Естественная геотермальная вентиляция

С. Шовкопляс

Сложилось мнение, что энергоэффективные технологии – это дорого, и что обустраивать их для уже существующего дома очень сложно. Примером того, что этот стереотип ошибочен, может стать естественная гравитационная геотермальная вентиляция

Сначала уточним определения. Естественная вентиляция – это организация воздухообмена под влиянием естественных причин без применения устройств, использующих энергию, например, вентиляторов или воздуходувок с электропроводом. Гравитационная вентиляция – это организация воздухообмена, использующего тягу, возникшую из-за разницы в плотности воздуха из-за высоты и/или температуры, то есть когда воздух движется из-за разницы удельного веса порции воздуха в нижней и верхней части воздуховода. Геотермальная вентиляция использует тепло грунта ниже уровня промерзания для создания разницы температур в нижней (приточной) и верхней (отточной) части вентиляционного канала.

Таким образом, естественная гравитационная геотермальная вентиляция – это организация воздухообмена под напором, возникающим из-за разницы в плотности воздуха на разной высоте и при разной температуре, использующая земное тепло.

Простая и недорогая система

На глубине нескольких метров, ниже уровня промерзания почвы в данной местности, температура грунта остается практически постоянной в течение всего года. На глубине ниже 1,5–2 м температура земли зимой положительна и обычно не опускается ниже +6–8ºС, а летом она повышается не более чем на 4–6ºС. Теплоемкость Земли можно признать бесконечной. Если приточный воздух пропускать через канал-теплообменник, заглубленный в землю, то и в холодное, и в жаркое время поступающий воздух будет иметь практически одинаковую плюсовую температуру.

Вокруг строения (на удалении от 1,5 до 2 м от фундамента) по периметру можно откопать канаву и уложить в нее вентиляционный канал (каналы), тем самым обустроить простой пассивный грунтовый теплообменник. Он будет значительно экономить энергию на нагрев приточного воздуха зимой и охлаждение воздуха в помещении летом (рис. 1 и рис. 2).

Рис. 1. Температура наружного приточного воздуха, грунта и воздуха на выходе из грунтового теплообменника системы естественной геотермальной вентиляции в зимнее время

Рис. 2. Температура наружного приточного воздуха, грунта и воздуха на выходе из грунтового теплообменника системы естественной геотермальной вентиляции в летнее время

Нормы воздухообмена

Важно правильно рассчитать сечение канала грунтового теплообменника, исходя из необходимой интенсивности вентиляции (см. таблицу, составленную по требованиям ДБН В.2.5-67:2013 "Опалення, вентиляція та кондиціонування", опирающегося на требования стандарта ДСТУ Б EN 15251, гармонизированного с европейским).

Таблица. Минимальная удельная подача вентиляционного воздуха для помещений жилых зданий по требованиям ДБН В.2.5-67:2013 и ДСТУ Б EN 15251

Нормы ДСТУ Б EN 15251 определяют на одного человека 36 м³/час (улучшенные оптимальные условия микроклимата), 25,2 м³/час (оптимальные) и 14,4 м³/час (допустимые). Это несколько меньше, чем предписывали старые отечественные строительные нормы. Следует обратить внимание, что расположение приточных отверстий вентиляционной системы должно быть таково, чтобы поток чистого воздуха сначала поступал туда, где длительное время находятся люди – в спальные и жилые комнаты. После этого воздух перераспределяется внутри дома и поступает в другие помещения (кухня, ванная туалет), откуда он удаляется через вытяжные каналы.

Например, для жилого дома площадью 200 м² с потолками 2,5 м, жилыми и спальными помещениями 120 м², где проживает 4 человека, оптимально обеспечит приток воздуха 100 м³/час, а из расчета по площади жилых и спальных комнат нужно подать 430 м³/час. Затем уточняется фактическая площадь спален и помещений, в которых люди находятся длительное время, расчет повторяется, по данным из таблицы выбирается большее значение. Обычно для дома с указанными параметрами достаточно подачи 300 м³/час.

Расчет напора

Гравитационное давление естественной вентиляции приточного воздуха можно рассчитать с учетом разницы плотности поступающего снаружи воздуха (с учетом стабилизации температуры за счет тепла грунта) и внутреннего воздуха с температурой возле выпускного отверстия. К гравитационному давлению канала для естественного оттока воздуха (вытяжной канал) следует прибавлять «ветровое давление», которое зависит от скорости набегающего воздушного потока на наружную поверхность здания, и доли этого динамического напора, преобразующегося в статическое разрежение.

Р_е = (ρ_н - ρ_в)•g•h, Па
Р_v = A•ρ_п•v²/2 , Па

где ρ_н и ρ_в - плотность наружного (приточного) воздуха и поступающего в помещение, кг/м³;
ρ_п – плотность воздуха, набегающего на вытяжной оголовок, кг/м³;
h – расстояние по вертикали от центров приточного и отточного отверстий для воздуха, м;
g – ускорение свободного падения, м/с²;
А – аэродинамический коэффициент, показывающий долю скоростного напора, преобразующегося в статическое давление (разрежение, или «тягу») при взаимодействии воздушного потока с наружными ограждениями здания (справочная величина). При значительной скорости ветра, обдувающего выпускное отверстие, используются специальные вентиляционные устройства – дефлекторы, величина коэффициента А которых указываются производителем;
v - скорость ветра, м/с.

Сколько можно сэкономить энергии?

При рациональном размещении воздуховодов даже с помощью полностью пассивной системы (т.е. работающей без дополнительных затрат энергии) из грунта можно получить значительное количество тепловой энергии. На глубине ниже уровня промерзания температура грунта практически не меняется в течение года и держится у отметки среднегодовой температуры наружного воздуха. Температура грунта на глубине 1,5–3,5 м составляет зимой от +5 до +8 °С, а летом от +10 до +12 °С. Данные по температуре грунтов и уровня промерзания в различных регионах можно найти в справочной литературе. Глубина промерзания грунта в Украине находится в пределах 1–1,2 м. Эксплуатация грунтовых теплообменников показала, что приточный воздух, поступающий в помещение, можно нагреть зимой на температуру более 10 °С, а в летний период – охладить до +18–20 °С.

За счет тепла грунта можно существенно сэкономить количество тепловой энергии на нагрев воздуха зимой и уменьшить расход энергии на охлаждение летом.

При использовании системы естественной гравитационной геотермальной вентиляции зимой, нужно подогреть воздух всего на 15–20 °С вместо 25–35 °С или даже больше. Пусть разница температур между выходом из приточного канала в помещение после грунтового теплообменника и наружным воздухозаборником составит ∆t = 10 °С, значит, тепловой мощности для подогрева воздуха (при подаче L = 300 (м³/час) понадобится меньше на:

∆Р[кВт] = 0.34 x L[м³/час] x ∆t[ºС] = 0,34 х 300 м³/час х 10/1000 = 1,02 кВт

Считается (для упрощения), что в холодное время года среднесуточная температура на протяжении 80 дней составляет –5 °С. Примем, что система в это время донагревает приточный воздух в среднем всего на ∆t = 10 °С. Тогда за зимний период, благодаря грунтовому теплообменнику, прямая экономия тепловой энергии составит:

∆Азп= 80 [дн] x 24[ч] x 0.34 x L[м³/час] x ∆t[ºС] = 80 х 24 х 0,34 х 300 х 10/1000 = 1958,4 кВт•ч

В летний период, аналогично, нужно охлаждать воздух не на максимальную разницу между температурой наружного воздуха и комфортным уровнем, а с учетом того холода, который геотермальная система передала приточному воздуху. В летний период на протяжении 60 дней среднесуточная температура около +20 °С, но в это время днем эта температура на протяжении примерно 8 часов составляет +26 °С. Пусть вентсистема охладила внешний воздух на эту разницу с +26 до +20 °С. На охлаждение потока 300 м³/час на Δt=6°С необходимо затратить за лето:

∆Алп= 60 [дн] x 8[ч] х ∆Р[кВт] = 60 [дн] x 8[ч] х 0,34 х L[м³/час] x ∆t[ºС] = 60 х 8 х 0,34 х 300 м³/час х 6/1000 = 293,8 кВт•ч

Работа системы в межсезонье, когда на протяжении 180 дней среднесуточная температура составляет +5–8 °С, геовентиляция нагревает воздух на 2–3 °С, при этом напор от температурной разницы в плотности воздуха падает до минимума, и тягу обеспечивает практически только геодезическая разница высоты между воздухозаборником и выпуском в помещение и ветровой напор (см. выше). Тем не менее даже при суточной разнице в ∆t = 2,5 °С, за 6 месяцев межсезонья можно сберечь

∆Амс= 180 [дн] x 24[ч] х ∆Р[кВт] = 180 [дн] x 24[ч] х 0,34 х L[м³/час] x ∆t[ºС] = 180 х 24 х 0,34 х 300 м³/час х 2,5/1000 = 1101,6 кВт•ч

Как видно, оценочный расчет для простейшей системы естественной гравитационной геотермальной вентиляции дает общую сумму экономии энергии 3354 кВт•ч для дома с жилыми и спальными помещениями 120 м² без затрат средств на энергию.

Особенности работы в межсезонье

При незначительной «температурной тяге», которая характерна для весны и осени, для естественной подачи воздуха в помещения можно предусмотреть воздухозаборники на наружных стенах дома. Однако благодаря тому, что в геотермальной гравитационной системе обязательно имеется дренажный колодец для слива влаги, которая конденсируется при охлаждении воздуха до температуры грунта, использование подземных воздуховодов предпочтительнее обычного проветривания – в них осушается воздух от избыточной влаги. Такой утепленный дренаж следует обустроить как можно ближе к каналу, из которого воздух поднимается в помещение, чтобы удалить как можно больше конденсата, выделившегося в грунтовом теплообменнике в летнее время. Рис. 1. Температура наружного приточного воздуха, грунта и воздуха на выходе из грунтового теплообменника системы естественной геотермальной вентиляции в зимнее время Рис. 2. Температура наружного приточного воздуха, грунта и воздуха на выходе из грунтового теплообменника системы естественной геотермальной вентиляции в летнее время.

Усилить приток в канале, подающем воздух в помещение, можно за счет его дополнительного подогрева воздухом, удаляемым из помещения. Это делается с помощью отточного отверстия, располагаемого у пола. Воздух из него поступает в идущий вверх отводящий канал, внутри которого расположен приточный канал от грунтового теплообменника. Сейчас на рынке представлены специальные рекуперационные вентиляционные каналы типа «труба в трубе», например, спирально навивные непрерывные трубы из нержавеющей стали. Они обладают высокой теплопроводностью и позволяют нагреть чистый приточный воздух (в данном случае идущий по центральной трубе) теплом удаляемого из помещения воздуха. Воздух в наружном канале отдает часть тепла воздуху из подземного вентканала, что улучшает гравитационную составляющую для естественного притока. Выше приточного отверстия удаляемый воздух идет по обычному каналу и выводится через дефлектор на крыше.

Пассивные или активные?

Сегодня ведутся активные разработки по использованию «бесплатного» тепла Земли. Естественная вентиляция хороша тем, что работает «сама». Естественная гравитационная геотермальная система же имеет существенный плюс – она работает и в самое жаркое время года, когда обычные естественные системы вентилируют слабо. «Сложности» возникают в межсезонье, когда температура в грунтовом теплообменнике и на улице, можно сказать, выравниваются, и система работает только из-за гравитационной разницы (разницы высот приточного и отточного отверстий).

Не всегда удается обеспечить достаточную вентиляцию за счет естественных причин. Поэтому часто естественную гравитационную геотермальную систему «дополняют» канальными вентиляторами, создающими дополнительную тягу в воздуховодах. Наличие привода сразу переводит обычную пассивную естественную систему в разряд активных, то есть потребляющих электроэнергию.

Зададимся вопросом – как много нужно электроэнергии, чтобы обеспечить расход 300 м³/час, как было принято выше для расчета экономии тепловой мощности в доме. Например, осевой канальный вентилятор с подачей 350 м³/час с диаметром воздуховода 125 мм для работы в сети 220 В обладает по паспорту максимальной потребляемой мощностью 30 Вт, то есть в самый «плохой» период для работы геотермальной вентсистемы (в межсезонье) такой вентилятор будет отбирать не более 12% от суммарной тепловой мощности, сэкономленной благодаря грунтовому теплообменнику, а в зимний период – не более 3%.

В свою очередь, наличие активных элементов сразу вызывает желание установить автоматику, следящую за процессом обновления воздуха, и применить рекуперацию тепла вдоль всего грунтового теплообменника (ГТО). Такие системы существуют. Блок рекуперации устанавливается как можно ближе к каналу, подающему воздух в помещение. В линию с ним устанавливается автоматический конденсатоотводчик. Вытяжная линия выводится не наверх, а вниз, к блоку рекуперации, оснащенному вентилятором, у выхода ГТО. В отличие от пассивной системы рекуперации, приточный свежий воздух здесь направляется по наружному каналу, а удаляемый нагретый воздух благодаря вентилятору движется ему в противоток по центральной части, не смешиваясь и передавая часть тепла воздуху, который в наружной части трубы ГТО обменивается теплом с грунтом. Оголовок вентсистемы, через который всасывается приточный воздух в ГТО, оснащен специальным разделителем потоков, предотвращающим смешением отточного и приточного воздуха.

Видео. Монтаж геотермального теплообменника

Дальнейшее развитие активных систем вентиляции приводит к использованию ГТО в комбинированных системах совместно с тепловыми насосами типа «воздух-воздух» или «воздух-вода» и рекуператорами, но это уже совсем другой уровень затрат и экономии энергии.

В заключение хочется отметить, что, помимо ГТО в виде обводной трубы вокруг дома, практикуются и другие варианты конструкции – это трубные (в виде поля из труб), соединяющиеся коленами, гравийные, безмембранные, с плоским теплообменником и другие. Практика показывает, что расходы на вентиляционную систему с грунтовым отбором тепла возвращаются в течение 1-7 лет – в зависимости от ее сложности, от размеров и степени утепленности дома, схемы разводки вентиляции и обогрева, необходимой подачи воздуха, наличия рекуперации, стоимости активных устройств и автоматики и т.п. Тепло Земли – это поистине неисчерпаемый источник возобновляемой энергии, и его можно и нужно использовать даже в пассивных домах, а геотермальная вентиляция полностью безопасна с экологической точки зрения и может применяться в любых помещениях.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!