Rekuperacja ciepła w systemach wentylacji: zasada działania i warianty wykonania

W procesie wentylacji z pomieszczenia usuwane jest nie tylko zużyte powietrze, ale także część energii cieplnej. Zimą prowadzi to do wzrostu rachunków za energię.

Zmniejszenie nieuzasadnionych kosztów, bez uszczerbku dla wymiany powietrza, umożliwi odzysk ciepła w systemach wentylacyjnych scentralizowanego i lokalnego typu. Do regeneracji energii cieplnej stosuje się różne rodzaje wymienników ciepła – rekuperatory.

W artykule szczegółowo opisano modele urządzeń, ich cechy konstrukcyjne, zasady działania, zalety i wady. Przedstawione informacje pomogą w wyborze optymalnego wariantu do wyposażenia systemu wentylacyjnego.

Pojęcie rekuperacji: zasada działania wymiennika ciepła

W tłumaczeniu z łaciny rekuperacja oznacza zwrot lub ponowne uzyskanie. W odniesieniu do reakcji wymiany ciepła rekuperacja charakteryzuje się jako częściowy zwrot energii wydatkowanej na przeprowadzenie działania technologicznego w celu zastosowania w tym samym procesie.

W systemie wentylacyjnym zasada rekuperacji jest wykorzystywana do oszczędzania energii cieplnej.

Analogicznie zachodzi rekuperacja chłodzenia w upalną pogodę – ciepłe masy nawiewne ogrzewają usuwaną 'odpracowaną' masę, a ich temperatura spada.

Proces regeneracji energii odbywa się w rekuperacyjnym wymienniku ciepła. Urządzenie obejmuje element wymiany ciepła oraz wentylatory do przepompowywania strumieni powietrza o przeciwnych kierunkach. Do sterowania procesem i kontroli jakości dostarczanego powietrza stosuje się system automatyki.

Konstrukcja została zaprojektowana tak, aby strumienie nawiewane i wywiewane znajdowały się w oddzielnych komorach i nie mieszały się – odzysk ciepła odbywa się przez ścianki wymiennika.

Zrozumieć, czym jest wentylacja z rekuperacją pomoże poglądowy schemat cyrkulacji powietrza.

Przez wywiewniki w wilgotnych pomieszczeniach (toaleta, łazienka, kuchnia) następuje odpływ zużytego powietrza. Zanim zostanie usunięte na zewnątrz, przechodzi przez rekuperator i pozostawia część ciepła. Powietrze nawiewane porusza się w przeciwnym kierunku, nagrzewa się i trafia do pomieszczeń mieszkalnych (+)

Celowość zastosowania rekuperatora w wentylacji

O zasadności zastosowania wentylacji rekuperacyjnej można mówić, oceniając efektywność systemu i porównując jego zalety z wadami.

Z zużytego powietrza wywiewanego na zewnątrz pobiera się część ciepła i przekazuje do świeżych strumieni wtłaczanych do wnętrza pomieszczenia. Pozwala to ograniczyć straty ciepła nawet do 70% (+)

Konieczność stosowania rekuperacji ciepła jest najbardziej aktualna w budynkach z wymuszonym wyciągiem powietrza. Zazwyczaj są to budynki mało bezwładne, wznoszone z zastosowaniem innowacyjnych technologii izolacji cieplnej (domy z paneli warstwowych, płyt gazosilikatowych, bloków pianobetonowych).

W takich budynkach ściany słabo akumulują ciepło, a naturalna wymiana powietrza jest mało efektywna.

Jednak problemy z cyrkulacją powietrza są charakterystyczne również dla „tradycyjnych” budynków z cegły i betonu. Obecność szczelnych, termo- i dźwiękoizolacyjnych okien PCV blokuje cyrkulację naturalną – dopływ świeżego powietrza ustaje, a ciąg w kanale wentylacyjnym odwraca się lub dąży do zera.

Rozwiązaniem problemu „europejskich okien” jest organizacja wymuszonej wentylacji. System przywraca wymianę powietrza, ale straty ciepła wzrastają do 60%. I tutaj już nie da się obejść bez rekuperacji ciepła.

Efektywność procesu wymiany wyrażana jest w procentach i pokazuje ilość ciepła zużytego z powietrza wywiewanego na ogrzanie świeżego powietrza nawiewanego.

Wskaźnik sprawności wentylacyjnej rekuperacji ciepła:

• 0% – otwarte okno – ciepłe powietrze jest usuwane do atmosfery, a zimne dostaje się do środka, obniżając temperaturę w pomieszczeniu;
• 100% – powietrze nawiewane nagrzewa się do temperatury powietrza wywiewanego – technicznie niemożliwe do zrealizowania;
• 30-90% – dopuszczalny parametr, za dobrą uważa się rekuperację o efektywności 60% i więcej, sprawność powyżej 80% – doskonała wymiana ciepła.

Efektywność systemu zależy od typu rekuperatora, wymiarów pomieszczenia i przepływu powietrza. W każdym razie, stosowanie wentylacji rekuperacyjnej nawet o sprawności 30% jest bardziej opłacalne niż jej brak. Oprócz znacznych oszczędności na zasobach energii, „regeneracja” ciepła poprawia ogólny mikroklimat w pomieszczeniu.

Wady stosowania wymiennika ciepła:

1. Zależność od energii. Zakup urządzeń klimatyzacyjnych jest uzasadniony, jeśli zużycie energii elektrycznej będzie znacznie mniejsze niż jej oszczędności po instalacji rekuperatora.
2. Wykraplanie kondensatu. Z powodu różnicy temperatur na ściankach wymiennika ciepła może skraplać się wilgoć. Zimą istnieje ryzyko oblodzenia, co grozi gwałtownym spadkiem sprawności lub awarią rekuperatora.
3. Głośna praca. Niektóre modele podczas eksploatacji wydają szum. Jeśli w ciągu dnia ta wada nie jest szczególnie odczuwalna, to w nocy hałas powoduje dyskomfort. Rekuperatory z ulepszoną izolacją pracują cicho.

Wysokie początkowe inwestycje często stają się głównym argumentem przeciw energooszczędnej wentylacji.

Celowe jest inwestowanie pieniędzy w system, który zwróci się w ciągu 5-8 lat. Należy uwzględnić, że dla utrzymania kompleksu trzeba będzie ponosić dodatkowe koszty, na przykład okresowa wymiana wentylatorów.

Cechy różnych rodzajów wymienników ciepła

Konstrukcja rekuperatora określa schemat przepływu czynnika grzewczego, efektywność systemu wentylacyjnego, klasę energochłonności i koszt urządzenia. Stosuje się pięć wariantów wymienników ciepła: płytowy, obrotowy, rurki cieplne, urządzenia komorowe i modele z pośrednim czynnikiem grzewczym.

Rekuperator płytowy – prostota konstrukcji

Podstawą wymiennika ciepła jest szczelna komora z wieloma równoległymi kanałami powietrznymi. Kanały są oddzielone przegrodami – płytami przewodzącymi ciepło, wykonanymi ze stali lub aluminium.

Faliste płyty (60-70 sztuk) są zgrupowane w jednym bloku tak, aby utworzone kanały były ustawione poprzecznie względem siebie – utworzona turbulencja poprawia wymianę ciepła (+)

Strumienie gazów poruszają się naprzeciwko siebie, krzyżują się w kasecie rekuperatora, ale nie mieszają się. Wymiana ciepła odbywa się przez jednoczesne chłodzenie i ogrzewanie płytek z różnych stron.

Zalety wymiennika krzyżowego:

• prostota montażu i konfiguracji urządzenia;
• wykluczenie kontaktu mas powietrza;
• przystępna cena i kompaktowe wymiary;
• brak trących się i ruchomych części.

Wskaźnik wydajności waha się w zakresie 40-70%.

Główną wadą modelu płytowego jest osadzanie się kondensatu w kanale wyciągowym i tworzenie się lodu zimą. Aby rozmrozić urządzenie, strumień wlotowy jest przekierowywany z pominięciem wymiennika ciepła, a ciepły strumień wylotowy topi lód na płytach.

W trybie «rozmrażania» oszczędność energii nie występuje, do ogrzewania napływającego powietrza stosuje się nagrzewnice o mocy do 5 kW. Uśredniona wartość sprawności spada o 20% (+)

Możliwe są dwa sposoby rozwiązania problemu:

1. Wstępne podgrzewanie napływającego strumienia powietrza do temperatury, przy której wykluczone jest tworzenie się lodu.
2. Rekuperator z płytami z higroskopijnej celulozy. Materiał wchłania wilgoć z zużytych mas powietrza i przekazuje ją ponownie napływającym strumieniom.

Przy wyborze wymiennika krzyżowego należy wziąć pod uwagę właściwości eksploatacyjne płyt.

Ich właściwości zależą od materiału wykonania:

1. Folia aluminiowa – przystępna cena, ale ograniczona wydajność zimą. Ponadto nie zalecana do pomieszczeń mieszkalnych ze względu na osuszanie powietrza. Modyfikacje z aluminiowym „wypełnieniem” – optymalna opcja dla saun i basenów.
2. Przegrody plastikowe – cenowo podobne do wyrobów metalowych, ale charakteryzują się lepszą efektywnością pracy.
3. Wymiennik celulozowy – zapobiega zamarzaniu i utrzymuje normalną wilgotność wewnątrz pomieszczenia.

Rekuperator higrocelulozowy jest najbardziej ekonomiczny i optymalny dla wentylacji budynków mieszkalnych.

Rekuperator obrotowy – wysoka wydajność systemu

Wymiennik ciepła ma postać cylindra wypełnionego warstwami blachy falistej. W miarę obrotu bębna do każdej komory naprzemiennie trafiają strumienie ciepłego lub zimnego powietrza.

Konstrukcja rekuperatora rotorowego: wał obrotowy i dwa kanały powietrzne. Jedna część rotora jest ogrzewana przez 'powietrze wywiewane', bęben się obraca, a ciepło jest przekierowywane do mas zimnego powietrza w sąsiednim kanale (+)

Sprawność wymiany ciepła zależy od prędkości obrotowej rotora, efektywność pracy można regulować.

Argumenty 'za' rekuperatorem rotorowym:

• odzysk ciepła do 65-90%;
• ekonomiczność zużycia energii elektrycznej;
• częściowe odzyskiwanie wilgoci – można obejść się bez nawilżacza;
• okres zwrotu – do 4 lat.

Pomimo wysokiej wydajności, wymiennik ciepła typu bębnowego nie stał się liderem wśród podobnych urządzeń.

Wady systemu wentylacyjnego:

1. Domieszka zanieczyszczonego powietrza do nawiewu. Przez mikrokanaly naprzemiennie krążą masy wywiewane i nawiewane, dlatego około 3-8% 'powietrza wywiewanego' wraca z powrotem. Bęben często przenosi zapach powietrza wywiewanego.
2. Złożoność konstrukcji. Obracające się części rotora wymagają regularnej konserwacji i okresowej wymiany. Ruchome elementy podczas pracy wydają hałas i wibracje.
3. Wysoki koszt. Ceny modeli rotorowych są wyższe niż produktów płytowych. Wynika to z zastosowania skomplikowanej mechaniki w konstrukcji bębnowego wymiennika ciepła.
4. Duże rozmiary. Montaż odbywa się w przestronnej komorze wentylacyjnej.

Ze względu na gabaryty, urządzenia rotorowe są używane głównie w zakładach przemysłowych.

Aby zminimalizować mieszanie się strumieni powietrza, rekuperatory rotorowe są uzupełniane sektorami pośrednimi – tutaj mikrokanaly są przedmuchiwane świeżym powietrzem, które wraca do wywiewu. Wadą schematu jest obniżenie sprawności (+)

Połączone wymienniki ciepła – model glikolowy

Rekuperator z pośrednim czynnikiem grzewczym ze względu na cechy konstrukcyjne często nazywany jest sprzężonym wymiennikiem ciepła lub agregatem glikolowym. To jeden z najbardziej elastycznych systemów odzysku ciepła. Jeden wymiennik jest wbudowany w kanał nawiewny, a drugi w wywiewny.

W schemacie instalacji znajdują się: pompa cyrkulacyjna, zbiornik wyrównawczy, zawór powietrzny, kontroler, czujnik temperatury, zawór bezpieczeństwa, wskaźnik ciśnienia (+)

Zasada działania. Mieszanka glikolowa krąży między wymiennikami ciepła. Temperatura czynnika grzewczego wzrasta dzięki ogrzanemu strumieniowi wywiewanemu, a następnie energia cieplna przekazywana jest świeżemu powietrzu. Układ zamknięty wyklucza mieszanie się przeciwprądowych mas powietrza.

Cechy charakterystyczne pracy wymienników ciepła z czynnikiem grzewczym:

• Sprawność – 45-55%;
• regulacja wydajności za pomocą pompy – wybiera się prędkość przepływu płynu niezamarzającego;
• możliwość zdalnego umieszczenia kanałów nawiewno-wywiewnych od siebie (do 800 m);
• montaż rekuperatora odbywa się pionowo lub poziomo;
• w silnym mrozie powierzchnia wywiewnego wymiennika ciepła zamarza – pojawia się lód; zastosowanie płynu niezamarzającego pozwala na eksploatację rekuperatora bez konieczności rozmrażania;
• okres zwrotu systemu – do 2 lat;
• dopuszczalna jest kombinacja 1 wywiewu i kilku nawiewów lub odwrotnie.

Objętość usuwanego i dostarczanego powietrza powinna być w przybliżeniu równa. Takie rekuperatory są zwykle używane, jeśli nawiew jest toksyczny lub silnie zanieczyszczony, gdy mieszanie strumieni jest niedopuszczalne.

Zespół komorowy – uniwersalność zastosowania

Konstrukcyjnie komorowy wymiennik ciepła to zamknięta skrzynia, podzielona wewnątrz ruchomą przepustnicą. Otwierająca się przegroda określa schemat pracy rekuperatora.

Odpływ przepływa wzdłuż jednego kanału, a nawiew trafia do drugiej komory. W wymienniku ciepła ciepłe masy nagrzewają ściany pierwszej komory. Po pewnym czasie przepustnica przesuwa się i strumień powietrza zmienia kierunek.

W rezultacie nawiew przemieszcza się wzdłuż ciepłych ścian pierwszego kanału, a 'wywiew' nagrzewa powierzchnię drugiej komory. W pewnym momencie przegroda wraca i cykl się powtarza.

Zalety komorowego węzła wymiany ciepła:

• Sprawność – 80-90%;
• w tandemie z wysokiej jakości izolacją termiczną koszty ogrzewania są ograniczone do minimum;
• prostota montażu – pomoc specjalistów będzie potrzebna przy wyborze parametrów instalacji wentylacyjnej;
• utrzymanie poziomu wilgotności;
• wykluczone zamarzanie systemu.

Rekuperator komorowy to doskonała opcja dla regionów, gdzie przez dłuższy okres w roku występuje znaczna nierównowaga między temperaturą wewnątrz pomieszczenia a na zewnątrz.

Do wad węzła odzysku ciepła należą:

• konieczność regularnej konserwacji ruchomych elementów;
• przeciwprądowe strugi powietrza częściowo się mieszają – zapachy i zanieczyszczenia mogą przedostawać się z powrotem do budynku.

Aby zmniejszyć domieszanie, system jest wyposażony w element filtrujący. Powietrze staje się czystsze, ale wydajność rekuperatora spada.

Rury cieplne – zamknięty system wymiany ciepła

Rekuperator składa się z wielu miedzianych lub aluminiowych rurek wypełnionych łatwo odparowującą substancją, na przykład freonem. Zasada działania rurowego wymiennika ciepła opiera się na procesach fizycznych – zmianie stanu skupienia substancji podczas ogrzewania.

Rurka cieplna umieszczana jest pionowo – dolny koniec wymiennika ciepła znajduje się w kanale wywiewnym, a górny – w kanale nawiewnym. Strumienie wychodzące opływają koniec rurki – freon nagrzewa się, wrze i odparowuje (+)

Gaz unosi się i oddaje energię cieplną powietrzu nawiewanemu, po czym freon ulega kondensacji i spływa w dół rekuperatora. Cykl termiczny powtarza się w kółko.

Parametry techniczno-eksploatacyjne rurowego wymiennika ciepła:

• wydajność urządzenia – do 65%;
• cicha praca dzięki brakowi ruchomych elementów;
• prostota konstrukcji i bezobsługowość;
• kompaktowość – niewielkie wymiary i lekka waga;
• niezależność energetyczna – czynnik grzewczy krąży w sposób naturalny;

Istotną zaletą jest to, że strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego nie mieszają się.

Słabe strony rurek cieplnych:

• wysoka sprawność osiągana jest w wąskim zakresie temperatur – przy gwałtownym przegrzaniu cały freon odparowuje, a przy niedostatecznym nagrzaniu intensywność parowania spada;
• niska wytrzymałość rurek – zmiana kształtu lub rozszczelnienie obniża wydajność urządzenia.

Rurowe rekuperatory stosowane są w budownictwie prywatnym, w budynkach administracyjnych, biurowych oraz na małych powierzchniach przemysłowych.

Sposoby organizacji wentylacji z odzyskiem ciepła

Rekuperacja realizowana jest na jeden ze sposobów: scentralizowany lub zdecentralizowany. W pierwszym przypadku przez wymiennik ciepła przepływają strumienie wentylacyjne z całego pomieszczenia, w drugim – z jednego pokoju.

Zespół scentralizowany – jednostka nawiewno-wywiewna

System scentralizowany instalowany jest na etapie budowy lub gruntownej modernizacji systemu wentylacyjnego.

Dobiera się nawiewno-wywiewną centralę wentylacyjną (NCW) z wbudowanym rekuperatorem. Głównym kryterium wyboru jest całkowita wydajność zestawu obliczona na całą objętość powietrza w budynku (+)

Centrala z rekuperatorem zapewnia wystarczającą wymianę powietrza nawet w domach ze szczelnymi oknami. Strumienie powietrza rozprowadzane są równomiernie, nie tworząc przeciągów.

Zestawowe centrale nawiewno-wywiewne typu monoblok są wyposażone w:

• wentylatory – całodobowy dopływ świeżego powietrza i odprowadzanie strumieni nasyconych dwutlenkiem węgla;
• nagrzewnice – wstępne podgrzewanie powietrza nawiewanego;
• filtry – zatrzymują kurz i mikrocząsteczki;
• rekuperator – mogą być stosowane różne typy urządzeń.

Funkcjonalność niektórych central wentylacyjnych jest rozszerzona o timer opóźnienia pracy, regulator mocy, czujniki wilgotności itp.

Obudowa modeli monoblokowych pokryta jest materiałem dźwiękochłonnym, dzięki czemu praca centrali wentylacyjnej jest bardzo cicha. Możliwe są pionowe, poziome i podwieszane wersje wykonania jednostek wentylacyjnych.

Dobrze sprawdziły się rekuperacyjne monoblokowe centrale wentylacyjne produkcji: «Vents» (Ukraina), Dantherm (Dania), «Daikin» (Japonia), «Dantex» (Anglia).

Urządzenia lokalne – uzupełnienie istniejącego systemu wentylacyjnego

Do przywrócenia cyrkulacji mas powietrza w użytkowanym pomieszczeniu nadadzą się zdecentralizowane nawiewniki z rekuperacją ciepła.

Wcina się je w elewację budynku lub montuje przez okno. Ich głównym zadaniem jest poprawa wentylacji nawiewnej w domu.

W lokalnych rekuperatorach przewidziano wentylator i płytowy wymiennik ciepła. «Rękaw» nawiewnika jest izolowany materiałem dźwiękochłonnym. Moduł sterowania kompaktowych jednostek wentylacyjnych umieszcza się na wewnętrznej ścianie.

Cechy zdecentralizowanych systemów wentylacyjnych z rekuperacją:

• Sprawność – 60-96%;
• niska wydajność – urządzenia są przeznaczone do zapewnienia wymiany powietrza w pomieszczeniach do 20-35 m²;
• przystępna cena i szeroki wybór agregatów, począwszy od zwykłych zaworów ściennych, aż po zautomatyzowane modele z wielostopniowym systemem filtracji i możliwością regulacji wilgotności;
• prostota montażu – do uruchomienia nie wymaga układania kanałów wentylacyjnych, zawór ścienny można zamontować samodzielnie.

Popularni producenci lokalnych rekuperatorów: Prana (Ukraina), O.Erre (Włochy), Blizzard (Niemcy), Vents (Ukraina), Aerovital (Niemcy).

Ważne kryteria wyboru nawiewnika ściennego: dopuszczalna grubość ściany, wydajność, sprawność rekuperatora, średnica kanału powietrznego i temperatura przetłaczanego medium.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Porównanie działania wentylacji naturalnej i systemu wymuszonego z rekuperacją:

Zasada funkcjonowania scentralizowanego rekuperatora, obliczanie sprawności:

Budowa i tryb pracy zdecentralizowanego wymiennika ciepła na przykładzie zaworu ściennego Prana:

Przez system wentylacyjny z pomieszczenia ucieka około 25-35% ciepła. Aby zmniejszyć straty i efektywnie odzyskiwać ciepło, stosuje się rekuperatory. Urządzenia klimatyzacyjne pozwalają wykorzystać energię mas wywiewnych do ogrzewania powietrza nawiewanego.

Czy ma Pan/Pani coś do dodania, czy pojawiły się pytania dotyczące działania różnych rekuperatorów wentylacyjnych? Proszę zostawiać komentarze do publikacji, dzielić się doświadczeniem eksploatacji takich urządzeń. Formularz kontaktowy znajduje się w dolnym bloku.