Svježi zrak u stambenom prostoru
Zadatak ventilacije je da osigura opskrbu kisikom, zatim neophodno odvođenje vlage, kao i eliminacija neželjenih primjesa u zraku u boravišnim prostorima. To rješavamo izmjenom istrošenog zraka iz prostorija sa svježim zrakom iz okoliša.
Svježi zrak u stanovima opterećen je vlagom i mirisima uslijed prisutnosti ljudi i njihovih aktivnosti. Izvori vlage su u prvom redu priprema hrane i čišćenje, zatim sušilice rublja te emisija topline ljudi i biljaka. U normalno korištenom stanu u kojem boravi 3 do 4 osobe, dnevno prosječno isparava od 6 do 10 litara vode.Uobičajeno je da se u stambenom prostoru prihvatljivom smatra relativna vlažnost zraka od 40 do 60% pri sobnoj temperaturi od 20oC. Tek kod smanjenja vlažnosti od oko 20% dolazi do sušenja nosne sluznice, nadražaja očiju i slično. Prekomjerna vlažnost zraka dovodi do stvaranja plijesni i gljivica.
Kako bi mogli postići standard pasivne kuće (potrošnje manje od 15 kWh/m2), na objektu je potrebno osigurati kontroliranu ventilaciju zraka bez otvaranja prozora. Ventilacija je nešto što nam je nužno potrebno, a s druge strane, vrući zrak ljeti te hladan zrak zimi su nešto što ne odgovara našoj slici fizike objekta. Temperatura zraka pri kojoj trošimo najmanje energije je u rasponu od 5-25oC.
Zračno-zemni kolektor
Jedan od načina postizanja navedene temperature je da zrak prije ulaska u objekt provedemo cijevnim sustavom kroz zemlju, koristeći geotermički površinske slojeve tla, čime značajno doprinosimo štednji energije. Zemlja (tlo) je akumulator solarne energije koji zimi naš objekt može opskrbljivati toplinom, a ljeti možemo postizati temperature osjetno niže od temperature okolnog zraka. U tlo je potrebno postaviti horizontalni sustav cijevi kroz koji ćemo dovoditi okolni zrak do objekta, ljeti ga hladiti, a zimi grijati, pri čemu u slučaju grijanja možemo postići razliku temperature do 20K, a u slučaju hlađenja do 12K. Osim što smo dobili tehnički ekonomično rješenje, značajno doprinosimo i zaštiti klime uštedom emisija ugljičnog dioksida (CO2).
Način funkcioniranja
Kao standardna oprema svake pasivne kuće, trebalo bi biti i mehaničko postrojenje za prozračivanje objekta. Riječ je o rekuperatoru zraka, uređaju koji iz okoliša uzima svježi zrak, raspoređuje ga po prostorijama, a ujedno iz prostorija uzima istrošeni zrak te ga odvodi iz objekta i vraća ga u atmosferu. Pri tom, taj istrošeni zrak koristi za dogrijavanje svježeg, ulaznog zraka zimi.
Istrošeni zrak “izvlačimo” naravno iz prostorija gdje ga ima najviše (WC, kupaonica, kuhinja), a svježi zrak “ubacujemo” u sobe (spavaće, dnevne) i blagovaonice. Cirkulacija zraka unutar kuće (objekta) vrši se na način da pri dnu vrata ostavimo prorez ili podrežemo vrata za 1 cm, kako bi zrak mogao prolaziti iz prostorije u prostoriju.
Rekuperator ćemo koristiti kao pogon za naš zračno-zemni kolektor, kojim ćemo zrak dovesti u njega, omogućiti ćemo mu temperaturu zraka na kojoj ne postoji mogućnost smrzavanja tako da u potpunosti registri za predgrijavanje ili drugi uređaji za otapanje postaju suvišni. Ujedno, zahvaljujući ulaznim filterima zraka, zrak ćemo osloboditi od raznih peludi i nečistoća, te ćemo ventilaciju objekta učiniti zahvalnijom za alergičare, s tim da kod toga moramo paziti na odabir filtera, jer je gustoća filtera proporcionalna padu tlaka i brzini strujanja kroz cjevovod, što je vidljivo iz priloženog dijagrama.
Materijal cijevi
Kao materijal cijevi za zračno-zemni izmjenjivač topline možemo koristiti materijale koje odlikuje dovoljna otpornost na utjecaje tla, te na one koji garantiraju dovoljnu nepropusnost. Nadalje, materijal mora biti neotrovan, te otporan na koroziju. Stijenke cijevi s unutrašnje strane moraju biti glatke, ne smiju upijati prašinu niti imati higroskopna svojstva. Odlučujući faktor za izbor cijevi je kvalitetan prolaz topline jer je najslabiji član kod tog procesa transporta topline koeficijent prijelaza topline na strani zraka. Polietilenske cijevi najbolje ispunjavaju navedene zahtjeve za zračno-zemne izmjenjivače topline. Zbog glatke unutarnje površine osigurano je glatko protjecanje kondenzata. Preporuča se spajanje cijevi zavarivanjem elektro-spojnicama, čime se postiže apsolutna nepropusnost uključivši i nepropusnost na plin radon, radioaktivni plemeniti plin koji se pojavljuje kao nusproizvod raspadanja prirodnog elementa radija u gotovo svim tlima. Njegova koncentracija ovisi o vrsti materijala i sastavu tla. Najveća je u granitu i vulkanskom kamenju, otvrdloj lavi i bazaltu. Među vapnencima mu je daleko manja, tek desetinu ili stotinu od one u granitu. Glavna opasnost ne dolazi od samog radona, jer je on kemijski neutralan i ne otapa se u tkivu, već od tvari koje nastaju njegovim raspadanjem.
Dubina polaganja cijevi
Zrak se u zračno-zemnom izmjenjivaču uvijek može zagrijati preko točke smrzavanja. Dobitkom energije iz zračno-zemnog izmjenjivača topline u uređajima za prozračivanje s ponovnim dobivanjem topline može se izbjeći smrzavanje zimi. Kod dubine postavljanja od 1,5 m nije potreban registar za predgrijavanje. Veće dubine su doduše energetski povoljnije, ali zbog troškova zemljanih radova često nisu preporučljive. Kod mogućih prometnih opterećenja preko položenog cjevovoda, potrebno je te detalje posebno razraditi kako naknadno ne bi bilo problema.
Dimenzija cijevi
Projektiranje zračno-zemnog izmjenjivača topline ovisi o raznim parametrima, te je riječ o kompleksnom zadatku. U prvom redu, u većini slučajeva, parametri tla nisu nam dovoljno poznati, no za manje uređaje do 500 m3/h, dovoljno je približno projektiranje.
Kod projektiranja dimenzija cijevi, bitna nam je količina strujanja volumena zraka te njegova izlazna temperatura iz zračno-zemnog izmjenjivača, odnosno na njegovom ulazu u rekuperator zraka. Strujanje volumena zraka dobiva se iz prostornog volumena objekta koji želimo prozračivati i udjela izmjene zraka po satu. Projektant na ovom mjestu ulazi u dilemu. Naime, s građevinskog stanovišta potrebne količine izmjene zraka po satu za prozračivanje pasivne kuće dovoljno je 0,3 do 0,5 izmjena po satu. Međutim ta količina izmjene zraka nije dovoljna za normalno funkcioniranje stanovnika u objektu, što ćemo pokazati na konkretnom primjeru.
Za primjer ćemo uzeti roditeljsku sobu prosječne površine od 16 m2, visine 2,5 m, pa u proračun ulazimo s ulaznim podatkom od 40 m3. Ukoliko računamo izmjenu zraka koja je dovoljna za prozračivanje pasivne kuće (0,5 izmjena po satu), tada nam je dovoljna količina zraka za tu roditeljsku sobu, 20 m3 na sat. S druge strane, po osobi bi trebalo osigurati 30 m3 zraka na sat, što znači za roditeljsku sobu (za dvije osobe) ukupno 60 m3 zraka na sat, ili u najboljem slučaju, s pretpostavkom da osobe u sobi spavaju, pa im je u tom slučaju dovoljno 20 m3 ili po sobi 40 m3 zraka na sat. Iz navedenog je vidljivo, da nije jednostavno, a niti jednoznačno moguće odrediti količinu potrebnog strujanja zraka, jer se potrebna količina mijenja u našem primjeru od 30 preko 40 do čak 60 m3 zraka na sat.. Najbolje bi bilo da se ventilacija cijelog objekta izvede na način da postoji mogućnost, prilikom eksploatacije, odabira različitih “programa”, dobave različitih količina strujanja zraka:
– program dnevnog režima (stanovnici se nalaze u dnevnim prostorima, te se bave dnevnim aktivnostima)
– program noćnog režima (stanovnici su u spavaćim sobama i spavaju – potrebna manja količina strujanja zraka)
– program godišnjeg odmora (nikog nema u objektu)
– party program – stanovnici priređuju prijem – veći broj osoba u objektu
Pri usporedbi temperatura izlaza zraka ustanovljeno je, da je zagrijavanje zraka u manjoj cijevi iste dužine manje. Promjena promjera cijevi pri istoj struji volumena i istoj dužini ima suprotno djelovanje. S jedne strane se kroz smanjenje promjera smanjuje površina izmjenjivača topline i vrijeme zadržavanja, a s druge strane se zbog veće brzine strujanja povećava unutarnji koeficijent prijelaza topline. U većini slučajeva zadnji navedeni faktor ima samo neznatan utjecaj. Brzina strujanja u cijevi trebala bi iznositi cca 2 m/s. Promjeri cijevi veći od 200 mm u jezgri stvaraju strujanje koje slabo sudjeluje u izmjeni topline sa stjenkom cijevi. Za uređaje do 500 m³/h strujanja volumena zraka stoga preporučujemo promjer cijevi od DN 200 za zračno-zemni izmjenjivač topline. Od 300 m³/h kolektor bi trebao biti podijeljen na dvije cijevi, kako bi se izbjegla prevelika brzina strujanja.
Projektiranje dužine cjevovoda
Bitne veličine za projektiranje ovise kod danog strujanja volumena o mnoštvu utjecajnih faktora. U to se ubrajaju konstruktivne veličine poput dubine postavljanja, vrstu postavljanja, materijal cijevi, te parametri tla poput termičkih karakterističnih vrijednosti tla i vlažnosti zemlje, kao i lokacija, vrijeme i podzemne vode. Pozitivni faktori koji utječu na prijenos topline na zračno-zemni izmjenjivač topline su:
– dobra zgusnutost zemlje
– visoka vlaga zemlje
– površinska voda
– visoka razina podzemne vode
– visoki solarni ulaz topline (malo sjene)
– mala brzina zraka (pretpostavka turbulentno strujanje)
– velika dužina cijevi-veliki razmak cijevi kod registara
– velika dubina postavljanja
Kod dimenzioniranja zračno-zemnog izmjenjivača topline često se postavlja pitanje o djelovanju temperature kod veće dužine cijevi i povećane dubine postavljanja. Važno je, da temperatura izlaza iz zračno-zemnog izmjenjivača topline nije ispod -3°C, kako bi se spriječilo zaleđivanje kondenzata u uređaju za ponovno dobivanje topline, jer bi proces topljenja značio gubitak energije. Iskustvo je pokazalo, da se zrak u zračno-zemnom izmjenjivaču topline već nakon jedne trećine dužine cijevi zagrijao za polovicu temperaturne razlike između ulaza i izlaza. Temperatura zraka približava se asimptotski temperaturi zemlje. To pokazuje, da se ne isplate pretjerano dugačko dimenzionirani zračno-zemni izmjenjivači topline, jer znatno poskupljuju investiciju, a osim toga pojavit će se i veći padovi tlaka u samom cjevovodu.
Utjecaj dubine postavljanja
Kod povećanja dubine postavljanja npr. od 2 na 3 m temperatura izlaza zraka povećava se za cca. 1,5 K. To najčešće ne stoji u odnosu prema radovima iskopa koji su za to potrebni. Najmanje dužine cijevi za projektiranje zračno-zemnih izmjenjivača topline prema slijedećem dijagramu odnose se na prosječno vrijeme i prosječne parametre tla i u uobičajenom su slučaju za stambene zgrade od 500 m³/h dostatno točne.
