Pompy ciepła – system odzysku ciepła i "zimna" w centralach wentylacyjnych

W artykule przedstawiono krótką charakterystykę wybranych metod odzysku ciepła i porównano najczęściej wykorzystywane rekuperatory ciepła – krzyżowe wymienniki ciepła (systemy powietrze–powietrze) oraz mało rozpowszechnione, lecz cechujące się wieloma zaletami – systemy odzysku ciepła z medium pośredniczącym – pompy ciepła. Uchwalone w 1997 r. Prawo energetyczne nałożyło obowiązek realizacji planu zrównoważonego rozwoju w aspekcie gospodarowania energią. Jednym z zakresów działań zgodnych z tą ideą jest wykorzystanie energii odpadowej zawartej w zużytym powietrzu wentylacyjnym, która powinna zostać wykorzystana do podgrzewania powietrza nawiewanego. Obecnie jest wiele metod odzysku ciepła w systemach klimatyzacyjnych.

Do procesów tych zalicza się: recyrkulację, rekuperację oraz regenerację. Pod względem technicznym odzysk ciepła można przeprowadzić według dwóch zasadniczych sposobów: wykorzystując systemy pracujące bez medium pośredniczącego w wymianie ciepła, tzn. przekazujących ciepło w sposób bezpośredni powietrze-powietrze, oraz systemy z medium pośredniczącym, tzn. przekazującym ciepło w sposób pośredni powietrze-nośnik ciepła-powietrze.

Metody odzysku ciepła

Wykorzystywane w systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych urządzenia do odzysku ciepła mogą realizować, w zależności od zastosowanych wymienników ciepła oraz parametrów powietrza nawiewanego i wywiewanego, proces odzysku ciepła tylko jawnego bądź jawnego i utajonego. Do najczęściej wykorzystywanych układów bez medium pośredniczącego możemy zaliczyć recyrkulację, regeneracyjny wymiennik obrotowy oraz rekuperacyjny wymiennik przeponowy. W grupie urządzeń wykorzystujących czynnik pośredniczący znajdują się: „rurki ciepła” (heat pipes), sprzężone wymienniki glikolowe lub wodne oraz pompy ciepła (sprężarkowe lub absorpcyjne). Każda z wymienionych metod odzysku ciepła lub „zimna” cechuje się pewnymi zaletami, jak i wadami. Z uwagi na ograniczony zakres opracowania zwrócono szczególną uwagę i dokonano prezentacji dwóch urządzeń do odzysku ciepła: krzyżowo-płytowego wymiennika, jako najczęściej wykorzystywanego systemu odzysku ciepła, oraz sprężarkowej pompy ciepła.

Krzyżowo-płytowy wymiennik ciepła

Wymiana ciepła w krzyżowo-płytowym wymienniku ciepła odbywa się przy udziale przepony, która oddziela dwa strumienie powietrza: zimnego i ciepłego. Oba strumienie powietrza ukierunkowane są względem siebie prostopadle, stąd też nazwa wymiennika: krzyżowy. Płyty mogą być wykonane z różnych materiałów, najczęściej wykorzystywane to: blacha stalowa, tworzywa sztuczne lub aluminium. Z uwagi na konstrukcję wymiennika istnieje możliwość wymiany tylko ciepła, bez wymiany wilgoci, podobnie jak w innych układach z czynnikiem pośredniczącym. Ilość przekazywanego ciepła jest zależna od sprawności odzysku ciepła wymiennika oraz parametrów obu strumieni powietrza uczestniczących w wymianie ciepła. Sprawność odzysku ciepła jest parametrem charakterystycznym płytowych wymienników ciepła. Określa ją stosunek energii odzyskanej z powietrza usuwanego do maksymalnej wyliczonej teoretycznej energii, jaką można byłoby odzyskać, gdyby na wymienniku nie występowały jej straty. Najczęściej w przypadku płytowych wymienników ciepła posługuje się pojęciem sprawności temperaturowej, związanej z temperaturami obu strumieni powietrza oraz sprawności całkowitej, związanej z entalpią powietrza. Sprawność temperaturowa:

η=t₂ −t₁/t₃ −t₁

gdzie:

t₁ – temp. powietrza zewnętrznego na wlocie do wymiennika,

t₂ – temp. powietrza zewnętrznego na wyjściu z wymiennika,

t₃ – temp. powietrza usuwanego z pomieszczenia na wlocie do wymiennika.

Sprawność całkowita:

η=h₂−h₁/h₃−h₁

gdzie:

h₁ – entalpia powietrza zewnętrznego na wlocie do wymiennika,

h₂ – entalpia powietrza zewnętrznego na wyjściu z wymiennika,

h₃ – entalpia powietrza usuwanego z pomieszczenia na wlocie do wymiennika.