W dzisiejszych czasach, kiedy efektywne wykorzystanie energii staje się priorytetem, centrale rekuperacyjne z odzyskiem ciepła zyskują coraz większą popularność jako skuteczne narzędzie poprawy efektywności energetycznej budynków. Kluczowym elementem tych zaawansowanych systemów wentylacyjnych są wymienniki ciepła, zwane potocznie rekuperatorami. Jakie są rodzaje wymienników stosowanych w centralach rekuperacyjnych i czym się od siebie różnią? Dowiesz się z tego artykułu!
Sprawdź rekuperatory w hurtowni Onninen
Jak system rekuperacji znalazł zastosowanie w domach jednorodzinnych?
W potocznym języku od wielu lat, powszechnie używane jest słowo „rekuperator”. Co właściwie oznacza ten termin? Rekuperatorem nazywamy centralę wentylacyjną z odzyskiem ciepła. Odzysk ciepła początkowo, stosowano w dużych centralach wentylacyjnych o wydajności powietrza rzędu kilkudziesięciu tysięcy, następnie kilkunastu tysięcy m3/h. Przepisy prawa sukcesywnie zmniejszały tę wartość. Zgodnie z aktualnym rozporządzeniem Ministra Infrastruktury „W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie”, urządzenia do odzyskiwania ciepła z powietrza wywiewanego musi być stosowane w wentylacji mechanicznej o wydajności 500 m3/h i więcej.
Sprawność temperaturowa urządzenia odzyskującego ciepło musi wynosić co najmniej 50%. Niemniej jednak, nie tylko aktualne przepisy prawa, przyczyniły się do wzrostu zainteresowania stosowaniem rekuperacji w domach mieszkalnych na przestrzeni ostatnich kilku lat. Często wydajność centrali w domu nie przekracza 500 m3/h. Ludzie są coraz bardziej świadomi, jak ważna jest jakość powietrza, którym oddychamy na co dzień, co w konsekwencji przyczyniło się do popularyzacji wentylacji mechanicznej w budynkach jednorodzinnych.
Jaką rolę pełni wymiennik ciepła w rekuperatorze?
Rekuperator (centrala z odzyskiem ciepła) składa się z poniższych elementów:
- Wymiennik ciepła
- Wentylator nawiewny
- Wentylator wywiewny
- Filtr nawiewu
- Filtr wywiewu
- Czujniki
- Grzałka elektryczna
- By pass
- Obodowa
Skupimy się na najważniejszym komponencie umieszczonym w centrali rekuperacyjnej, a mianowicie na wymienniku ciepła. Można śmiało stwierdzić, że stanowi on serce urządzenia. W wymienniku zachodzi proces wymiany ciepła z powietrza wywiewanego (z pomieszczeń) do powietrza nawiewanego (z zewnątrz). Dzięki temu nie tracimy całego ciepła wraz z usuwanym powietrzem (co ma miejsce w typowej wentylacji grawitacyjnej), a dużą jego część udaje się odzyskać. Pozwala to oszczędzić energię, którą musielibyśmy przeznaczyć na podgrzanie powietrza potrzebnego do wentylacji.
Ważnym tematem towarzyszącym procesowi odzysku ciepła, jest odzysk wilgoci lub w zasadzie jego brak. Zagadnienie poziomu wilgotności powietrza w pomieszczeniu często nie posiada dużego priorytetu przy wyborze odpowiednego urządzenia. Wilgotność powietrza warunkuje szereg aspektów życia i wydaje się być jednym z kluczowych elementów, wpływających na komfort dnia codziennego. Wilgotność powietrza wpływa bezpośrednio na nasze samopoczucie, problemy zdrowotne, rozwój grzybów i bakterii, przenoszenie wirusów czy też trwałość materiałów budowlanych. Dlatego omawiane poniżej szczegółowo typy wymienników zostaną opisane również pod kątem tego aspektu.
Podział i rodzaje wymienników ciepła stosowanych w centralach z odzyskiem ciepła
W centralach wentylacyjnych z odzyskiem ciepła wymienniki ciepła zajmują centralne miejsce, pełniąc kluczową rolę w efektywnym funkcjonowaniu systemu. Odpowiedzialne są za przenoszenie ciepła z wywiewanego powietrza do nawiewanego, co przyczynia się do minimalizacji strat energetycznych i zwiększenia efektywności całego procesu wentylacji. Istnieje wiele rodzai wymienników ciepła wykorzystywanych w centralach wentylacyjnych z odzyskiem ciepła, z których każdy posiada unikalne cechy i zastosowania. Czym się wyróżniają?
Wymienniki płytowe
Wymienniki płytowe są zbudowane z cienkich płyt wykonanych ze stali, aluminium, tworzywa sztucznego lub specjalnej membrany w przypadku wymienników entalpicznych (odzyskujących wilgoć). Wspomniane płyty tworzą odizolowane od siebie kanały nawiewu i wywiewu. Strumienie powietrzne nie kontaktują się ze sobą przepływając przez wymiennik. Wtedy dochodzi do zjawiska rekuperacji czyli odzysku ciepła. Strumień powietrza ciepłego (wywiewanego z pomieszczeń) ogrzewa płyty wymiennika, natomiast strumień powietrza zimnego (nawiewanego z zewnątrz) odbiera ciepło od nagrzanych płyt. W okresie zimowym na powierzchni wymiennika, na skutek różnicy temperatur powietrza nawiewanego i wywiewanego, następuje wykroplenie wilgoci.
Wykroplony kondensat zostaje odprowadzony na tacę ociekową, a jego nadmiar częściowo zamarza, blokując przestrzenie, którymi przepływa powietrze. Proces ten popularnie nazywany jest szronieniem wymiennika. Przy temperaturze zewnętrznej niższej niż -4 °C trzeba używać zabezpieczeń przeciwzamrożeniowych. Centrale wentylacyjne z wymiennikami płytowymi są wyposażone w systemy zabezpieczające w postaci pustej komory z przepustnicą, zlokalizowanej obok wymiennika (potocznie zwane by-passem), wstępnej nagrzewnicy elektrycznej czy też algorytmów regulujących pracą wentylatorów. W zależności od sposobu przepływu powietrza wymienniki płytowe dzielimy na krzyżowe lub przeciwprądowe.
Sprawdź rekuperatory w hurtowni Onninen
Wymiennik krzyżowy
Wymiennik krzyżowy jest zbudowany w taki sposób, że kanały powietrzne strumienia nawiewanego i wywiewanego są do siebie prostopadłe. Wygląda to tak, jakby strumienie powietrza krzyżowały się ze sobą (stąd nazwa). W rzeczywistości biegną odseparowanymi kanalikami. Z uwagi na stosunkowo krótki czas kontaktowania się strumieni powietrza, sprawność wymienników krzyżowych jest niższa niż wymienników przeciwprądowych i wynosi od 50 do 75%. Wymienniki krzyżowe są najbardziej podatne ze wszystkich na szronienie. Ich zaletą jest niewątpliwe prostota, co przekłada się na korzystną cenę.
Wymiennik przeciwprądowy
Wymiennik przeciwprądowy jest bardziej rozbudowany w stosunku do krzyżowego. Jest to jego udoskonalona wersja. Podstawowa różnica polega na tym, że w środkowej części wymiennika kanały nawiewne i wywiewne biegną do siebie równolegle. Strumienie przepływają w przeciwnych kierunkach. Dzięki temu zimne powietrze przechodzące przez ostatni odcinek wymiennika ogrzewa się od najcieplejszego powietrza wywiewanego. Rekuperatory z wymiennikiem przeciwprądowym charakteryzują się wyższą sprawnością niż te z wymiennikiem krzyżowym. Ich sprawność sięga nawet 90%. Są mniej podatne na zjawisko szronienia, jednak w dalszym ciągu centrala posiada szereg zabezpieczeń mających na celu odszraniane wymiennika w okresie zimowym, gdzie zjawisko wykraplania się pary wodnej występuje w sposób ciągły. Z uwagi na budowę, są droższe od wymienników krzyżowych.
Kondensacyjny przeciwprądowy wymiennik ciepła
Wymiennik przeciwprądowy, który bezpowrotnie usuwa skropliny poza obieg powietrza nazywamy kondensacyjnym, przeciwprądowym wymiennikiem ciepła. Co może być zarówno jego wadą jak i zaletą. Zyski pary wodnej, generowane przez domowników, nie wystarczają zazwyczaj na pokrycie strat, wywoływanych przez ciągłą pracę wentylacji mechanicznej. Dlatego w okresie zimowym powietrze staje się przesuszone, co ma duży wpływ na komfort użytkowania. Z kolei w okresach deszczowych i przejściowych obecność takiego wymiennika pozwala osuszyć powietrze w budynku.
Przydatne jest to również na początku użytkowania nowego budynku, kiedy wilgoć jest jeszcze nagromadzona w tynkach i wylewkach. W tym miejscu zasadne byłoby rozważenie zastosowania nawilżacza powietrza nawiewanego. Jednak ich popularność na polskim rynku jest niewielka. Producenci, którzy mają w swojej ofercie nawilżacz, bardzo często przystosowują go do działania tylko z dedykowaną centralą swojej produkcji. I z punktu widzenia czysto handlowego, trudno ich za to winić.
Wymiennik entalpiczny
Różnica pomiędzy entalpicznym, a kondensacyjnym przeciwprądowym wymiennikiem ciepła jest w zastosowanym materiale użytym do budowy płyt. W przypadku entalpicznego przeciwprądowego wymiennika ciepła, płyty są wykonane z membrany polimerowej, która jest jak filtr umożliwiający transfer pary wodnej. Za pośrednictwem takiego wymiennika następuje odzysk ciepła i częściowy odzysk wilgoci.
Dodatkowym plusem wymienników entalpicznych jest większy zakres pracy, bez konieczności stosowania dodatkowych zabezpieczeń przeciwzamrożeniowych (praca do -8°C). Niemniej jednak centrale z tymi wymiennikami są wyposażone w systemy zabezpieczające wspomniane powyżej. Odzysk wilgoci zimą jest wskazany i rozwiązuje problem przesuszonego powietrza. Należy jednak pamiętać, że wspomniany odzysk może nastąpić również latem. Wilgotność powietrza wewnętrznego musi być wtedy wyższa od wilgotności powietrza zewnętrznego.
Wymienniki przeciwprądowe spiralne
Watro wspomnieć, że istnieją wymienniki przeciwprądowe spiralne. Konstrukcja takiego wymiennika ciepła jest chroniona zastrzeżeniem patentowym. Jest to unikalne rozwiązanie, wdrożone przez jedną z polskich firm. Wymiennik wykonany jest z folii aluminiowej i blachy ocynkowanej zwijanej spiralnie i ukształtowany w formie walca. Wymiennik konstrukcyjnie podzielony jest na dwie niezależne od siebie przestrzenie: powietrza nawiewanego oraz powietrza wywiewanego.
Obie przestrzenie są oddzielone od siebie uszczelnieniem, zapewniającym dokładną separację, co umożliwia odzyskiwanie ciepła z powietrza usuwanego bez mieszania go z powietrzem nawiewanym. Spiralna konstrukcja wymiennika sprawia, że powietrze przepływa w nim po okręgu, przeciwprądowo i zarazem częściowo krzyżowo. Duża powierzchnia wymiany ciepła oraz długa droga przepływu powietrza sprawiają, że wymiennik jest odporny na szronienie, a jego sprawność przekracza 85 % przy ilości powietrza nawiewanego do wywiewanego w stosunku 1 : 1.
Wysoka odporność na szronienie wyróżnia rekuperatory posiadające to rozwiązanie i pozwala stosować je bez nagrzewnic ochronnych na wlocie powietrza świeżego i bez systemów odmrażania wymaganych w innych tego typu urządzeniach. Brak konieczności stosowania nagrzewnicy wstępnej w celu ochrony wymiennika przed szronieniem w niskich temperaturach daje wymierne oszczędności w ciągu roku.
Obrotowy kondensacyjny wymiennik ciepła
Kondensacyjny obrotowy wymiennik ciepła zbudowany jest z naprzemiennie ułożonej blachy aluminiowej karbowanej oraz płaskiej, nawiniętej na specjalny walec (bęben). Blacha tworzy kanaliki, przez które przepływają naprzemiennie strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego z pomieszczeń. Wokół wymiennika jest owinięty pas napędowy, który napędzany silnikiem wprowadza walec w ruch (obrót wokół własnej osi). Podczas rotacji zachodzi odzysk energii oparty na procesie regeneracji.
Charakterystyką procesu regeneracji jest fakt, że strumienie powietrza wewnętrznego i zewnętrznego kontaktują się z tą samą powierzchnią wymiennika (mieszają się), dzięki czemu możliwy jest odzysk ciepła i częściowy odzysk wilgoci. W warunkach zimowych gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niska, powietrze wywiewane z pomieszczeń ochładza się do temperatury poniżej punktu rosy, co prowadzi do wykroplenia kondensatu. Woda osadza się w kanalikach i następnie w wyniku obrotu wymiennika znajduje się w zimnym otoczeniu powietrza zewnętrznego.
Powietrze zewnętrzne ogrzewa się i sprawia że część kondensatu odparowuje i z powrotem trafia do obiegu i w ten sposób częściowo nawilża świeże powietrze. Proces trwa nieprzerwanie, a kondensat nie ma dość czasu żeby zamarznąć. Tutaj wyłania się zaleta wymienników obrotowych, które mogą pracować w bardzo niskiej temperaturze zewnętrznej (-30°C) bez konieczności stosowania zabezpieczeń przeciwzamrożeniowych. Wadą natomiast jest zależność od komponentów mechanicznych (silnik, pas napędowy itp.) i dodatkowe zużycie prądu (konieczność doprowadzenia dodatkowego zasilania).
Sorpcyjny obrotowy wymiennik ciepła
Sorpcyjny obrotowy wymiennik ciepła, to nic innego jak, wymiennik kondensacyjny wyposażony w dodatkowy materiał higroskopijny, pozwalający na absorbowanie pary wodnej z powietrza. Taki wymiennik jest w stanie odzyskać nawet 90% wilgoci z powietrza wywiewanego. Absorbcja pary wodnej z powietrza zachodzi zarówno w zimie jak i lecie, i nie jest oparta o zjawisko kondensacji. Zastosowanie tego typu wymiennika dobrze się sprawdzi w pomieszczeniach, które mają niską wilgotność powietrza i wprowadzenie innego wymiennika (kondensacyjny obrotowy lub entalpiczny przeciwprądowy) nie przyniosłoby zadowalających efektów z uwagi na zbyt niski odzysk wilgoci.
Czym się kierować przy wyborze rekuperatora?
Wybór rekuperatora powinien być poprzedzony podstawową analizą potrzeb osób użytkujących wentylowane pomieszczenia. Inaczej dobierzemy urządzenie dla pomieszczeń biurowych, inaczej dla domu mieszkalnego. Jeśli chodzi o budynki jednorodzinne i wielorodzinne, to zawsze trzeba wziąć pod uwagę, że każda rodzina jest inna, ma inne nawyki i sposób funkcjonowania, co jest ściśle powiązane z generowaniem zysków wilgoci. Zyski wilgoci powinny mieć kluczowe znaczenie przy wyborze odpowiedniego rozwiązania odzysku energii.