Odzysk ciepła i chłodu z powietrza wentylacyjnego

***

Niewielu inwestorów planujących budowę czy remont domu lub niewielkiej inwestycji (np. usługowej) nie słyszało o wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, realizowanej przez małe centrale, popularnie zwane rekuperatorami.

Postrzeganie tych urządzeń ewoluuje. Z luksusowej ciekawostki technicznej stają się stopniowo sprzętem gospodarstwa domowego. Sprzyja temu m.in. obowiązujące rozporządzenie unijne dotyczące wykonania dyrektywy ErP [1].

W myśl tego dokumentu centrale o wydatku do 250 m³/h i ewentualnie także te o wydatku 250–1000 m³/h (jeśli producent zadeklaruje, że są przeznaczone wyłącznie do budynków mieszkalnych) są klasyfikowane jako urządzenia przeznaczone do budynku mieszkalnego (SWM) i zgodnie z prawem muszą mieć etykietę energetyczną.

To istotny komunikat dla większości użytkowników, ponieważ za główne zadanie wentylacji z odzyskiem ciepła uważają oni oszczędności energii.

Sprawność wymiennika a oszczędność energii

Przyjęło się uważać, że wartość oszczędności energii jest bezpośrednio i wprost proporcjonalnie zależna od sprawności wymiennika. Warto więc mieć świadomość, jaką wartość sprawności odzysku ciepła podają producenci w dokumentacji. Powinna ona wynikać z rzetelnej, znormalizowanej procedury badawczej, zgodnej z normą PN-EN 308:2001 Wymienniki ciepła. Procedury badawcze wyznaczania wydajności urządzeń do odzyskiwania ciepła w układzie powietrze-powietrze i powietrze-gazy spalinowe.

 Parametry rekuperatora mogą być potwierdzone np. przez ceniony certyfikat niemieckiego Instytutu Domów Pasywnych (Passivhaus Institut Darmstadt). Dodatkowo należy zwracać uwagę na certyfikat Euroventu (dokument potwierdzający, że podane przez producenta w konkretnym dokumencie parametry urządzenia są zgodne z rzeczywistością). O ile duże centrale są poddawane certyfikacji jako pełne rozwiązanie, dla małych central certyfikat ten często dotyczy wyłącznie samego wymiennika.

Wymienniki krzyżowe i przeciwprądowe

W małych centralach wentylacyjnych najczęściej stosowane są wymienniki krzyżowe i wymienniki przeciwprądowe, w których rzeczywiście realizowany jest proces zwany rekuperacją, a więc wymiana ciepła przebiegająca bez braku kontaktu powietrza nawiewanego i usuwanego z tą samą powierzchnią wymiennika – przez przeponę pośredniczącą. Przeponą tą są dobrze przewodzące płyty (najczęściej aluminiowe, choć zdarzają się też wymienniki z odpowiedniego tworzywa sztucznego, np. HRU-MinistAir-W-450 firmy Alnor). Po jednej ich stronie płynie ciepłe, po drugiej zimne powietrze – w wyniku przewodzenia strumień zimnego powietrza podgrzewa się.

Wymienniki przeciwprądowe osiągają większą sprawność niż krzyżowe (odpowiednio do 75 i 95%), ponieważ następuje w nich zwiększenie powierzchni wymiany ciepła.

Kanaliki, przez które przepływają strumienie powietrza, mogą mieć przekroje o różnych kształtach (np. trójkąt), by maksymalizować powierzchnię styku. Żeby zwiększyć trwałość i odporność na korozję wymienników aluminiowych, często pokrywa się je dodatkową powłoką (np. epoksydową).

Niektórzy producenci dodatkowo stosują powłokę antybakteryjną zapobiegającą rozwojowi bakterii i grzybów – takie rozwiązanie stosuje np. Alnor. Powłoka taka cechuje się odpornością na ścieranie, więc nie zużywa się podczas czyszczenia.

Do zalet obu rodzajów wymienników należy także zaliczyć brak mieszania strumieni powietrza wywiewanego i nawiewanego, co dobrze wpływa na właściwości higieniczne powietrza nawiewanego, a także łatwą konserwację, trwałość i niemal bezobsługowe działanie, co wynika z braku części ruchomych.

Użytkownicy chętnie porównują same sprawności wymienników, często bez refleksji nad czynnikami wpływającymi w niejednoznaczny sposób na rzeczywiste wyniki pracy wymiennika, np. temperaturę. Chociażby rzadko bierze się pod uwagę dwa aspekty pracy zimowej – z jednej strony im niższa temperatura, tym wyraźniejsze są oszczędności (maleją wydatki na ogrzewanie powietrza, ponieważ podgrzewanie jest wstępnie realizowane w wymienniku), ale z drugiej strony – ta sama niższa temperatura przyczynia się do zamarzania wymiennika, tym bardziej że na powierzchni wymiennika dochodzi do wykraplania wilgoci.

Centrale z zastosowaniem takich wymienników muszą być więc wyposażone w podzespoły do odprowadzania skroplin (króćce, tacki do odprowadzania skroplin ze stali nierdzewnej) oraz przygotowane do tego, że już od –5°C mogą zacząć się problemy z zamarzaniem wymiennika.

Stosuje się szereg zabezpieczeń przed zamarzaniem:

• skuteczne odprowadzanie kondensatu z wymiennika (do obszarów, gdzie temperatura jest dodatnia);
• okresowe wyłączenie wentylatora nawiewnego, praca wentylatora wywiewnego i ogrzewanie wymiennika do określonej dla każdego urządzenia temperatury bezpiecznej (tj. takiej, przy której nie dochodzi do szronienia);
• okresowe zmniejszanie biegów/obrotów wentylatora – rozwiązanie bardziej efektywne dla pracy całej centrali;
• okresowe uruchomienie by-passu (letniego obejścia wymiennika – na wymiennik nie jest podawane zimne powietrze);
• okresowe zastosowanie recyrkulacji powietrza;
• okresowe zastosowanie nagrzewnicy wstępnej – podgrzewanie powietrza nawiewanego do temperatury bezpiecznej, przy czym najbardziej efektywne jest odpowiednie programowanie pracy nagrzewnicy, np. uruchomienie jej na określony czas zależny od wartości temperatury;
• połączenie centrali z wymiennikiem gruntowym – zimą powietrze, przechodząc przez rury zagłębione w gruncie poniżej poziomu zamarzania, może ogrzać się do temperatury powyżej 0°C.

W niskiej temperaturze, jeśli system antyzamrożeniowy jest nieefektywny, pobierana przez niego energia może po części niwelować oszczędności uzyskane dzięki odzyskowi ciepła. Może się wręcz okazać, że centrala o niższej sprawności wymiennika, ale z lepiej rozwiązaną ochroną antyzamrożeniową zapewni większe oszczędności podczas eksploatacji.

Pewnym rozwiązaniem zapobiegającym kondensacji wilgoci może być zastosowanie tzw. wymiennika entalpicznego. Wilgoć, zamiast kondensować, jest absorbowana przez materiał wymiennika – dlatego dla tych rozwiązań wymiennik zamiast z aluminium wykonuje się z materiału pozwalającego na absorpcję wilgoci z powietrza:

• selektywna, paroprzepuszczalna membrana celulozowa (np. w wymienniku HRU-ERGO firmy Alnor). Odległość między włóknami celulozy odpowiada wielkości cząsteczki wilgoci – umożliwia to zarówno oddzielenie większych cząsteczek, jak i swobodny przepływ pary wodnej;
• membrana polimerowa z zastosowaniem technologii absorbującej wilgoć z powietrza (np. technologia Microban firmy Chemours stosowana w wymiennikach marki Aeris). Jedną z zalet praktycznych urządzeń z wymiennikiem polimerowym jest możliwość mycia go w wodzie.

Wewnętrzny odzysk wilgoci nie tylko zapobiega szronieniu wymiennika i zwiększa efektywność odzysku, ale też przyczynia się do poprawienia warunków panujących w pomieszczeniach (np. zimą powietrze jest lepiej nawilżone bez stosowania dodatkowych urządzeń). Nieobecność kondensatu przyczynia się też do poprawy higieny systemu – nie ma możliwości rozwoju drobnoustrojów.

Odzysk ciepła dla takich wymienników wynosi 80–85%. Celuloza jako materiał konstrukcyjny stosowana jest np. w rekuperatorach Mitsubishi Electric LOSSNAY LGH-RVX (wydatek od 70 do 1000 m³/h). Jak podaje producent, zastosowanie odzysku wilgoci zwiększa efektywność wymiany ciepła o 3–9%.

Czytaj też: Wilgotność powietrza i recyrkulacja w wentylacji >>>

Wymiennik obrotowy i regeneracja

Rozwiązaniem zwykle kojarzonym z efektywnym odzyskiem ciepła utajonego z wilgoci są wymienniki obrotowe (regeneratory, rotory). Ten rodzaj wymiennika kojarzony jest przede wszystkim z większymi urządzeniami, ale na rynku można zaobserwować tendencję zmniejszania wielkości urządzeń, które są oferowane także z tym rozwiązaniem.

Odzysk polega tu na akumulacji ciepła na aluminiowej konstrukcji elementu obrotowego, złożonego np. z przemiennie nawiniętych taśm aluminiowych – płaskiej i karbowanej. Między taśmami powstają kanały przelotu powietrza, zatem kształt karbowania i odległość taśm wpływa na efektywność procesu odzysku ciepła i wilgoci. Ponieważ nie dochodzi do styku ciepłego i wilgotnego powietrza z zimną powierzchnią wymiennika, nie zachodzi kondensacja wilgoci.

Rotor umożliwia też odzysk części wilgoci z powietrza wywiewanego – nie dochodzi więc do gromadzenia wilgoci w centrali, a dodatkowo można nawilżyć powietrze nawiewane do pomieszczeń. Dzięki temu urządzenie może pracować w sposób ciągły w temperaturze poniżej –20°C, nawet do –30°C (taką granicę przemarzania podaje m.in. Komfovent). Eliminuje się dzięki temu stosowanie systemów antyzamrożeniowych, w tym dodatkowych nagrzewnic (choć w zimnych regionach są one opcjonalnie dostępne) czy instalacji odpływu skroplin. Sprawność odzysku dla takiego wymiennika osiąga 85%.

Efektywność odzysku ciepła utajonego z wilgoci można zwiększyć, stosując powłoki higroskopijne czy sorpcyjne – dzięki temu wymiennik odzyskuje jeszcze większą ilość ciepła z wilgoci zawartej w powietrzu. Sumaryczna moc odzysku z takim rozwiązaniem może wzrosnąć o 6–9% zimą, a latem nawet o ponad 30% (w odniesieniu do rotorów bez powłoki higroskopijnej).

Po stronie ograniczeń należy wymienić obecność części ruchomych (centrale z takim wymiennikiem wyposażone są we wskaźnik usterki rotora) oraz mieszanie strumieni powietrza – choć dla większości wymienników mieszanie to jest nieznaczne, dla pewnych zastosowań wymiennik obrotowy może być wykluczony z użytkowania.

Kompromis, czyli wymiennik ceramiczny

Niezależnie od kompaktowych rozmiarów central do zastosowań domowych montaż instalacji wentylacji mechanicznej jest dużym przedsięwzięciem.

Jeśli instalacja została zaplanowana na etapie projektowania domu czy innego obiektu, można ją wygodnie rozmieścić i przewidzieć miejsce dla jej wszystkich komponentów.

W przypadku konieczności modernizacji, szczególnie pojedynczych pomieszczeń, może się okazać, że montaż pełnej instalacji jest po prostu wykluczony. Na rynku dostępne są rekuperatory wewnątrzścienne dopasowywane do grubości ściany i wyposażone w wymiennik ceramiczny, który zapewnia odzysk ciepła nawet do 90%. Nawiew i wywiew realizowany jest przez jeden wentylator, który działa naprzemiennie.

Największą efektywność pracy uzyskuje się, łącząc dwa urządzenia pracujące równolegle i synchronicznie, ale mające przeciwstawne przepływy.

Czy tylko wymiennik?

Na oszczędność zużycia energii wpływa także rodzaj zastosowanych wentylatorów (nawiewnego i wywiewnego) i ich sposób pracy.

To właśnie wentylatory są najbardziej energochłonną częścią centrali, dlatego przy wyborze urządzenia należy zwrócić uwagę na to, jakiego rodzaju wentylator zastosował producent.

W małych centralach (np. typoszeregi DOMEKT z oferty Komfovent czy SMARTY z oferty Saldy) coraz częściej stosuje się silniki EC (elektronicznie komutowane) z płynną regulacją w zakresie 0–100%. Choć pod względem inwestycyjnym jest to rozwiązanie bardziej kosztowne, warto prześledzić wydatki na eksploatację – silniki EC zużywają o 40–60% mniej energii w odniesieniu do swoich odpowiedników AC.

Z punktu widzenia użytkowego warto też zwrócić uwagę na ich lepsze parametry akustyczne, mniejsze rozmiary (dzięki temu bardziej zwarta może być cała centrala) czy większą podatność na regulację.

Trzeba wspomnieć, że coraz więcej urządzeń domowych może zaoferować naprawdę zaawansowane sterowanie. Wiele z nich ma już w standardzie zintegrowaną automatykę (np. system C6 w centralach Komfovent), wbudowany serwer sieciowy umożliwiający sterowanie przez komputer i urządzenia mobilne oraz możliwość podłączenia do BMS po protokołach ModBUS i BacNET.

Programator harmonogramów oraz możliwość podłączania czujników (np. CO2) umożliwiają dostosowanie pracy centrali do aktualnych potrzeb. Funkcje te dodatkowo zwiększają oszczędność energii, którą może zapewnić mała centrala wentylacyjna.

Literatura

1. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1253/2014 z 7 lipca 2014 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych.
2. Materiały firm: Alnor, Brabor, Komfovent, Lindab, Mitsubishi Electric, Salda, Ventia, VTS, Zehnder.

Czytaj też: Konfiguracja centrali wentylacyjnej i źródła ciepła a koszty eksploatacji systemu grzewczo-wentylacyjnego domu jednorodzinnego >>>