We współczesnym budownictwie, wdrażając energooszczędne technologie, uzyskano znakomite efekty energetyczne. Poprzez zastosowanie bardzo dobrej izolacji termicznej oraz bardzo szczelnych, wielokomorowych okien, jak również wykorzystanie materiałów umożliwiających szczelne połączenie stolarki okiennej i drzwiowej z przegrodami, zminimalizowano ucieczkę ciepła z budynków. Poprawa energooszczędności budynku poprzez zwiększenie jego szczelności, spowodowała niemal całkowite zahamowanie działania naturalnej wentylacji grawitacyjnej. Wymusiło to stosowanie instalacji wentylacji mechanicznej, jak również klimatyzacji.

Wentylacja mechaniczna umożliwia wymianę powietrza w pomieszczeniu. Jej głównym zadaniem jest usunięcie zysków ciepła i zanieczyszczeń generowanych w pomieszczeniu oraz zastąpienie zanieczyszczonego powietrza świeżym, przefiltrowanym, o odpowiedniej temperaturze, aby utrzymać założony stan powietrza. Brak wentylacji powoduje wzrost stężenia niepożądanych zanieczyszczeń w powietrzu, takich jak: dwutlenek węgla, para wodna czy substancje zapachowe, co wpływa na obniżenie poziomu komfortu. Pojawiający się nadmiar wilgoci wywołuje zjawisko wykraplania się jej na ścianach, czego skutkiem jest rozwój grzybów i pleśni, niekorzystnych dla zdrowia i destrukcyjnie wpływających na konstrukcję budynku.

W wyniku coraz większej uwagi przywiązywanej przez ludzi do warunków jakie panują w pomieszczeniach, w których przebywają, w celu zapewnienia wymaganych przez użytkowników parametrów mikroklimatu, stosowanie wentylacji mechanicznej, czy też klimatyzacji, staje się coraz bardziej powszechne. Nowoczesne, zautomatyzowane systemy wentylacji i klimatyzacji są w stanie zaspokoić wszelkie wymagania użytkowników odnośnie parametrów mikroklimatu, niezależnie od warunków atmosferycznych panujących na zewnątrz. Dobór właściwego systemu wentylacji mechanicznej lub klimatyzacji powinien być poprzedzony analizą wymagań jakie są mu stawiane oraz analizą kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych danej instalacji.

Rys. 1. Przykład rekuperatora z krzyżowym wymiennikiem płytowym – RK-700-UP firmy EKOKLIMAX

Płytowe wymienniki rekuperacyjne

System wentylacji mechanicznej, który pracuje według zapotrzebowania, działa niezależnie od pogody i podczas całego okresu użytkowania powinien zużywać jak najmniej energii oraz charakteryzować się energooszczędną i ekonomiczną pracą. Oznacza to konieczność stosowania systemu odzysku ciepła w tych instalacjach. Powietrze usuwane z wentylowanych pomieszczeń posiada energię doprowadzoną w procesie uzdatniania oraz energię wynikającą z asymilacji zysków ciepła jawnego i utajonego. Ideą działania systemu odzysku ciepła jest wykorzystanie ciepła (zimna) zawartego w powietrzu wywiewanym do wstępnego podgrzania (ochłodzenia) powietrza nawiewanego. Zastosowanie systemu odzysku ciepła, daje możliwość odzyskania z odpowiednio wysoką efektywnością i sprawnością energii cieplnej oraz przynosi korzyści finansowe związane z obniżeniem kosztów eksploatacyjnych danej instalacji.

W mechanicznych instalacjach wentylacyjnych, odzysk ciepła może odbywać się poprzez:

• recyrkulację – zachodzącą wtedy, gdy część powietrza usuwanego z pomieszczenia wentylowanego jest mieszana ze strumieniem nawiewanym;
• rekuperację – która zachodzi wtedy, gdy strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego nie stykają się bezpośrednio z tą samą powierzchnią wymiennika, a proces wymiany ciepła odbywa się przez przeponę oddzielającą oba płyny;
• regenerację – która zachodzi wtedy, gdy dwa strumienie na przemian omywają tę samą powierzchnię wymiennika, dzięki czemu realizowana może być nie tylko wymiana ciepła, lecz również wymiana masy.

Wybór jednego z powyższych typów systemu odzysku ciepła, jest procesem złożonym i zależy on od stanu powietrza usuwanego (czy nadaje się ono do ponownego wykorzystania np. w procesie mieszania), oczekiwanego stopnia odzysku ciepła i ewentualnie wilgoci a także kosztów, które należy ponieść decydując się na dany system. Niektóre rozwiązania wymagają poprowadzenia dodatkowych przewodów, a także zastosowania odpowiedniego układu sterowania, zapewniającego optymalną wydajność w zróżnicowanych warunkach pracy. W dalszej części artykułu, dokładniej zostanie omówiony system odzyskiwania ciepła z wykorzystaniem płytowych, rekuperacyjnych wymienników ciepła.

Wymienniki rekuperacyjne, zwane również przeponowymi, stanowią proste rozwiązanie odzysku ciepła z powietrza usuwanego (rys. 1). Nie zachodzi w nich mieszanie strumieni powie- Rys. 3. Sposób przepływu strumieni powietrza w wymienniku krzyżowym oraz sposób łączenia płyt w płytowym wymienniku krzyżowym trza świeżego i usuwanego, przez co mogą być wykorzystywane w instalacjach obsługujących pomieszczenia zanieczyszczone. Najprostszym rozwiązaniem stosowanym w wentylacyjnych układach odzysku ciepła jest wymiennik krzyżowy, którego schemat działania pokazano na rysunku 2.

Rys. 2. Schemat działania wymiennika krzyżowego

(...)

Głównymi zaletami płytowych wymienników rekuperacyjnych są:

• prosta konstrukcja,
• brak elementów ruchomych,
• szczelność,
• brak doprowadzania dodatkowej energii.

Jako wady tego rozwiązania można wymienić:

• duże gabaryty,
• brak odzysku wilgoci,
• usytuowanie blisko siebie kanałów: nawiewnego i wywiewnego,
• występowanie szronienia na powierzchni wymiany ciepła w przypadku pracy w warunkach zimowych.

Współpraca rekuperatora z GWC

Działanie rekuperatora odczuwalne jest również w lecie. Proces wymiany powietrza przebiega w nim odwrotnie niż zimą – cieplejsze powietrze z zewnątrz jest schładzane przez zimne, usuwane ze środka. Dzięki temu temperatura w wentylowanych pomieszczeniach obniża się.

Instalacje wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła mogą być wspomagane gruntowymi wymiennikami ciepła (GWC). Świeże powietrze zasysane z zewnątrz, zanim dotrze do instalacji w budynku, przepływa przez GWC umieszczony na głębokości ok. 1,5 m w gruncie sąsiadującym z budynkiem, gdzie temperatura oscyluje na poziomie 8°C. Powietrze przepływając przez wymiennik zimą – ogrzewa się, natomiast latem – powietrze ochładza się. W opisanym układzie powietrze jest bezpośrednim czynnikiem wymieniającym ciepło z gruntem – istnieją również wymienniki z innym medium pośredniczącym (np. glikolem).

Wentylatory

(...)

Sterowanie

(...)

Podsumowanie

Obecnie prawie każdy producent urządzeń klimatyzacyjnych i wentylacyjnych posiada w swojej ofercie rekuperacyjne wymienniki ciepła. Dostępne są gotowe centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne z rekuperacyjnymi wymiennikami ciepła, bądź kupić można sam wymiennik i wykorzystać go w istniejącej instalacji np. w momencie jej modernizacji. Bazując na badaniach naukowych oraz wieloletnim doświadczeniu, producenci nieustannie ulepszają swoje wyroby i wprowadzają innowacje w dziedzinie zastosowanych rozwiązań.

Skuteczna praca płytowych wymienników do odzysku ciepła zależy od wielu czynników. Są to odpowiednie warunki przepływu strumieni powietrza przez wymiennik, zastosowane materiały i rozwiązania konstrukcyjne wymiennika, ale również odpowiednia różnica temperatur na wlotach do wymiennika. Dlatego istotne jest stosowanie coraz lepszej izolacji, która ogranicza straty ciepła, jak również w znacznym stopniu zmniejsza ryzyko wykraplania się pary wodnej, a także jest elementem tłumiącym powstawanie hałasu.

Wybierając centralę wentylacyjną z odzyskiem ciepła należy zwrócić uwagę na kilka istotnych faktów, takich jak: sprawność odzysku, energooszczędność wentylatorów, parametry pracy urządzenia, obecność dodatkowych nagrzewnic elektrycznych oraz, co również jest istotne, jakość i estetykę wykonania. Ponadto współczesne urządzenia umożliwiające odzysk ciepła powinny być małe, ciche, efektywne energetycznie.

LITERATURA:

[1] GRYGIER G., SZYPERSKI P.: Wytyczne dla instalacji wentylacyjnej z odzyskiem ciepła (system rekuperacji) w domach jednorodzinnych”, Standardy wentylacji, SPW –W/1.2011

dr inż. Zbigniew CEBULSKI
Politechnika Łódzka
Instytut Maszyn Przepływowych,
Zakład Techniki Cieplnej i Chłodnictwa

Więcej na ten temat przeczytają Państwo w Chłodnictwie i Klimatyzacji nr 07/2014