Wentylacja nawiewno-wywiewna z rekuperacją ciepła: zasada działania, przegląd zalet i wad

Dopływ świeżego powietrza w okresie zimowym wymaga jego ogrzania w celu zapewnienia odpowiedniego mikroklimatu w pomieszczeniach. Aby zminimalizować koszty energii elektrycznej, można zastosować nawiewno-wywiewną wentylację z rekuperacją ciepła.

Zrozumienie zasad jej działania pozwoli maksymalnie efektywnie zmniejszyć straty ciepła przy zachowaniu odpowiedniej ilości wymienianego powietrza. Spróbujmy zrozumieć tę kwestię.

Oszczędność energii w systemach wentylacji

W okresie jesienno-wiosennym podczas wentylacji pomieszczeń poważnym problemem jest duża różnica temperatur między powietrzem napływającym a znajdującym się wewnątrz. Zimny strumień opada i tworzy niekorzystny mikroklimat w domach mieszkalnych, biurach i na produkcji lub niedopuszczalny pionowy gradient temperatury w magazynie.

Powszechnym rozwiązaniem problemu jest integracja z wentylacją nawiewną nagrzewnicy, za pomocą której następuje ogrzewanie strumienia. Taki system wymaga nakładów energii elektrycznej, podczas gdy znaczna ilość wychodzącego na zewnątrz ciepłego powietrza prowadzi do dużych strat ciepła.

Wypływ powietrza na zewnątrz z intensywną parą jest wskaźnikiem znacznych strat ciepła, które można wykorzystać do ogrzewania strumienia wlotowego.

Jeśli kanały nawiewu i wywiewu powietrza znajdują się obok siebie, można częściowo przekazać ciepło strumienia wychodzącego do strumienia wchodzącego. Pozwoli to zmniejszyć zużycie energii elektrycznej przez nagrzewnicę lub całkowicie z niej zrezygnować. Urządzenie do wymiany ciepła między strumieniami gazów o różnych temperaturach nazywa się rekuperatorem.

W ciepłym okresie roku, gdy temperatura powietrza na zewnątrz znacznie przewyższa temperaturę pokojową, można użyć rekuperatora do chłodzenia strumienia wlotowego.

Budowa bloku z rekuperatorem

Wewnętrzna budowa systemów nawiewno-wywiewnej wentylacji z zintegrowanym rekuperatorem jest dość prosta, dlatego możliwy jest ich samodzielny zakup element po elemencie i montaż. W przypadku gdy montaż lub samodzielna instalacja sprawia trudności, można nabyć gotowe rozwiązania w postaci typowych konstrukcji monoblokowych lub indywidualnych konstrukcji składanych na zamówienie.

Typowy schemat urządzenia systemu wentylacji nawiewno-wywiewnej z rekuperatorem umieszczonym w jednej obudowie może być uzupełniony o inne elementy według uznania użytkownika

Podstawowe elementy i ich parametry

Obudowa z izolacją termiczną i akustyczną jest zwykle wykonywana z blachy stalowej. W przypadku montażu ściennego musi wytrzymać ciśnienie powstające podczas uszczelniania szczelin wokół bloku pianką, a także zapobiegać wibracjom spowodowanym pracą wentylatorów.

W przypadku rozproszonego poboru i dopływu powietrza do różnych pomieszczeń, do obudowy podłącza się system kanałów wentylacyjnych. Wyposaża się go w zawory i przepustnice do rozdzielania strumieni.

W przypadku braku kanałów wentylacyjnych na otworze nawiewnym od strony pomieszczenia instaluje się kratkę lub dyfuzor do rozprowadzania strumienia powietrza. Na otworze nawiewnym od strony ulicy montuje się zewnętrzną kratkę czerpni, aby zapobiec przedostawaniu się do systemu wentylacyjnego ptaków, dużych owadów i zanieczyszczeń.

Ruch powietrza zapewniają dwa wentylatory osiowe lub odśrodkowe. W przypadku rekuperatora naturalna cyrkulacja powietrza w wystarczającej objętości jest niemożliwa z powodu oporu aerodynamicznego wytwarzanego przez ten element.

Obecność rekuperatora wymaga instalacji filtrów dokładnego oczyszczania na wlocie obu strumieni. Jest to konieczne, aby zmniejszyć intensywność zanieczyszczania pyłem i osadami tłuszczowymi cienkich kanałów wymiennika ciepła. W przeciwnym razie, dla prawidłowego działania systemu, konieczne będzie zwiększenie częstotliwości prac konserwacyjnych.

Filtry dokładnego oczyszczania należy okresowo wymieniać lub czyścić. W przeciwnym razie wzrost oporu przepływu powietrza spowoduje uszkodzenie wentylatorów.

Jeden lub kilka rekuperatorów zajmuje główną objętość urządzenia nawiewno-wywiewnego. Montuje się je centralnie w konstrukcji.

W przypadku typowych dla tego obszaru silnych mrozów oraz niewystarczającej sprawności rekuperatora do ogrzewania powietrza zewnętrznego można dodatkowo zainstalować nagrzewnicę. W miarę potrzeby montuje się również nawilżacz, jonizator i inne urządzenia do stworzenia korzystnego mikroklimatu w pomieszczeniu.

Nowoczesne modele przewidują obecność elektronicznego modułu sterowania. Zaawansowane modyfikacje posiadają funkcje programowania trybów pracy w zależności od parametrów fizycznych powietrza. Zewnętrzne panele mają atrakcyjny wygląd, dzięki czemu dobrze wpisują się w każde wnętrze pomieszczenia.

Rozwiązanie problemu powstawania kondensatu

Schładzanie powietrza napływającego z pomieszczenia stwarza warunki do odciążenia wilgoci i powstawania kondensatu. W przypadku dużej prędkości przepływu większa jego część nie zdąży się gromadzić w rekuperatorze i uchodzi na zewnątrz. Przy wolnym ruchu powietrza znaczna część wody pozostaje wewnątrz urządzenia. Dlatego konieczne jest zapewnienie zbierania wilgoci i odprowadzenie jej poza obudowę systemu nawiewno-wywiewnego.

Podstawowym urządzeniem do zbierania i odprowadzania kondensatu jest taca umieszczona pod rekuperatorem z nachyleniem w stronę otworu odpływowego

Odprowadzanie wilgoci odbywa się do zamkniętego pojemnika. Umieszcza się go wyłącznie wewnątrz pomieszczenia, aby uniknąć zamarzania kanałów odpływowych przy ujemnych temperaturach. Nie ma algorytmu wiarygodnego obliczania objętości uzyskiwanej wody w przypadku systemów z rekuperatorem, dlatego określa się ją doświadczalnie.

Ponowne wykorzystanie kondensatu do nawilżania powietrza jest niepożądane, ponieważ woda wchłania wiele zanieczyszczeń, takich jak ludzki pot, zapachy itd.

Znacznie zmniejszyć objętość kondensatu i uniknąć związanych z nim problemów można poprzez zorganizowanie oddzielnego systemu wywiewnego z łazienki i kuchni. To właśnie w tych pomieszczeniach powietrze ma największą wilgotność. W przypadku posiadania kilku systemów wywiewnych wymianę powietrza między strefą techniczną a mieszkalną należy ograniczyć za pomocą montażu zaworów zwrotnych.

W przypadku schładzania wychodzącego strumienia powietrza do temperatur ujemnych wewnątrz rekuperatora następuje przejście kondensatu w szron, co powoduje zmniejszenie czynnego przekroju przepływu, a w konsekwencji – zmniejszenie objętości lub całkowite zatrzymanie wentylacji.

Do okresowego lub jednorazowego rozmrażania rekuperatora instaluje się bypass – kanał obejściowy dla ruchu powietrza nawiewanego. Przy pominięciu strumienia przez urządzenie następuje przerwanie oddawania ciepła, nagrzanie wymiennika ciepła i przejście szronu w stan ciekły. Woda spływa do zbiornika kondensatu lub odparowuje na zewnątrz.

Zasada budowy bypassu jest nieskomplikowana, dlatego w przypadku ryzyka tworzenia się szronu warto przewidzieć takie rozwiązanie, gdyż ogrzewanie rekuperatora innymi sposobami jest skomplikowane i długotrwałe.

Przy przepływie strumienia przez bypass nie ma ogrzewania powietrza nawiewanego za pomocą rekuperatora. Dlatego przy aktywacji tego trybu konieczne jest automatyczne włączenie nagrzewnicy.

Cechy różnych typów rekuperatorów

Istnieje kilka konstrukcyjnie różnych wariantów realizacji wymiany ciepła między zimnym a ogrzanym strumieniem powietrza. Każdy z nich ma swoje charakterystyczne cechy, które określają główne przeznaczenie dla każdego typu rekuperatora.

Płytowy rekuperator krzyżowy

Podstawą konstrukcji rekuperatora płytowego są cienkościenne panele połączone naprzemiennie w taki sposób, aby przepuszczać między nimi strumienie o różnej temperaturze pod kątem 90 stopni. Jedną z modyfikacji tego modelu jest urządzenie z żebrowanymi kanałami do przepływu powietrza. Charakteryzuje się ono wyższym współczynnikiem wymiany ciepła.

Naprzemienne przepuszczanie ciepłego i zimnego strumienia powietrza przez płyty realizuje się poprzez zagięcie krawędzi płyt i uszczelnienie połączeń żywicą poliestrową.

Panele wymiany ciepła mogą być wykonane z różnych materiałów:

• miedź, mosiądz i stopy na bazie aluminium charakteryzują się dobrą przewodnością cieplną i są odporne na rdzę;
• tworzywo sztuczne z polimerowego materiału hydrofobowego o wysokim współczynniku przewodzenia ciepła ma małą wagę;
• higroskopijna celuloza umożliwia przenikanie kondensatu przez płytę i powrót do pomieszczenia.

Wadą jest możliwość tworzenia się kondensatu przy niskich temperaturach. Ze względu na niewielką odległość między płytami wilgoć lub szron znacznie zwiększają opór aerodynamiczny. W przypadku oblodzenia konieczne jest zamknięcie dopływającego strumienia powietrza w celu ogrzania płyt.

Zalety rekuperatorów płytowych są następujące:

• niski koszt;
• długa żywotność;
• długi okres między przeglądami konserwacyjnymi oraz prostota ich przeprowadzania;
• niewielkie wymiary i masa.

Ten typ rekuperatora jest najbardziej rozpowszechniony w pomieszczeniach mieszkalnych i biurowych. Jest również stosowany w niektórych procesach technologicznych, na przykład do optymalizacji spalania paliwa podczas pracy pieców.

Typ bębnowy lub rotacyjny

Zasada działania rekuperatora obrotowego opiera się na obrocie wymiennika ciepła, wewnątrz którego znajdują się warstwy pofałdowanego metalu o dużej pojemności cieplnej. W wyniku kontaktu z wychodzącym strumieniem następuje nagrzanie sektora bębna, który następnie oddaje ciepło napływającemu powietrzu.

Drobnooczkowy wymiennik ciepła rekuperatora obrotowego jest podatny na zanieczyszczenia, dlatego należy szczególnie zadbać o wysokiej jakości działanie filtrów dokładnego oczyszczania.

Zalety rekuperatorów obrotowych są następujące:

• dość wysoka sprawność w porównaniu z konkurencyjnymi typami;
• zwrot dużej ilości wilgoci, która w postaci kondensatu pozostaje na bębnie i odparowuje w kontakcie z napływającym suchym powietrzem.

Ten typ rekuperatora jest rzadziej używany w budynkach mieszkalnych przy wentylacji mieszkań lub domów jednorodzinnych. Często stosuje się go w dużych kotłowniach do odzysku ciepła dla pieców lub w rozległych pomieszczeniach przemysłowych lub handlowo-rozrywkowych.

Jednak ten typ urządzeń ma istotne wady:

• stosunkowo skomplikowana konstrukcja z ruchomymi częściami, obejmująca silnik elektryczny, bęben i napęd pasowy, co wymaga stałej konserwacji;
• podwyższony poziom hałasu.

Czasami dla urządzeń tego typu można spotkać termin “regeneracyjny wymiennik ciepła”, co jest bardziej poprawne niż “rekuperator”. Chodzi o to, że niewielka część powietrza wywiewanego przedostaje się z powrotem z powodu niedokładnego przylegania bębna do obudowy konstrukcji.

Nakłada to dodatkowe ograniczenia na możliwość stosowania urządzeń tego typu. Na przykład, jako nośnika ciepła nie można używać zanieczyszczonego powietrza z pieców grzewczych.

System oparty na rurkach i płaszczu

Rekuperator rurowy składa się z umieszczonych w izolowanym płaszczu cienkościennych rurek o małej średnicy, przez które następuje dopływ powietrza zewnętrznego. Przez płaszcz odbywa się odprowadzanie ciepłej masy powietrza z pomieszczenia, która ogrzewa strumień wlotowy.

Odprowadzanie ciepłego powietrza należy przeprowadzać właśnie przez płaszcz, a nie przez system rurek, ponieważ usunięcie z nich kondensatu jest niemożliwe.

Główne zalety rekuperatorów rurowych są następujące:

• wysoka sprawność dzięki przeciwprądowej zasadzie ruchu nośnika ciepła i powietrza nawiewanego;
• prostota konstrukcji i brak ruchomych części zapewnia niski poziom hałasu i rzadką potrzebę konserwacji;
• długa żywotność;
• najmniejszy przekrój spośród wszystkich typów urządzeń do rekuperacji.

Rurki do urządzeń tego typu są wykonane albo ze stopów metali lekkich, albo rzadziej – z polimerów. Materiały te nie są higroskopijne, dlatego przy znacznej różnicy temperatur strumieni może dojść do intensywnego kondensatu w płaszczu, co wymaga konstrukcyjnego rozwiązania do jego usuwania. Kolejną wadą jest to, że metalowe wypełnienie ma znaczną wagę, pomimo niewielkich rozmiarów.

Prostota konstrukcji rekuperatora rurowego sprawia, że ten typ urządzeń jest popularny do samodzielnego wykonania. Jako zewnętrzny płaszcz zwykle stosuje się plastikowe rury do kanałów wentylacyjnych, izolowane pianką poliuretanową.

Urządzenie z pośrednim nośnikiem ciepła

Czasami kanały nawiewny i wywiewny znajdują się w pewnej odległości od siebie. Taka sytuacja może wystąpić ze względu na cechy technologiczne budynku lub wymagania sanitarne dotyczące niezawodnego rozdzielenia strumieni powietrza.

W tym przypadku stosuje się pośredni nośnik ciepła, krążący między kanałami powietrznymi za pomocą izolowanego rurociągu. Jako medium do przekazywania energii cieplnej wykorzystuje się wodę lub roztwór wodno-glikolowy, którego cyrkulacja jest zapewniana przez pracę pompy ciepła.

Rekuperator z pośrednim nośnikiem ciepła stanowi obszerne i kosztowne urządzenie, którego zastosowanie jest ekonomicznie uzasadnione w pomieszczeniach o dużych powierzchniach.

W przypadku, gdy istnieje możliwość zastosowania innego typu rekuperatora, lepiej nie stosować systemu z pośrednim nośnikiem ciepła, ponieważ ma on następujące istotne wady:

• niska sprawność w porównaniu z innymi typami urządzeń, dlatego dla małych pomieszczeń z małym przepływem powietrza takie urządzenia nie są stosowane;
• znaczna objętość i waga całego systemu;
• konieczność dodatkowej pompy elektrycznej do cyrkulacji cieczy;
• podwyższony hałas z pracy pompy.

Istnieje modyfikacja tego systemu, w której zamiast wymuszonej cyrkulacji cieczy wymiennika ciepła stosuje się medium o niskiej temperaturze wrzenia, na przykład freon. W tym przypadku ruch w obiegu jest możliwy w sposób naturalny, ale tylko wtedy, gdy kanał nawiewny znajduje się nad wyciągowym.

Taki system nie wymaga dodatkowych kosztów energii elektrycznej, ale działa na ogrzewanie tylko przy znacznym spadku temperatury. Ponadto konieczne jest precyzyjne ustawienie punktu zmiany stanu skupienia cieczy wymiennika ciepła, co można zrealizować poprzez wytworzenie odpowiedniego ciśnienia lub określonego składu chemicznego.

Podstawowe parametry techniczne

Znając wymaganą wydajność systemu wentylacji i sprawność wymiany ciepła rekuperatora, łatwo obliczyć oszczędności na ogrzewaniu powietrza w pomieszczeniu w konkretnych warunkach klimatycznych. Porównując potencjalne korzyści z kosztami zakupu i obsługi systemu, można racjonalnie dokonać wyboru na korzyść rekuperatora lub standardowej nagrzewnicy.

Często producenci urządzeń oferują linię modelową, w której moduły wentylacyjne o podobnej funkcjonalności różnią się objętością wymiany powietrza. W przypadku pomieszczeń mieszkalnych parametr ten należy obliczać zgodnie z tabelą 9.1. SP 54.13330.2016

Współczynnik sprawności

Przez współczynnik sprawności rekuperatora rozumie się efektywność przekazywania ciepła, którą oblicza się według następującego wzoru:

K = (T_p – T_n) / (T_w – T_n)

W której:

• T_p – temperatura powietrza nawiewanego do pomieszczenia;
• T_n – temperatura powietrza zewnętrznego;
• T_w – temperatura powietrza w pomieszczeniu.

Maksymalna wartość sprawności przy standardowej prędkości przepływu powietrza i określonym reżimie temperaturowym jest podana w dokumentacji technicznej urządzenia. Jego rzeczywista wartość będzie nieco mniejsza.

W przypadku samodzielnego wykonania rekuperatora płytowego lub rurowego, aby osiągnąć maksymalną efektywność wymiany ciepła, należy przestrzegać następujących zasad:

• Najlepszą wymianę ciepła zapewniają urządzenia przeciwprądowe, następnie krzyżowo-prądowe, a najmniejszą – z jednokierunkowym ruchem obu strumieni.
• Intensywność wymiany ciepła zależy od materiału i grubości ścianek rozdzielających strumienie, a także od czasu przebywania powietrza wewnątrz urządzenia.

Znając sprawność rekuperatora można obliczyć jego efektywność energetyczną przy różnych temperaturach powietrza zewnętrznego i wewnętrznego:

E (W) = 0,36 x P x K x (T_w – T_n)

gdzie P (m³/h) – przepływ powietrza.

Obliczenie efektywności rekuperatora w ekwiwalencie pieniężnym i porównanie z kosztami jego zakupu i montażu dla dwupiętrowego domku o łącznej powierzchni 270 m2 pokazuje celowość instalacji takiego systemu

Koszt rekuperatorów o wysokiej sprawności jest dość wysoki, mają one skomplikowaną konstrukcję i znaczne rozmiary. Czasami można ominąć te problemy, instalując kilka prostszych urządzeń w taki sposób, aby dopływające powietrze przechodziło przez nie kolejno.

Wydajność systemu wentylacji

Objętość przepuszczanego powietrza jest określana przez ciśnienie statyczne, które zależy od mocy wentylatora i głównych elementów stwarzających opór aerodynamiczny. Z reguły dokładne jego obliczenie jest niemożliwe ze względu na złożoność modelu matematycznego, dlatego dla typowych konstrukcji monoblokowych przeprowadza się badania eksperymentalne, a dla urządzeń indywidualnych dokonuje się doboru komponentów.

Moc wentylatora należy dobierać z uwzględnieniem przepustowości instalowanych rekuperatorów dowolnego typu, która w dokumentacji technicznej jest podana jako zalecana prędkość przepływu lub objętość powietrza przepuszczanego przez urządzenie w jednostce czasu. Z reguły dopuszczalna prędkość powietrza wewnątrz urządzenia nie przekracza wartości 2 m/s.

W przeciwnym razie przy wysokich prędkościach w wąskich elementach rekuperatora następuje gwałtowny wzrost oporu aerodynamicznego. Prowadzi to do zbędnych wydatków energii elektrycznej, nieefektywnego ogrzewania powietrza zewnętrznego i skrócenia żywotności wentylatorów.

Wykres zależności spadku ciśnienia od prędkości przepływu powietrza dla kilku modeli rekuperatorów o wysokiej wydajności pokazuje nieliniowy wzrost oporu, dlatego należy przestrzegać wymagań dotyczących zalecanej objętości wymiany powietrza podanych w dokumentacji technicznej urządzenia.

Zmiana kierunku przepływu powietrza tworzy dodatkowy opór aerodynamiczny. Dlatego przy modelowaniu geometrii kanału wentylacyjnego wewnątrz pomieszczenia zaleca się minimalizować liczbę zakrętów rur o 90 stopni. Dyfuzory do rozpraszania powietrza również zwiększają opór, dlatego zaleca się nie stosować elementów o skomplikowanym wzorze.

Zanieczyszczone filtry i kratki powodują znaczne zakłócenia przepływu, dlatego należy je okresowo czyścić lub wymieniać. Jednym ze skutecznych sposobów oceny zabrudzenia jest zainstalowanie czujników monitorujących spadek ciśnienia na odcinkach przed filtrem i za nim.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Zasada działania rekuperatora obrotowego i płytowego:

Pomiar sprawności rekuperatora płytowego:

Domowe i przemysłowe systemy wentylacyjne z zintegrowanym rekuperatorem udowodniły swoją efektywność energetyczną w zakresie utrzymania ciepła w pomieszczeniach. Obecnie istnieje wiele ofert sprzedaży i instalacji takich urządzeń, zarówno w postaci gotowych i sprawdzonych modeli, jak i na indywidualne zamówienie. Obliczenie niezbędnych parametrów oraz montaż można wykonać samodzielnie.

Jeśli podczas zapoznawania się z informacjami pojawiły się pytania lub znaleźli Państwo nieścisłości w naszym materiale, prosimy o pozostawienie swoich komentarzy w bloku znajdującym się poniżej.