W związku z rosnącymi kosztami energii, konieczne jest poszukiwanie sposobów wykorzystania energii zawartej w powietrzu usuwanym z pomieszczeń wentylowanych do częściowej zmiany parametrów powietrza zewnętrznego.

Nowoczesne budownictwo cechuje się dużą szczelnością przegród zewnętrznych i okien. W związku z tym, w celu zapewnienia niezbędnej ilości świeżego powietrza użytkownikom pomieszczeń, powszechne staje się stosowanie wentylacji mechanicznej. Przy wyborze systemu napowietrzania warto wybrać rozwiązanie optymalne, zarówno pod względem kosztów, oszczędności energii, jak również rzeczywistej wydajności. Do częściowego odzysku energii wykorzystuje się wymienniki do odzysku ciepła. Urządzenia te pozwalają na przekazanie energii cieplnej ze strumienia wywiewanego do strumienia powietrza zewnętrznego przed procesem obróbki w urządzeniu wentylacyjnym, co pozwala znacząco zaoszczędzić koszty eksploatacyjne systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.

W pierwszej części artykułu opisano trzy istotne formy odzysku ciepła: recyrkulację, wymienniki gruntowe i wymienniki rekuperacyjne. W tabeli 1. zestawiono cechy charakterystyczne poszczególnych form odzysku ciepła, przedstawiono ich wady i zalety. W niniejszej części artykułu zaprezentowane zostaną pozostałe formy odzysku ciepła: wymienniki regeneracyjne, pompy ciepła oraz inne, mniej typowe rozwiązania.

(...)

Wymienniki regeneracyjne

Regeneracja jest sposobem odzysku ciepła, w którym obydwa strumienie przepływającego powietrza wymieniają ciepło na skutek omywania tej samej powierzchni [1]. Wymienniki regeneracyjne wykorzystują tzw. masę akumulacyjną, czyli element urządzenia, będącym swoistym akumulatorem energii, pozwalającym na wymianę ciepła pomiędzy strumieniami. Masa akumulacyjna może być statyczna lub ruchoma, może być cieczą, bądź ciałem stałym.

Rys. 1. Centrala wentylacyjna z wymiennikiem regeneracyjnym (wymiennik obrotowy)

Wymiennik obrotowy

Wymiennik obrotowy (rys. 2.) jest jednym z najbardziej powszechnie stosowanych form odzysku ciepła. Wynika to z jego wysokiej sprawności (dochodzącej do 90%), relatywnie niewielkich gabarytów oraz niskich kosztów eksploatacyjnych. Wymiana ciepła odbywa się pod wpływem wprawionego w ruch wirnika wymiennika obrotowego (rys. 2a,b). Wirnik (rotor) składa się z naprzemiennie nawiniętej taśmy aluminiowej karbowanej i płaskiej, tworzących kanały przelotu powietrza (rys. 2b). Rotor spełnia rolę masy akumulacyjnej, która w kontakcie z powietrzem wywiewanym nagrzewa się, by oddać ciepło po obrocie i dostaniu się w strefę powietrzem nawiewanego (świeżego). W ten sposób wypełnienie rotora odbiera ciepło ze strumienia powietrza wywiewanego i przekazuje je do powietrza nawiewanego w okresie zimowym. W okresie letnim przepływ ciepła odbywa się w kierunku przeciwnym. Efektywność procesów wymiany energii urządzenia uzależniona jest od struktury jego wypełnienia, prędkości przepływu powietrza w kanalikach oraz prędkości obrotowej wirnika. Typowa sekcja wymiennika obrotowego w centrali wentylacyjnej (rys. 2c) składa się z rotora (1), napędu (2) oraz sekcji czyszczącej (3). Obrotowy wymiennik ciepła standardowo wyposażony jest w zespół napędowy wraz z układem sterowania prędkością obrotową.

Rys. 2. Wymiennik obrotowy – charakterystyka: a) wymiennik obrotowy w kompaktowej centrali wentylacyjnej; b) budowa rotora w wymienniku obrotowym; c) budowa sekcji centrali z wymiennikiem obrotowym

Podstawową wadą wymienników obrotowych są występujące na nim przedmuchy, które powodują mieszanie się strumieni powietrza. Przedmuchów nie da się całkowicie wyeliminować, jednakże nowoczesne rozwiązania central wentylacyjnych pozwalają na zachowanie „właściwego” kierunku przepływu powietrza, tj. przedostawanie się zawsze strumienia powietrza świeżego do kanału wywiewanego, nigdy odwrotnie. Żeby było to możliwe, niezbędne jest utrzymywanie w sekcji wywiewnej ciągłego podciśnienia względem sekcji nawiewnej (niewskazane jest, żeby wymiennik znajdował się po stronie tłocznej wentylatora wywiewnego).

Wymiennik obrotowy zazwyczaj wykonany jest z metalu, istnieje również możliwość pokrycia rotora powłoką higroskopijną, w celu zapewnienia skutecznego odzysku wilgoci (rys. 3.). Standardowy wymiennik z aluminium ma typowy, metalicznoszary kolor (rys. 3a). Rotor z warstwą higroskopijną ma zazwyczaj kolor biały (rys. 3b). W okresie zimowym, w metalowym wymienniku obrotowym, w sytuacji, gdy temperatura ścianki wymiennika jest niższa od temperatury punktu rosy powietrza wywiewanego, występuje samorzutna wymiana wilgoci, spowodowana faktem, że kondensująca na powierzchni wymiennika ciecz przenosi się do kanału mokrego wraz z obracającym się rotorem. W sytuacji, gdy powierzchnia ścianki wypełnienia ma temperaturę wyższą od temperatury punktu rosy powietrza wywiewanego (tzw. warunki suchej wymiany ciepła) para wodna nie kondensuje na rotorze i nie następuje wymiana wilgoci pomiędzy strumieniami powietrza (rys. 3c).

W przypadku wymiennika z warstwą higroskopijną, wymiana masy występuje cały czas ( z wyjątkiem sytuacji, w której oba strumienie powietrza mają tą samą zawartość wilgoci), pozwala to na skuteczniejsze odzyskiwanie ciepła całkowitego (rys. 3d). Ma to szczególnie istotne znaczenie dla systemów z klimatyzacją precyzyjną, w których wymagane jest znaczne nawilżenie bądź osuszenie powietrza.

Rys. 3. Wypełnienie wymiennika obrotowego: a) typowe wypełnienie metalowe; b) wypełnienie higroskopij ne; c) ilustracja przemian powietrza zewnętrznego i wywiewanego w wymienniku obrotowym z niehigroskopij nym wypełnieniem na wykresie i-x – warunki suchej wymiany ciepła; d) ilustracja przemian powietrza zewnętrznego i wywiewanego w wymienniku obrotowym z higroskopij nym wypełnieniem na wykresie i-x

Wymiennik akumulacyjny Innym przykładem wymiennika regeneracyjnego jest regenerator akumulacyjny. Wysoko efektywne akumulacyjne wymienniki regeneracyjne, osiągają sprawność odzysku ciepła na poziomie powyżej 90% oraz sprawność odzysku wilgoci na poziomie 75%. Składa się na to kilka czynników: wymienniki akumulacyjne są zazwyczaj większe od regeneratorów obrotowych, mają zatem większą powierzchnię wymiany ciepła. Ponadto ich budowa pozwala wykorzystać cale światło kanału do przepływu powietrza (w przypadku wymiennika obrotowego, z racji jego okrągłej budowy, jest to niemożliwe). Trzecim czynnikiem „poprawiającym” efektywność odzysku ciepła jest samorzutne podmieszanie części powietrza wywiewanego i zewnętrznego przy przełączaniu przepustnic. Sekcja akumulacyjnego wymiennika regeneracyjnego wykonana jest z zespołu sprzężonych przepustnic (1 –rys. 4a), prostokątnych wkładów aluminiowych, wykonanych z materiału o dużej pojemności cieplnej (2 – rys. 4a), oraz napędu (3 – rys. 4a). Strumienie powietrza świeżego i usuwanego są rozdzielone szczelną przegrodą. Przepustnice są napędzane silnikiem elektrycznym za pośrednictwem układu cięgien. Całość umieszczona jest we wspólnej obudowie (rys. 4a).

Rys. 4. Wymiennik akumulacyjny: a) budowa urządzenia; b) wymiennik akumulacyjny w centrali wentylacyjnej; c) wygląd zewnętrzny sekcji wymiennika akumulacyjnego

(...)

Rotor sorpcyjny

(...)

Pompa ciepła

(...)

Inne formy odzysku ciepła
Wymienniki membranowe (tzw. entalpiczne)

(...)

Wymienniki wyparne

Kolejną nietypową formą odzysku ciepła są pośrednie wymienniki wyparne (rys. 9a). Urządzenia te znajdują zastosowanie w okresie letnim (istnieją rozwiązania pozwalające na pracę w okresie zimowym jako zwykły wymiennik do odzysku ciepła). Chłodzenie wyparne wykorzystuje naturalną tendencję wody do parowania. Parowanie wody wymaga pobrania dużej ilości ciepła (ciepło parowania wody wynosi 2500 kJ/kg, podczas gdy przykładowo, energia potrzebna do podgrzania wody o 20°C wynosi jedynie około 84 kJ/kg). W przypadku chłodzenia wyparnego woda wykorzystywana jest do ochłodzenia powietrza. Własności termodynamiczne powietrza wilgotnego pozwalają na obniżenie jego temperatury podczas nawilżania wodą. Ochładzanie powietrza za pomocą parowania wody jest procesem wymiany ciepła i masy pomiędzy cieczą a gazem, podczas którego powietrze obniża swoją temperaturę, jednocześnie zwiększając swoją zawartość wilgoci. Proces, w którym powietrze po nawilżeniu dostarczane jest do użytkowników nosi nazwę chłodzenia wyparnego bezpośredniego. W tym przypadku strumień powietrza ochładza się i jednocześnie nawilża się parą wodną. Takie rozwiązanie nie znajduje zastosowania jako źródło chłodu w klimatyzacji (komory zraszania są wykorzystywane, aczkolwiek coraz rzadziej, do ustalania precyzyjnych parametrów powietrza dla potrzeb technologicznych), ponieważ wilgotny strumień nawiewany do pomieszczenia powoduje odczuwanie duszności przez jego użytkowników. Ponadto, efektywność bezpośrednich urządzeń wyparnych jest ograniczona temperaturą termometru mokrego.

Rys. 9. Wymienniki pośrednie wyparne: a) przykładowy wymiennik wyparny – rekuperator z M-obiegiem; b) przykład autonomicznej jednostki wyparnej; c) schemat bloku chłodniczego wykorzystującego 240 wymienników wyparnych

W przypadku pośredniego chłodzenia powietrza stosowane są urządzenia, w których występują dwa rodzaje kanałów: suchy i mokry. Przez kanał mokry prowadzony jest strumień powietrza (nazywany roboczym), który wykorzystywany jest do akumulacji pary wodnej. Płynące powietrze stwarza różnice potencjałów ciśnień cząstkowych pary wodnej, co skutkuje odparowaniem cieczy, która pobiera na ten cel znaczne ilości ciepła. Część ciepła pobierana jest z kanału suchego, oddzielonego nieprzepuszczalną dla wody ścianką. Pozwala to ochłodzić powietrze w suchym kanale, bez jednoczesnego nawilżania go. Pośrednie jednostki wyparne nie są ograniczone temperaturą termometru mokrego, a jedynie temperaturą punktu rosy (czyli temperaturą, przy której następuje wykroplenie pary wodnej z powietrza).

Jednostki wyposażone w wymienniki wyparne mogą być stosowane jako autonomiczne urządzenia chłodnicze (rys. 9b) lub jako elementy bardziej rozbudowanych systemów. Więcej informacji o wymiennikach wyparnych można znaleźć w innych artykułach autorów w CH&K [3,5,6].

Podsumowanie

W dwóch częściach artykułu scharakteryzowano najważniejsze formy odzysku ciepła w systemach wentylacji i klimatyzacji. Przedstawiono wady i zalety każdego z zaprezentowanych rozwiązań. Należy nadmienić, że przy wyborze systemu do odzysku ciepła należy kierować się wieloma czynnikami, zarówno ekonomicznymi, konstrukcyjnymi jak i higienicznymi. Bardzo istotnym kryterium, przy wyborze wymiennika do odzysku ciepła jest trwałość jego rozwiązania i podatność na zużycie w trakcie eksploatacji. Z czasem przegrody w wymiennikach mogą się rozszczelniać, tak samo jak instalacja freonowa w pompie ciepła. Łożyska, na których osadzone są wymienniki obrotowe mogą ulec uszkodzeniom, a przepustnice wymiennika akumulacyjnego mogą przestać pracować efektywnie. Większa sprawność odzysku ciepła często wiąże się z ryzykiem szronienia. Jedlikowski [7] wykazał, że w przypadku wymiennika krzyżowego uzasadnione jest celowe obniżenie jego sprawności, w celu ograniczenia kosztów eksploatacyjnych związanych z w wykorzystaniem nagrzewnicy wstępnej.

Przy zakupie systemów wentylacyjnych z odzyskiem ciepła należy zawsze dążyć do stosowania rozwiązań sprawdzonych, produkowanych przez renomowanych producentów, podsiadających certyfikaty i atesty higieniczne. Wykorzystanie tańszych, nieatestowanych zamienników może prowadzić do szybkiej utarty sprawności przez układ i w rezultacie przenieść więcej strat niż oszczędności.

W tabeli 2. zestawiono wady i zalety każdej z zaprezentowanych w niniejszym tekście form odzysku ciepła. Na początku artykułu zamieszczono zamieszczono tabelę opisującą wymienniki opisane w części pierwszej, co pozwala na pełne porównanie wszystkich opisanych w ramach niniejszego cyklu artykułów form odzyskiwania ciepła z powietrza wywiewnego w systemach wentylacji i klimatyzacji.

LITERATURA:
[1] PEŁECH A., Wentylacja i klimatyzacja podstawy, Wrocław, 2009
[2] KWIECIEŃ D.: Ocena opłacalności wykorzystania energii słonecznej w klimatyzacji, Chłodnictwo & Klimatyzacja 3/2006
[3] PANDELIDIS D., RAJSKI K., Zastosowanie membranowych wymienników ciepła w technice klimatyzacyjnej, Chłodnictwo & Klimatyzacja. 2013, nr 6, pp. 36-39
[4] PANDELIDIS D., RAJSKI K., Przegląd wybranych energooszczędnych rozwiązań stosowanych w systemach klimatyzacyjnych, Chłodnictwo & Klimatyzacja. 2013, R. 18, nr 3, pp. 12-18
[5] ANISIMOV S., PANDELIDIS D., Efektywność wyparnego ochładzania powietrza, Chłodnictwo & Klimatyzacja, 7/2012, pp. 40-43
[6] ANISIMOV S., PANDELIDIS D., Zespolone systemy klimatyzacyjne i odsalające wodę morską cz.1 i cz. 2, Chłodnictwo& Klimatyzacja 10/2012 i 11/2012
[7] Jedlikowski A., Wymiana ciepła w wymiennikach krzyżowych w systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych z odzyskiem ciepła z powietrza wywiewanego, praca doktorska, Politechnika Wrocławska, 2012
[8] Materiały firm Systemair, Hoval, IV Produkt, Coolerado, Rekuperatory.pl, Klingenburg, Euroclima, Frapol

prof. dr hab. inż. Sergey ANISIMOV
mgr inż. Demis PANDELIDIS
Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa
Wydział Inżynierii Środowiska
Politechnika Wrocławska

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 11/2013