагріву чи охолодження повітря. Визначалися також кількісні показники тепла і холоду, які може забезпечити теплообмінник протягом року, а також коефіцієнти ефективності залежно від конструктивної схеми, довжини трубопроводу та глибини його прокладання. Результати дослідження показали, що ґрунтовий теплообмінник здатен суттєво зменшити потребу в нагріванні припливного повітря взимку — на 10–15?°C, а влітку знижувати його температуру на 6–10?°C. Це зменшує навантаження на кондиціонування [3] та покращує ефективність роботи вентиляції у однородинних будинках. Моделювання довело, що впровадження таких теплообмінників підвищує енергоефективність, стабільність параметрів повітря, надійність і комфорт проживання. Системи відповідають вимогам сталого будівництва й підходять як для нових будівель, так і для реконструкції існуючих [4].In modern construction of energy-efficient buildings, technologies that allow reducing energy consumption, thereby improving the comfortable microclimate conditions for residents, are becoming increasingly popular. One of such technologies is the use of ground air tube heat exchangers, which function as passive elements of a controlled ventilation system in systems with heat recovery. In this master's qualification work, ground air heat exchanger systems are designed for a supply and exhaust air ventilation system with heat recovery. The object of the study is a single-family residential building in the village of Oleksandriya, Rivne region. The subject of the study is a ground air heat exchanger made in two configurations: according to the coil scheme and according to the Tichelman scheme. The purpose of the study is to determine the optimal air temperature from the ground air heat exchanger, which is made by two schemes of laying in the ground depending on the depth. Determination of energy efficiency indicators of a ground heat exchanger for a constant supply air volume of 1360 m3/h, by modeling changes in the depth of the ground heat exchanger, pipe diameter and its length using the REHAU-GAHE software product. The energy efficiency of ventilation significantly affects the costs of a building. A promising solution for their reduction is the use of a ground air pipe heat exchanger in a supply and exhaust ventilation system with heat recovery. A ground air heat exchanger is a system of pipes laid in the ground at a depth of 1.5 to 3.5 meters, through which external supply air passes. Due to the constancy of the soil temperature at these depths throughout the year [1], the air passing through the pipeline is heated in winter and cooled in summer. This allows to significantly reduce the energy load on the mechanical elements of the ventilation system (in particular, heaters and coolers), reduce the risk of icing of the heat exchanger in the recuperator, and also improve the overall thermal dynamics of the microclimate inside the building [2]. In the conditions of the temperate climate of Ukraine, in particular in the Rivne region, where the modeling was carried out, ground air heat exchangers are able to provide stable preheating of air with high energy efficiency indicators. As part of this qualification work, the operation of the ground air heat exchanger was simulated with different pipe laying schemes and different depths (1.5–3.5 m) using a specialized software product that allows calculating energy efficiency indicators in real climatic conditions. The aim of the study was to determine the optimum temperature of the supply air at the outlet of the heat exchanger before feeding it to the ventilation unit with heat recovery, which is used to ensure a comfortable microclimate in a residential building and minimize the cost of traditional energy for heating or cooling the air. The quantitative indicators of heat and cold that the heat exchanger can provide during the year, as well as efficiency coefficients depending on the design scheme, pipeline length and depth of its installation, were also determined. The results of the study showed that the ground heat exchanger is able to significantly reduce the need for heating the supply air in winter by 10–15°C, and in summer to reduce its temperature by 6–10°C. This reduces the load on air conditioning [3] and improves the efficiency of ventilation in single-family houses. The modeling proved that the implementation of such heat exchangers increases energy efficiency, stability of air parameters, reliability and comfort of living. The systems meet the requirements of sustainable construction and are suitable for both new buildings and renovation of existing ones [4].