Sposoby odzysku ciepła w centralach rekuperacyjnych

Sprawność rekuperatora to efektywność odzysku ciepła (energii) ze strumienia powietrza wentylacyjnego wywiewanego, stanowiąca iloraz energii odzyskanej (zawartej w powietrzu wywiewanym) oraz energii, którą trzeba zapewnić, aby wymienić oraz ogrzać powietrze wentylacyjne.

Na energię potrzebną do wymiany i ogrzania powietrza wentylacyjnego składają się nie tylko energia potrzebna do ogrzania powietrza, ale także energia elektryczna potrzebna do zasilania wentylatorów oraz energia pobierana przez urządzenie antyzamrożeniowe. W przypadku najczęściej stosowanych energooszczędnych wentylatorów EC i prawidłowej pracy centrali (tj. odpowiedniej regulacji i czystych filtrów) wpływ wentylatorów na całoroczne zużycie energii jest stosunkowo niewielki. Znaczenie ma zatem sprawność odzysku ciepła w wymienniku oraz energia zużywana przez zabezpieczenie antyzamrożeniowe – jej ilość zależy od rodzaju zabezpieczenia, na które istotny wpływ ma zastosowany sposób odzysku ciepła. 

Czytaj też: Rekuperacja dla początkujący– co warto o niej wiedzieć

W centralach rekuperacyjnych stosuje się najczęściej rekuperację – proces wymiany ciepła przez przeponę pośredniczącą, bez kontaktu powietrza usuwanego i nawiewanego, a rzadziej regenerację – proces wymiany ciepła, w którym strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego omywają naprzemiennie tę samą powierzchnię wymiennika. Wymienniki mogą zapewniać wymianę tylko ciepła jawnego lub zarówno jawnego, jak i utajonego.

Wymienniki przeciwprądowe

W centralach rekuperacyjnych najczęściej stosuje się wymienniki przeciwprądowe. W rozwiązaniu tym strumienie powietrza, oddzielone powierzchnią wymiany ciepła o bardzo dobrej przewodności, przepływają obok siebie w przeciwnych kierunkach. Wymiennik przeciwprądowy wykonuje się najczęściej z lameli aluminiowych, choć na rynku pojawiają się też konstrukcje ze specjalnie przygotowanych tworzyw sztucznych.

Efektywną wymianę ciepła umożliwia zachowanie odpowiedniej prędkości powietrza oraz sama konstrukcja wymiennika o dużej przewodności cieplnej i powierzchni wymiany, a jego szczelność zapewnia całkowite oddzielenie strumieni powietrza świeżego i wywiewanego. Chwilowa sprawność rekuperatora z wymiennikiem przeciwprądowym może przekroczyć 90%.

W wymienniku przeciwprądowym występuje wykraplanie się wilgoci. Powstawanie kondensatu powoduje konieczność odprowadzania skroplin, a także zastosowania zabezpieczenia antyzamrożeniowego w przypadku ujemnej temperatury powietrza zewnętrznego. Zabezpieczenie takie zapobiega narastaniu szronu na lamelach wymiennika (który wpływa na znaczny spadek sprawności wymiennika). Rekuperator można zabezpieczyć przed zamarzaniem na kilka sposobów, wyposażając centralę w automatykę sterującą uruchamianiem zabezpieczenia. Parametrem sterującym może być spadek ciśnienia na wymienniku, temperatura powietrza zewnętrznego lub temperatura powietrza wywiewanego za wymiennikiem.

Spośród dostępnych metod ochrony antyzamrożeniowej najczęściej wykorzystuje się by-pass wymiennika oraz nagrzewnicę wstępną. Funkcję zabezpieczenia antyzamrożeniowego może pełnić też gruntowy wymiennik ciepła (GWC).

By-pass (przepustnica obejściowa) umożliwia częściowe ominięcie wymiennika przez zimne powietrze zewnętrzne, tak by ciepłe powietrze wywiewane mogło skutecznie ogrzać wymiennik i zabezpieczyć go przed zamarzaniem. Parametrem sterującym jest temperatura za wymiennikiem (na wywiewie). Rozwiązanie to jest skuteczne i nie powoduje większego zużycia energii przez samą centralę, jednak konieczne jest zwiększenie nakładu energii na ogrzanie powietrza trafiającego do pomieszczeń, bo ma ono niższą temperaturę.

Nagrzewnica wstępna rozpoczyna pracę przy określonej temperaturze powietrza zewnętrznego, nagrzewając strumień przed wymiennikiem do temperatury uniemożliwiającej jego zamarzanie, i wyłącza się po osiągnięciu zadanej temperatury progowej. Montowana jest przez producenta na kanale nawiewnym przed wymiennikiem, a jej wielkość zależy od wydajności centrali. Ponieważ nagrzewnica wstępna zużywa stosunkowo dużo energii – szczególnie w przypadku dużej liczby dni o bardzo niskiej temperaturze zewnętrznej, co zdarza się w Polsce niemal co roku – można nią sterować w sposób bardziej zaawansowany, dostosowując jej moc do temperatury powietrza za wymiennikiem po stronie wywiewu.

Wymienniki obrotowe

Wymiennik obrotowy, wykorzystujący proces regeneracji, to rozwiązanie droższe niż wymiennik przeciwprądowy. Szczególnie dobrze sprawdza się w przypadku central o większych wydatkach, stosowany jest zatem zwykle w złożonych systemach wentylacyjno-klimatyzacyjnych, choć jego zalety użytkowe sprawiają, że spotkać go można także w urządzeniach oferowanych jako centrale rekuperacyjne, najczęściej jednak przeznaczone do większych obiektów.

Rotor (określany także jako bęben lub koło cieplne) wykonywany jest z masy akumulacyjnej, tj. aluminium ukształtowanego w strukturę komórkową, dzięki czemu jego powierzchnia wymiany ciepła jest duża. Rotor obraca się między strumieniami powietrza zewnętrznego i wywiewanego. W trybie zimowym, kiedy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa niż temperatura powietrza w pomieszczeniu, powietrze wywiewane przepływa przez połowę masy akumulacyjnej, oddając do niej zawarte ciepło.

Podgrzana połowa obraca się i oddaje ciepło do napływającego powietrza zewnętrznego. Natomiast w trybie letnim przebieg procesu jest odwrotny.

Jeśli lamele wymiennika zostaną pokryte warstwą substancji higroskopijnej (np. zeolitu, który wyróżnia się wysoką selektywnością, zapewniając absorpcję i oddawanie tylko wody, a uniemożliwiając osiadanie i rozwój drobnoustrojów), występuje także proces odzysku wilgoci. Przyczynia się to zarówno do zachowania odpowiedniej wilgotności względnej powietrza wewnętrznego – zimą nie dochodzi do jego przesuszenia, a latem można ograniczyć dyskomfort związany ze zbyt wysoką wilgotnością powietrza, jak i do bardziej efektywnego odzysku ciepła jawnego oraz utajonego.

W wymienniku obrotowym następują przecieki powietrza między strumieniem powietrza nawiewanego i wywiewanego. Przyjmuje się, że bezpieczeństwo higieniczne jest zachowane, jeśli wartość EATR (Exhaust Air Transfer Ratio – współczynnik przenikania powietrza wywiewanego) wynosi od 0,5 do 5%. Na wartość tę wpływa różnica ciśnienia powstająca na wymienniku między strumieniem powietrza nawiewanego i wywiewanego (zależna od warunków pracy) oraz prędkość obrotowa rotora [1]. Dlatego w przypadku centrali z wymiennikiem obrotowym bardzo ważne jest jej prawidłowe wyregulowanie.

Wymiennik taki pracuje w trybie ciągłym (całorocznym), co wymaga uwzględnienia mocy potrzebnej do zasilania jego napędu. Przykładowa wartość mocy pobieranej przez napęd wymiennika obrotowego dla central rekuperacyjnych wynosi 6 W.

Wymiennik obrotowy cechuje się stałą całoroczną sprawnością wynoszącą 80–85%, a jego dużą zaletą użytkową jest odporność na działanie niskiej temperatury powietrza zewnętrznego. Nie występuje w nim szronienie, nie wymaga więc dodatkowego zabezpieczenia antyzamrożeniowego, co przyczynia się do zwiększenia całorocznej sprawności odzysku energii centrali.

Wymienniki entalpiczne

Wymiennik entalpiczny to odmiana wymiennika przeciwprądowego. Oprócz wymiany ciepła jawnego zachodzi w nim także wymiana ciepła utajonego (przez przenoszenie pary wodnej z powietrza wywiewanego do powietrza nawiewanego). Entalpię powietrza wilgotnego należy rozumieć jako jego potencjał termodynamiczny, będący miarą całkowitej energii zawartej w powietrzu w określonych warunkach. Dla powietrza wilgotnego entalpia stanowi sumę entalpii powietrza suchego i entalpii pary wodnej zawartej w tym powietrzu.

Wymiennik entalpiczny jest rozwiązaniem analogicznym do wymiennika przeciwprądowego, jednak zamiast typowych lameli stosuje się w tym wypadku selektywną membranę, przepuszczającą parę wodną, ale nie większe cząstki (np. zanieczyszczenia), wykonaną ze specjalnego kopolimeru. We wcześniejszych rozwiązaniach stosowano mniej higieniczne lamele celulozowe. Wymiennik może być także zabezpieczony materiałem biostatycznym, zapobiegającym rozwojowi mikroorganizmów.

W wymienniku entalpicznym nie występuje wykraplanie się wilgoci, a szronienie następuje w niższej temperaturze niż w przypadku klasycznego wymiennika, co ogranicza czas stosowania nagrzewnicy wstępnej. Latem wymiennik entalpiczny może odbierać ciepło jawne i wilgoć z powietrza zewnętrznego – zmniejsza to zapotrzebowanie na energię potrzebną do chłodzenia.

Sprawność temperaturowa wymiennika entalpicznego jest mniejsza niż klasycznego wymiennika (według danych jednego z producentów jest to odpowiednio 80–85% w porównaniu do 90–96%) – strumień powietrza nawiewanego uzyskuje temperaturę niższą niż w wymienniku przeciwprądowym, a ekoprojekt [2] i norma PN-EN 13141-7 [3] nie uwzględniają ciepła utajonego w pomiarach efektywności odzysku ciepła. Jednak powietrze o niższej temperaturze, ale wyższej wilgotności pełni funkcję „magazynu energii”, dzięki czemu utrzymanie w pomieszczeniu oczekiwanej temperatury może być tańsze niż w przypadku nawiewania powietrza cieplejszego, ale suchego.

Wymiennik entalpiczny można zastosować także w już zamontowanym urządzeniu, jeśli producent oferuje taki wymiennik dla danej centrali. Wymiany musi jednak dokonać autoryzowany serwisant.

Literatura

1. „Limiting internal air leakages across the rotary heat exchanger”, REHVA, 2020, https://www.rehva.eu/fileadmin/user_upload/REHVA_COVID-19_specific_guidance_document_-_Limiting_internal_air_leakages_across_the_rotary_heat_exchanger_.pdf (dostęp: 1.06.2022).
2. Rozporządzenie UE 1253/2014 z dnia 7 lipca 2014 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych (Dz.Urz. UE L 337/8 z 25.11.2014).
3. PN-EN 13141-7, „Wentylacja budynków. Badania właściwości użytkowych elementów/wyrobów do wentylacji mieszkań. Część 7: Badania właściwości użytkowych przewodowych urządzeń nawiewno-wywiewnych wentylacji mechanicznej (z odzyskiwaniem ciepła)”.
4. Materiały techniczne firm: Alnor, Core, Frapol, Klingenburg, Komfovent, Pro-Vent, Ventia.