Płytowe wymienniki entalpiczne w małych centralach wentylacyjnych

W sezonie grzewczym wymiana ciepła jawnego (ang. sensible heat) w wyniku różnicy temperatury między strumieniami powietrza wiąże się z obniżeniem wilgotności względnej strumienia powietrza podgrzewanego – wzrost temperatury powietrza przy zachowaniu stałej wilgotności bezwzględnej (zawartości pary wodnej w g/kg powietrza), a więc bez jego nawilżania, powoduje znaczny spadek wilgotności względnej. Przykładowo wilgotność bezwzględna 3 g/kg przekłada się w temperaturze 0°C na wilgotność względną 78%, a w temperaturze 20°C już tylko na 21% (por. rys. 1).

Przy niskiej temperaturze zewnętrznej w sezonie grzewczym w ogrzewanym pomieszczeniu wilgotność względna powietrza jest niewielka, co powoduje u użytkowników wrażenie suchego powietrza i negatywnie wpływa na ich komfort cieplny (optymalna wilgotność powinna się mieścić w zakresie 40–60%), a także na procesy fizjologiczne – przesuszenie błony śluzowej oka czy górnych dróg oddechowych przyczynia się do podrażnień, gorszego działania błon śluzowych jako naturalnych barier ochronnych organizmu i zwiększonej podatności na choroby przenoszone drogą powietrzną. Jednocześnie w pomieszczeniach takich jak kuchnie czy łazienki powietrze ma wysoką (często nadmiernie z punktu widzenia komfortu czy dobrostanu) wilgotność względną. Warunkująca tę wilgotność para wodna zawarta w powietrzu to także nośnik energii, tzw. ciepła utajonego. Ze względu na wysokie ciepło właściwe – 1970 J/(kg ∙ K) – para wodna jest nośnikiem znaczącej ilości ciepła utajonego (ang. latent heat), którego odzysk może mieć znaczenie także dla oszczędności energii. Odzyskiwanie ciepła utajonego poprzez transfer wilgoci ze strumienia powietrza wywiewanego do nawiewanego może więc mieć dwie zasadnicze zalety – nawilżenie powietrza nawiewanego do poziomu zapewniającego komfort cieplny bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń nawilżających oraz odzysk ciepła utajonego.

Na czym polega działanie wymiennika entalpicznego

Producenci central rekuperacyjnych oferują rozwiązania umożliwiające odzysk zarówno ciepła jawnego (wiążącego się z różnicą temperatury między strumieniami powietrza), jak i utajonego (związanego z energią zawartą w parze wodnej w powietrzu). Oprócz popularnych w większych inwestycjach wymienników obrotowych (regeneracyjnych) coraz większa grupa producentów oferuje także płytowe wymienniki z dodatkowym odzyskiem ciepła utajonego poprzez transfer wilgoci.

Dla zaakcentowania, że odzyskiwane jest nie tylko ciepło jawne, w opisie tego rozwiązania stosuje się pojęcie entalpii, a wymiennik określany jest jako entalpiczny. W opisach produktów można spotkać określenie ERV – enthalpy/energy recovery ventilation (wentylacja z odzyskiem entalpii/energii) dla odróżnienia od HRV – heat recovery ventilation (wentylacja z odzyskiem ciepła) (por. rys. 2).

Entalpię gazu należy rozumieć jako jego stan (potencjał) termodynamiczny, będący miarą całkowitej energii zawartej w gazie w określonych warunkach (jednostką jest [J/kg]). Wartość energii zawartej w gazie zależy w znacznym stopniu od zawartości pary wodnej i znajdującego się w niej ciepła utajonego.

Entalpia powietrza wilgotnego (I) jest sumą entalpii powietrza suchego i pary wodnej, co pokazuje znaczenie odzysku ciepła utajonego dla bilansu energetycznego budynku:

gdzie:

Ip – entalpia powietrza suchego, J/kg;

Iw – entalpia pary wodnej, J/kg;

x – wilgotność bezwzględna powietrza.

W obszarach zastosowania central rekuperacyjnych popularność zyskują urządzenia wyposażone w entalpiczny wymiennik płytowy. W klasycznym płytowym wymienniku przeciwprądowym (zbudowanym z lameli, najczęściej aluminiowych) następuje wymiana ciepła jawnego na skutek różnicy temperatur. W wymienniku entalpicznym między strumieniami powietrza nawiewanego i wywiewanego także następuje wymiana ciepła utajonego dzięki przenoszeniu pary wodnej z powietrza wywiewanego do nawiewanego.

Odzysk wilgoci dzięki odpowiedniej konstrukcji wymiennika

Odzysk ciepła utajonego wymaga zastosowania wymiennika z odpowiedniego materiału. Zamiast typowych płyt aluminiowych stosuje się lamele wykonane najczęściej z materiału przepuszczającego wodę, które jednocześnie zapewniają odpowiednią efektywność odzysku ciepła jawnego. Płyty wymiennika składają się z rdzenia (podłoża) i powłoki (membrany) zewnętrznej. Ich zewnętrzna membrana musi być dodatkowo selektywna, żeby umożliwiać swobodny transport pary wodnej jako nośnika energii utajonej między strumieniami pod wpływem różnicy ciśnienia pary, ale nie przepuszczać innych substancji (np. zanieczyszczeń odpowiadających za powstawanie zapachów). Membrana powinna być możliwie cienka, by możliwa była efektywna wymiana ciepła jawnego. Z doświadczeń producentów wynika, że wyższą efektywność wymiany ciepła i wilgoci mają membrany cieńsze [1].

Płytowe wymienniki entalpiczne tradycyjnie wykonywano z celulozy bądź powlekanego papieru – materiał ten ma dobrą przepuszczalność i własności higroskopijne oraz cechuje się niskimi kosztami wykonania, problemem były jednak jego własności użytkowe. Celuloza lub papier powlekany w warunkach wysokiej wilgotności traci odporność mechaniczną i stabilność wymiarową, a niska temperatura (rozmrażanie i zamrażanie) powoduje pękanie membrany. Stosunkowo duża grubość warstwy selektywnej i wysoka domieszka środka osuszającego (> 80%) mogą obniżyć efektywność odzysku ciepła utajonego. W obecności wody może też nastąpić wymywanie cząstek papieru, a dodatkowym problemem jest palność tych materiałów. Ważnym czynnikiem wyboru materiału na wymiennik jest zatem jego trwałość i odporność mechaniczna na czyszczenie. Wymiennik wykonany z polimerów, kompozytów czy laminatów można w prosty sposób wyjąć z centrali wentylacyjnej i umyć pod bieżącą wodą bez szkody dla trwałości lameli. W przypadku wymienników z celulozy czy papieru powlekanego takie rozwiązanie jest niemożliwe.

Obecnie rozwijane są zatem różne rodzaje rdzeni i membran z odpowiednio przygotowanych tworzyw sztucznych. Do budowy rdzeni stosuje się np. mikroporowate materiały z PE wypełnione krzemionką, materiały oparte na poliolefinach (choć są one podatne na degradację przy długiej ekspozycji na wysoką temperaturę), a nawet PVC. Są one wytrzymałe mechanicznie i skuteczne pod względem przepuszczalności wilgoci (a zatem odzysku ciepła utajonego), dzięki ich zastosowaniu uzyskuje się także dobre przyleganie do podłoża warstwy selektywnej (membrany). Membrana przepuszcza wodę i parę wodną, ale uniemożliwia przenikanie zanieczyszczeń gazowych oraz stanowi nośnik dodatków poprawiających własności użytkowe całej membrany. Często stosuje się dodatki biobójcze, np. Microban®, Bioban, Dowicide i in. [1] – dzięki ich zastosowaniu wymiennik entalpiczny staje się odporny na wzrost pleśni i bakterii. Membrana może się składać z szeregu różnych polimerów, takich jak celuloza i jej pochodne, polietery, alkohole winylowe, poliakryle, poliakryloamidy, kompozyty (kopolimery). W przypadku powłoki z kompozytu problemem może być wysoka cena oraz duży udział rozpuszczalników organicznych i innych chemikaliów, co może utrudniać stosowanie domieszek poprawiających własności membrany, np. bakteriobójczych. W badaniach stwierdzono także, że w porównaniu do innych materiałów (np. papier i porowata powłoka asymetryczna) wymiennik z membraną z kompozytu wykazuje się najniższą efektywnością odzysku ciepła utajonego, co badacze powiązali z koniecznością zastosowania stosunkowo grubej warstwy tego materiału [2]. Występują także membrany laminowane (np. oparte na elastomerach termoplastycznych na bazie amidów, folii jonomerowych czy folii sulfonowanych i karboksylowanych). Mają one jednak skłonność do nierównomiernego pęcznienia i rozszerzania pod wpływem temperatury ze względu na zróżnicowane własności składających się na nie warstw, a duża grubość może utrudniać przenikanie wody. Niektóre laminowane membrany są także kosztowne [1].

Powłoka powinna być niejonowa i usieciowana, dzięki czemu jest mniej podatna na zanieczyszczenia pochodzące ze środowiska o pH kwaśnym lub zasadowym i nie ulega degradacji. Jak wynika z badań porównujących własności różnych materiałów (polimery usieciowane, papier, elastomery termoplastyczne, żywice kopolimerowe), materiały o dobrych własnościach przepuszczalnych mają jednocześnie gorszą wytrzymałość mechaniczną i odwrotnie (pewnym rozwiązaniem może tu być stosowanie domieszek zwiększających tę wytrzymałość) [3]. Grubość membrany stanowi kompromis pomiędzy odpornością na przenikanie zanieczyszczeń, skutecznością przepuszczania pary wodnej i wytrzymałością mechaniczną.

Dodatkowym czynnikiem związanym ze sprawnością wymiennika jest powstawanie warstwy granicznej – cienkiej warstwy wody na powierzchni membrany [4, 5]. Warstwa graniczna ogranicza przenikanie pary wodnej, zatem negatywnie wpływa na sprawność wymiennika, szczególnie na sprawność odzysku ciepła utajonego. Dlatego w konstrukcji wymienników stosuje się także przekładki membrany – badania wykazały, że zwiększają one efektywność wymiany zarówno ciepła jawnego, jak i utajonego, choć pewnym problemem może być zwiększenie oporów przepływu. Dokładniejsza analiza ekonomiczna wykazała jednak, że zastosowanie przekładek zwiększa efektywność procesu w różnych warunkach klimatycznych (badania wykonano dla lokalizacji w Kanadzie i w centralnej Europie). Choć straty ciśnienia ograniczają całkowite oszczędności, te ostatnie są zdecydowanie wyższe niż przy braku przekładek [5]. Znaczenie ich zastosowania jest tym bardziej widoczne, im wyższe są ceny energii, a także w odpowiednich warunkach klimatycznych – w przypadku dużej wilgotności zewnętrznej sprawność odzysku ciepła utajonego jest na tyle mała, że wpływ przekładek jest mniej widoczny [4].

Cechy użytkowe wymiennika entalpicznego

W 2019 r. przeprowadzono porównanie skuteczności odzysku ciepła jawnego (sensible heat) wymiennika ciepła bez odzysku wilgoci (wykonanego z polistyrenu) i wymiennika entalpicznego (wykonanego z przepuszczalnego materiału polimerowego) w różnych warunkach klimatycznych (Rejkiawik, Budapeszt i Rzym – miasta leżące odpowiednio w klimacie zimnym, umiarkowanym i ciepłym). Stwierdzono, że odzysk ciepła jawnego w przypadku obu rodzajów wymienników i różnych warunków klimatycznych dla jednakowego strumienia powietrza – 100 m³/h – jest podobny (ok. 94%), natomiast na jego obniżenie wpływa zwiększenie strumienia powietrza [6]. W innych badaniach stwierdzono, że sprawność odzysku ciepła jawnego spada z 82,7 do 73,8%, kiedy strumień powietrza wzrośnie ze 100 do 200 m³/h. Podobnie ze sprawnością odzysku ciepła utajonego – spada z 74,1 do 66,5%, kiedy strumień powietrza wzrośnie ze 100 do 200 m³/h [7]. Na sprawność odzysku ciepła utajonego (a tym samym całkowitą sprawność odzysku) negatywnie wpływa także zwiększenie wilgotności względnej strumienia powietrza nawiewanego (por. rys. 4) [6].

O całkowitej sprawności wymiennika entalpicznego mówi sprawność odzysku entalpii:

gdzie:

I₁ – entalpia powietrza nawiewanego – przed wymiennikiem, J/kg;

I₂ – entalpia powietrza nawiewanego – za wymiennikiem, J/kg;

I₃ – entalpia powietrza wywiewanego – przed wymiennikiem, J/kg.

W sezonie grzewczym różnica (I₃ – I₁) jest znaczna – powietrze wywiewane (z kuchni, łazienek, pralni itp.) jako ciepłe i wilgotne cechuje się wysokim ciepłem zarówno jawnym, jak i utajonym, natomiast wartości te są niższe w przypadku zimnego powietrza nawiewanego. Dla efektywności odzysku entalpii duże znaczenie ma zatem czynnik (I₂ – I₁) – aby uzyskać dużą różnicę entalpii między powietrzem za wymiennikiem, należy zapewnić nie tylko odzysk ciepła jawnego, ale i wilgoci. Sprawność odzysku wilgoci zależy także od materiału rdzenia wymiennika – dowiedziono, w oparciu o wyniki zarówno badań, jak i analizy numerycznej, że dla rdzenia (podłoża) wymiennika wykonanego z odpowiedniego kompozytu efektywność odzysku ciepła utajonego jest o ok. 60% wyższa niż dla klasycznego wymiennika wykonywanego z celulozy [8].

Całkowita sprawność temperaturowa wymiennika entalpicznego jest niższa niż wymiennika klasycznego. Według danych producentów [12], wynosi ona od 80 do 85% w porównaniu do 94% w wymienniku klasycznym przy tym samym strumieniu powietrza nawiewanego. Wynika to z przyjmowania dodatkowej masy pary wodnej, choć właśnie ten składnik jest nośnikiem ciepła utajonego. Zatem powietrze o niższej temperaturze, ale wyższej wilgotności może pełnić funkcję swoistego magazynu energii. Całkowita sprawność odzysku wymiennika entalpicznego „na papierze” może się także okazać niska w porównaniu z wymiennikiem klasycznym [9]. Zgodnie bowiem z przepisami ekoprojektu [10] i zapisami normy badawczej PN-EN 13141-7 [11], ciepła utajonego nie uwzględnia się w wynikach pomiarowych efektywności odzysku. Zagadnienie, czy i jak uwzględnić odzysk ciepła utajonego w pomiarach, pozostaje przedmiotem konsultacji na poziomie europejskim [9].

Rekuperatory z wymiennikami entalpicznymi zaleca się stosować w krajach o chłodniejszym i suchym klimacie, natomiast w warunkach stałej wysokiej wilgotności wymiennik taki będzie działał mniej wydajnie [6, 12]. Wymiennik entalpiczny będzie również odzyskiwać ciepło utajone w warunkach letnich, dzięki czemu ograniczone zostanie zużycie energii na chłodzenie powietrza nawiewanego. Może on wspomóc działanie klimatyzacji lub gruntowego wymiennika ciepła – strumień ciepłego, wilgotnego powietrza zewnętrznego może zostać wstępnie osuszony i schłodzony. Im wyższa temperatura powietrza nawiewanego, tym większa energia kinetyczna cząsteczek wody w powietrzu, co może pozytywnie wpływać na szybkość transportu wody przez membrany wymiennika [2].

Zobacz także: Centrale rekuperacyjne z wymiennikiem przeciwprądowym HRU-PremAIR

Centrale rekuperacyjne z wymiennikiem entalpicznym działają także bardziej efektywnie w niskiej temperaturze. Ze względu na brak kondensatu (wilgoć przechodzi do strumienia powietrza nawiewanego, zatem jej skraplanie ze strumienia powietrza wywiewanego jest zminimalizowane), znacznie ograniczone jest ryzyko szronienia wymiennika i spadku jego sprawności. Dzięki tej własności wymienniki entalpiczne nie wymagają wstępnego nagrzewania strumienia powietrza w warunkach temperatury niższej niż dla wymienników klasycznych (np. –6°C). Całoroczna sprawność takiej centrali jest zatem wyższa niż centrali z wymiennikiem klasycznym – można oszczędzić nawet 87,1% energii potrzebnej na pracę nagrzewnicy wstępnej [4]. Producenci oferują już urządzenia, w których zwykły wymiennik można wymienić na entalpiczny.

Literatura

1. Coated membranes for enthalpy exchange and other applications, opis patentu firmy Core, https://patents.google.com/patent/US9255744B2/en (dostęp: 27.09.2022)

2. Jahed Mogharrab Amir et al., Air-to-Air Heat and Moisture Recovery in a Plate-Frame Exchanger Using Composite and Asymmetric Membranes, „Membranes” 12(5)/2022, https://doi.org/10.3390/membranes12050484

3. Kozák Pavol, Košičanová Danica, Investigation of the use of various materials for the construction of an enthalpy exchanger, „Selected Scientific Papers – Journal of Civil Engineering” 15(2)/2020, p. 75–94, https://doi.org/10.1515/sspjce-2020-0021

4. Koester Sebastian, Membrane-based Enthalpy Exchangers, praca doktorska, RWTH Aachen 2020, DOI: 10.2370/9783844052299

5. Koester Sebastian et al., Spacer enhanced heat and mass transfer in membrane-based enthalpy exchangers, „Journal of Membrane Science” 520, p. 566–573, December 15, 2016

6. Kassai Miklos, Al-Hyari Laith, Investigation of Ventilation Energy Recovery with Polymer Membrane Material-Based Counter-Flow Energy Exchanger for Nearly Zero-Energy Buildings, „Energies” 12(9)/2019, https://doi.org/10.3390/en12091727

7. Liang Chang, Experiments Investigation of the Parallel-plates Enthalpy Exchangers, „Energy Procedia” 61/2014, p. 2699–2703, https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.12.281

8. Zhang Li-Zhi, Heat and mass transfer in plate-fin enthalpy exchangers with different plate and fin materials, „International Journal of Heat and Mass Transfer”, 52, 11–12/2009, p. 2704–2713, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.12.014

9. Wymiennik entalpiczny, czyli jak usprawnić wentylację nie tylko zimą, https://strefainstalatora.pl/material-partnera/wymiennik-entalpiczny-czyli-jak-usprawnic-wentylacje-nie-tylko-zima (dostęp: 27.09.2022)

10. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 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. L 337/8 z 25.11.2014)

11. PN-EN 13141-7 Wentylacja budynków. Badanie właściwości elementów/wyrobów do wentylacji budynków mieszkalnych. Część 7: Badanie właściwości urządzeń wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej (z odzyskiwaniem ciepła) do wentylacji mechanicznej budynków jednorodzinnych

12. Materiały techniczne firm: Alnor, Core, Dantherm, Paul Heat Recovery, Pro-Vent, Zehnder

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!