Ocena wpływu zabrudzenia wymiennika krzyżowego na efektywność odzysku ciepła

Systemy wentylacji mechanicznej są powszechnie stosowane w budynkach użyteczności publicznej, również użytkownicy indywidualni chętnie decydują się na ich zabudowę w budynkach mieszkalnych. Jedną z zalet stosowania systemów wentylacji mechanicznej jest możliwość odzysku ciepła z powietrza wywiewanego z pomieszczeń przez zastosowanie centrali wentylacyjnej wyposażonej w odpowiednie urządzenie do odzysku ciepła. Odzysk strumienia ciepła z powietrza wywiewanego pozwala na zaoszczędzenie energii, która musiałaby zostać dostarczona do pomieszczenia w celu jego ogrzania czy ochłodzenia. W zależności od tego, czy w urządzeniu odzysku ciepła dochodzi do bezpośredniego kontaktu strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego z pomieszczeń, czy też nie, dzieli się je na regeneratory i rekuperatory [3]. O możliwości zastosowania danego rozwiązania decydują zazwyczaj względy związane z utrzymaniem odpowiedniej czystości powietrza nawiewanego do pomieszczeń [3, 5].

W pomieszczeniach zamkniętych człowiek spędza większą część swojego życia. Dlatego poza względami ekonomicznymi ważne jest zachowanie odpowiedniej czystości poszczególnych elementów instalacji wentylacji mechanicznej w celu zapewnienia czystości powietrza nawiewanego do pomieszczeń. Aktualnie nie obowiązują jednoznaczne wymagania prawne dotyczące zakresu oraz częstotliwości czyszczenia i konserwacji instalacji wentylacji mechanicznej. Ewentualne zalecenia dotyczące tych czynności wynikają z warunków gwarancji czy sugestii producentów i dostawców urządzeń oraz rozwiązań. Na konieczność czyszczenia instalacji wskazują badania potwierdzające, że brak dbałości o czystość instalacji może powodować objawy chorobowe u jego użytkowników [2]. W budownictwie powstał termin SBS (z ang. Sick Building Syndrome), czyli syndrom chorego budynku.

W artykule skoncentrowano się na ocenie wpływu zanieczyszczeń elementów centrali wentylacyjnej z wymiennikiem krzyżowym na efektywność odzysku ciepła. Do porównania posłużono się sprawnością temperaturową i sprawnością całkowitą uzyskiwaną w centrali wentylacyjnej w stanie zabrudzenia oraz po wykonaniu zabiegów czyszczenia podstawowych elementów instalacji, takich jak filtry, powierzchnie wymiennika krzyżowego, wirniki wentylatorów oraz wnętrze centrali.

Metody czyszczenia instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych

Czynności związane z czyszczeniem instalacji można podzielić na etapy związane z diagnostyką, czyszczeniem instalacji i jej wyposażenia oraz inspekcją po jego wykonaniu [2]. Diagnostyka stanu zabrudzenia instalacji może się okazać stosunkowo trudna, szczególnie w przypadku skomplikowanej sieci przewodów wentylacyjnych. Niekiedy dostęp do przewodów jest utrudniony, a lokalizacja klap rewizyjnych nie pozwala na dotarcie do wielu miejsc w instalacji. W takich sytuacjach możliwe jest wykorzystanie kamer endoskopowych lub robotów wyposażonych w kamery z oświetleniem. Ocena stanu zabrudzenia filtrów czy wnętrza urządzeń wentylacyjnych jest łatwa z uwagi na ich pełną dostępność i powinna być przeprowadzana okresowo.

W przypadku stwierdzenia zabrudzenia należy przystąpić do czyszczenia instalacji lub poszczególnych elementów jej wyposażenia. Najłatwiejsza do przeprowadzenia jest wymiana filtrów, która w zależności od charakteru pracy instalacji powinna być wykonywana z częstotliwością od 1 do 6 miesięcy [6]. Na częstotliwość wymiany filtrów wpływać będą zanieczyszczenia powietrza zewnętrznego, ale też czas pracy instalacji czy rodzaj i sposób użytkowania pomieszczenia. Stosunkowo prostym zadaniem jest również przeprowadzenie czyszczenia podstawowych elementów centrali wentylacyjnej. Trudniejsze może się okazać czyszczenie wszystkich przewodów wentylacyjnych. Ogólnie metody czyszczenia instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych można podzielić na mokre i suche, co zostało pokazane schematycznie na rys. 1.

Czyszczenie na sucho wykonuje się najczęściej z wykorzystaniem szczotek. Ich kształt i rodzaj zależy od kształtu kanałów oraz czyszczonych powierzchni. Zanieczyszczenia mogą być usuwane bezpośrednio z okolic szczotek za pomocą odciągów. Do metod czyszczenia na sucho zalicza się również czyszczenie sprężonym powietrzem, którego zastosowanie warunkowane jest w znacznej mierze wielkością instalacji. W przypadku dużych elementów i rozległych instalacji niezbędne jest stosowanie generatorów sprężonego powietrza o dużych wydatkach. W łatwo dostępnych miejscach prostym sposobem czyszczenia na sucho jest zastosowanie odkurzaczy przemysłowych. Czyszczenie na mokro znajduje zastosowanie w przypadku silnie zabrudzonych elementów instalacji. Takiego rodzaju czyszczenia wymagają najczęściej elementy instalacji przemysłowych czy też odciągów par i gazów, gdzie czyszczenie na sucho nie przyniosłoby pożądanego efektu. Najczęściej używa się pary lub wody. W niektórych instalacjach lub fragmentach instalacji, szczególnie mających kontakt z wilgocią lub drobnoustrojami, stosuje się dodatkowo dezynfekcję.

Stanowisko badawcze

Badania przeprowadzono w Laboratorium Wentylacji i Klimatyzacji Przemysłowej znajdującym się na Wydziale Górnictwa i Geoinżynierii Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Widok ogólny stanowiska badawczego przedstawia rys. 2. Stanowisko składa się z centrali wentylacyjnej wyposażonej w wymiennik krzyżowy oraz klimatyzatora. Dodatkowo na stanowisku zabudowana jest aparatura kontrolno-pomiarowa, w skład której wchodzą przetworniki ciśnienia wraz z sondami pomiarowymi, przetworniki wilgotności względnej z sondami pomiarowymi oraz przetwornik temperatury z sondami pomiarowymi.

Na rys. 3 przedstawiono schemat stanowiska badawczego wraz ze wskazaniem parametrów cieplno-wilgotnościowych oraz przepływowych w poszczególnych strumieniach powietrza przepływającego przez centralę wentylacyjną. Ochłodzone powietrze z klimatyzatora stanowi źródło powietrza zewnętrznego (3), które przez czerpnię pobierane jest do centrali wentylacyjnej. W wyniku procesu odzysku ciepła od strumienia powietrza wywiewanego (2), którym jest ciepłe powietrze z chłodzenia skraplacza klimatyzatora, uzyskiwano strumień powietrza nawiewanego (1). Strumień powietrza (4) stanowił powietrze usuwane.

W strumieniu powietrza nawiewanego (1) oraz usuwanego (4) dokonywano pomiaru temperatury powietrza. W strumieniu powietrza wywiewanego (2) i zewnętrznego (3) mierzono temperaturę i wilgotność względną powietrza, jak również dokonywano pomiaru ciśnienia dynamicznego w celu określenia prędkości powietrza w przewodzie.

Na stanowisku badawczym przeprowadzono dwie serie pomiarowe. Pierwszą dla stanu z zabrudzonymi elementami wyposażenia stanowiska, a drugą po wyczyszczeniu elementów centrali wentylacyjnej. Dokonano czyszczenia filtrów, powierzchni wymiennika, wirników wentylatorów oraz wnętrza centrali. Zastosowano metody czyszczenia na sucho. Każda z serii pomiarowych trwała ok. 80 min, a odstęp pomiędzy kolejnymi odczytami wynosił 2 min. Z uwagi na zmienność parametrów powierza w początkowej fazie badania, związaną z pracą klimatyzatora stanowiącego źródło powietrza zewnętrznego i wywiewanego, w obliczeniach uwzględniono pomiary, w których temperatury powietrza w tych strumieniach się ustabilizowały (zmiana pomiędzy kolejnymi pomiarami była mniejsza niż 1%). Do porównania efektywności odzysku ciepła dla obu serii pomiarowych wykorzystano wyniki pomiarów z okresu 40 min, kiedy parametry powietrza zewnętrznego i wywiewanego były takie same. Z uwagi na fakt, że po czynnościach związanych z czyszczeniem elementów centrali wydatek powietrza przepływającego przez obie części wymiennika uległ zwiększeniu (wzrost o ok. 6%), dokonano jego regulacji w celu uzyskania przepływu takiego samego, jak przy pomiarach wymiennika zabrudzonego. W trakcie pomiarów w obydwu wykonanych seriach przepływ powietrza przez centralę po obu stronach wymiennika krzyżowego wynosił 150 m3/h.

Porównanie wyników efektywności odzysku ciepła

Dla każdej serii pomiarowej dokonano analizy uzyskanych wyników, porównując efektywność odzysku ciepła. Porównano sprawność temperaturową oraz całkowitą dla obu stanów zabrudzenia wymiennika (przed i po czyszczeniu).Sprawność temperaturową z uwzględnieniem takiego samego wydatku powietrza po obu stronach wymiennika określono ze wzoru [1]:

(1)

gdzie:

t₁ – temperatura powietrza nawiewanego, °C;

t₂ – temperatura powietrza wywiewanego, °C;

t₃ – temperatura powietrza zewnętrznego, °C.

Sprawność całkowitą, z uwzględnieniem takiego samego wydatku powietrza po obu stronach wymiennika, określono ze wzoru [1]:

(2)

gdzie:

i₁ – entalpia właściwa powietrza nawiewanego, °C;

i₂ – entalpia właściwa powietrza wywiewanego, °C;

i₃ – entalpia właściwa powietrza zewnętrznego, °C.

Entalpię właściwą powietrza wilgotnego obliczono na podstawie znanych zależności obliczeniowych dla parametrów powietrza wilgotnego [4] w oparciu o pomierzone parametry termodynamiczne powietrza, takie jak temperatura powietrza, wilgotność względna oraz ciśnienie atmosferyczne.

Na rys. 4 przedstawiono zmiany temperatur i wilgotności w centrali wentylacyjnej dla obu serii pomiarowych. Wydatek powietrza przepływającego przez centralę w czasie badania wynosił 150 m3/h po obu stronach wymiennika.

Z kolei na rys. 5 przedstawiono zmiany sprawności temperaturowej w czasie pomiarów dla wymiennika zabrudzonego oraz po czyszczeniu. Sprawność temperaturowa wymiennika po czyszczeniu jest większa średnio o 4,6%.

Na rys. 6 przedstawiono natomiast zmiany sprawności całkowitej w czasie pomiarów dla obu stanów zabrudzenia wymiennika. Sprawność całkowita wymiennika po czyszczeniu jest większa średnio o 4,9%.

Sprawność całkowita centrali wentylacyjnej podczas pomiarów

Uwzględniając strumień przepływającego powietrza w centrali przed czyszczeniem, odbierano średnio 970 W energii cieplnej. Po wyczyszczeniu wymiennika uzyskano zwiększenie odbioru energii cieplnej do 1025 W, czyli o 55 W, co stanowi wzrost o 5,7%.

Podsumowanie

W ramach przeprowadzonych badań skupiono się na określeniu zmiany sprawności temperaturowej i całkowitej centrali wentylacyjnej z wymiennikiem krzyżowym przed i po czyszczeniu jego elementów. Przeprowadzenie czyszczenia elementów centrali i wymiana filtrów spowodowała wzrost wydatku powietrza przepływającego przez centralę o ok. 6%. W celu porównania sprawności odzysku ciepła po czyszczeniu dokonano regulacji strumienia powietrza dla uzyskania takiego samego strumienia powietrza jak dla wymiennika zabrudzonego. Uzyskano wzrost o 4,6% w wypadku sprawności temperaturowej oraz 4,9% dla sprawności całkowitej. Czyszczenie wymiennika centrali wentylacyjnej przyczyniło się do wzrostu odzysku energii cieplnej o 5,7%.

Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że okresowa wymiana filtrów oraz czyszczenie elementów wyposażenia instalacji wentylacyjnej mają duże znaczenie. Wpływa to na poprawę efektywności wymiany ciepła, ale także na jakość powietrza doprowadzanego do pomieszczeń.

Literatura

1. Lipska Barbara, Projektowanie wentylacji i klimatyzacji – podstawy uzdatniania powietrza, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2014.
2. Musioł Krzysztof, O metodach czyszczenia instalacji wentylacyjnych „po polsku”, „Instal Reporter” nr 3/2011, https://instalreporter.pl/ogolna/o-metodach-czyszczenia-instalacji-wentylacyjnych-„po-polsku/ (dostęp 19.06.2019).
3. Pełech Aleksander, Wentylacja i klimatyzacja – podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
4. Recknagel Hermann, Sprenger Eberhard, Schramek Ernst-Rudolf, Kompendium Wiedzy. Ogrzewnictwo, Klimatyzacja, Ciepła woda, Chłodnictwo, Omni Scala, Wrocław 2008.
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002, nr 75, poz. 690, z późn. zm.).
6. Ryńska Joanna, Krótki przewodnik po konserwacji central wentylacyjno-klimatyzacyjnych, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 11/2016, s. 64–70.