Czynniki wpływające na sprawność centrali rekuperacyjnej

Sprawność rekuperatora rozumie się jako efektywność odzysku ciepła (energii) ze strumienia powietrza wentylacyjnego wywiewanego. Gdyby w centrali nie było wymiennika, energia ta byłaby bezpowrotnie stracona. Sprawność stanowi iloraz energii odzyskanej Q_o do energii Q, którą trzeba dostarczyć, aby ogrzać powietrze wentylacyjne.

Na wartość energii dostarczonej do ogrzania powietrza wentylacyjnego Q składa się:

    • Q_u – ilość energii (ciepła) zawartej w powietrzu wywiewanym (usuwanym), J;
    • Q_w – ilość energii elektrycznej potrzebnej do zasilania wentylatorów, J;
    • Q_g – ilość energii pobieranej przez urządzenie antyzamrożeniowe (np. nagrzewnicę wstępną), J.

Sprawność rekuperatora a sprawność wymiennika

Producenci często jako „sprawność” podają sprawność samego wymiennika. Parametr ten mówi o tym, jaką ilość ciepła (a więc energii) wymiennik może odzyskać z powietrza wywiewnego. Na przykład sprawność rekuperatora 84% oznacza, że 84% ciepła ze strumienia powietrza wywiewanego przekazywane jest do strumienia powietrza nawiewanego, a 16% jest tracone. Sprawność wymiennika określa się często jako sprawność temperaturową odzysku ciepła:

sprawność temperaturowa

gdzie:
T₁ – temperatura powietrza zewnętrznego (nawiewanego przed wymiennikiem), °C;
T₂ – temperatura powietrza nawiewanego za wymiennikiem, °C;
T₃ – temperatura powietrza wywiewanego z pomieszczeń przed wymiennikiem, °C.

Czytaj też: Stosowanie odzysku ciepła, OZE oraz zdecentralizowanych systemów wentylacyjnych w kontekście wymagań WT 2021 >>

Jak widać, sprawność temperaturowa nie jest stała – zależy od wartości, które z natury często się zmieniają:

• temperatury zewnętrznej powietrza nawiewanego (T₁);
• wilgotności powietrza zewnętrznego;
• temperatury powietrza wywiewanego z pomieszczenia (T₃);
• wilgotności powietrza wywiewanego;
• warunków pracy w wymienniku, np. natężenia przepływu (co może się wiązać z trybem pracy i biegiem wentylatora) oraz czystości powierzchni wymiany ciepła;
• zbilansowania strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego – jeśli powietrza nawiewanego jest mniej, w pomieszczeniach powstaje podciśnienie. W ten sposób może do niego napływać zimne powietrze (przez nieszczelności w powłoce budynku).

Skąd zatem biorą się wartości, które podają producenci? Sprawność temperaturowa wymiennika podawana jest najczęściej dla określonych, najkorzystniejszych warunków pracy. Czy wymiennik jest w stanie osiągnąć taką sprawność? Tak, ale w ściśle określonych warunkach. Zatem sprawność, jaką deklaruje producent, jest zwykle sprawnością maksymalną. Czasem w materiałach technicznych znaleźć można informację o zakresie sprawności temperaturowej, a czasem o jej wartości maksymalnej.

Sprawność rekuperatora a odzysk entalpii

Sprawność odzysku energii w wymienniku zależy nie tylko od temperatury. Wpływa na nią także wilgotność strumieni powietrza, które wymieniają energię. Para wodna także jest nośnikiem energii, tzw. ciepła utajonego. Niektóre wymienniki (obrotowe i przeciwprądowe w wykonaniu tzw. entalpicznym) odzyskują również energię niesioną przez wilgoć. Całkowita energia strumienia powietrza (suchego i pary wodnej) stanowi pewien stan, nazywany entalpią. To właśnie sprawność odzysku entalpii jest pełną miarą sprawności wymiennika.

sprawność odzysku entalpii

gdzie:
I₁ – entalpia powietrza nawiewanego przed wymiennikiem, J/kg;
I₂ – temperatura powietrza nawiewanego za wymiennikiem, J/kg;
I₃ – temperatura powietrza wywiewanego przed wymiennikiem, J/kg.

Sprawność odzysku entalpii ma wartość niższą niż sprawność temperaturowa. Dlatego zawsze warto sprawdzić, o jakiej sprawności mowa i w jakich warunkach została ona określona.

Wentylatory a sprawność rekuperatora

Rozpatrując centralę rekuperacyjną jako całość, należy uwzględnić także straty ciepła (głównie przez obudowę) oraz zużycie energii elektrycznej. Sprawność centrali wentylacyjnej (efektywność odzysku ciepła) jest więc niższa niż sprawność samego wymiennika. Jeśli nie uruchamiają się mechanizmy chroniące wymiennik przed szronieniem, najwięcej prądu zużywają wentylatory – nawiewny i wywiewny. Na zużycie energii przez wentylatory wpływ mają zastosowany silnik wentylatora i system automatycznej regulacji. Coraz częściej w centralach standardem są wentylatory z silnikami EC (elektronicznie komutowanymi) sterowanymi falownikiem. Rozwiązanie to pozwala dostosować pobór mocy wentylatora do panujących warunków.

Ile prądu zużywają rocznie wentylatory? Przyjmijmy przykład domu, w którym w czasie pandemii mieszkańcy spędzają większość czasu, więc wentylatory przez cały czas pracują na drugim biegu. Przykładowa moc wentylatora pracującego na drugim biegu wynosi P_w = 40 W (średnia wartość z rzeczywistych wartości rynkowych dla kilku dobrych urządzeń).

Symulacja może być oczywiście dokładniejsza – np. 2 h pracy na trzecim biegu na czas mycia i gotowania plus 8 h pracy na pierwszym biegu podczas nieobecności domowników – jednak powyższe założenie (24 h na 2. biegu) jest dobrym przybliżeniem. Roczny koszt zużycia takiej energii na terenie Polski wyniesie (przy założeniu, że koszt przesyłu prądu i energii czynnej za 1 kWh w Polsce wynosi 0,62–0,73 zł – dane na koniec 2020 roku):

Zatem zużycie energii przez wentylatory jest w skali roku raczej niewielkie w stosunku do energii, jaką można odzyskać dzięki centrali przy zapewnieniu skutecznej wentylacji. Należy przy tym zauważyć, że zużycie energii przez wentylator rośnie, jeśli są zabrudzone filtry (większe opory przepływu) lub występują jakiekolwiek nieprawidłowości w pracy sieci przewodów wentylacyjnych.

Zamarzanie i zabezpieczenia antyzamrożeniowe a sprawność rekuperatora

Zimą strumień powietrza nawiewanego na rekuperator często ma temperaturę ujemną, co może powodować zamarzanie skroplin (kondensatu). Na płytach wymiennika pojawia się szron. Jego warstwa stopniowo się pogrubia, zmniejszając prześwit i zwiększając spadek ciśnienia na wymienniku oraz ograniczając przepływ powietrza zimnego. Szronienie staje się więc coraz intensywniejsze, co powoduje znaczny spadek sprawności wymiennika. Dlatego konieczne jest stosowanie zabezpieczeń antyzamrożeniowych.

Rekuperatory można zabezpieczyć przed zamarzaniem na kilka sposobów. Jednocześnie ich funkcjonowanie wymaga wyposażenia centrali w odpowiednią automatykę, która steruje włączeniem i wyłączeniem zabezpieczeń antyzamrożeniowych. Odpowiednie elementy pomiarowe umożliwiają reakcję systemu automatyki w przypadku odchylenia temperatury lub ciśnienia od wartości zadanej.

W zakresie pomiaru temperatury rekuperator może więc mieć czujnik temperatury lub termostat za wymiennikiem po stronie wywiewu. Pod względem pomiaru ciśnienia presostat reaguje na większy spadek ciśnienia na rekuperatorze.

Czytaj też: Centrale dachowe >>

Czasowe wyłączenie wentylatora nawiewnego

Zapewnia ogrzanie wymiennika przez powietrze wywiewane. Czujniki sygnalizują spadek temperatury lub ciśnienia, wentylator wywiewny się wyłącza, a przez wymiennik przepływa tylko ciepłe powietrze wywiewane. Wówczas szron się topi. Proces trwa do czasu, kiedy czujnik wykryje podniesienie wartości parametru do zadanego poziomu.

Od stosowania tego sposobu producenci central odchodzą, ponieważ ma on ograniczenia. Jeśli panuje niska temperatura, sytuacja wyłączania i włączania wentylatora nawiewnego powtarza się dość często. Nie jest to korzystne dla trwałości urządzenia. Dodatkowo jeśli wentylator nawiewny nie pracuje, w budynku powstaje podciśnienie. Zimne powietrze zasysane jest w sposób niekontrolowany na przykład przez nieszczelności w stolarce. Wówczas ogrzanie powietrza wymaga jeszcze większego nakładu energii.

Zastosowanie nagrzewnicy wstępnej

Nagrzewnica wstępna elektryczna montowana jest na kanale nawiewnym przed wymiennikiem (jej moc producent dobiera do wydatku centrali). Kiedy nagrzewnica pracuje, podgrzewa powietrze nawiewane do temperatury, przy której szron nie powstanie. Nagrzewnica uruchamia się za pomocą sygnału z czujnika i wyłącza po osiągnięciu zadanej wartości temperatury (lub spadku ciśnienia). W przypadku tego rozwiązania lepiej zastosować czujnik temperatury (nie termostat), co pozwala sterować wartościami temperatury progowej (sygnalizującej konieczność załączenia i wyłączenia nagrzewnicy). Im mniejsza będzie różnica między temperaturami progowymi, tym częściej nagrzewnica będzie się uruchamiać. Sterowanie może też oferować bardziej zaawansowaną funkcję. Moc nagrzewnicy dostosowuje się do temperatury powietrza za wymiennikiem po stronie wywiewu. Praca z mocą dostosowaną do bieżących potrzeb pozwala na zmniejszenie zużycia energii przez nagrzewnicę.

Przepustnica obejściowa

Przepustnica obejściowa wymiennika (by­-pass wymiennika) pozwala na częściowe omijanie wymiennika przez nawiewane zimne powietrze. W tym wypadku sygnał pochodzi z czujnika temperatury lub termostatu. Chodzi o to, aby temperatura za rekuperatorem (na wywiewie) nie spadała poniżej ustalonej wartości (np. 5°C). Powietrze zimne czasowo przepuszczane jest poza wymiennikiem, zatem ciepłe powietrze wywiewane może ogrzać wymiennik i nie dopuścić do jego zamarznięcia.

Gruntowy wymiennik ciepła

Powietrze nawiewane może być też wstępnie podgrzewane przez gruntowy wymiennik ciepła (GWC). Jest to jednak rozwiązanie stosunkowo wymagające i kosztowne na etapie inwestycji. Warto przeliczyć zastosowanie takiego wymiennika w odniesieniu do konkretnych potrzeb. Aby pokusić się o oszacowanie, jaka będzie przybliżona całoroczna sprawność rekuperatora, należy przeprowadzić analizę np. za pomocą programu doboru pochodzącego od producenta lub zamówić u niego taką analizę. Uwzględnia ona sprawność centrali nie tylko pod kątem wymiennika, ale też dodatkowe zużycie energii, w tym zużycie prądu przez wentylatory i zabezpieczenia antyzamrożeniowe. Rzeczywista sprawność w danym roku będzie jednak zależała także m.in. od tego, jak często będzie się uruchamiać zabezpieczenie antyzamrożeniowe – czyli od temperatury zewnętrznej. Łagodne zimy mogą sprawić, że ten składnik zużycia energii będzie niższa.