V dnešnom svete, keď sa efektívne využívanie energie stáva prioritou, sa rekuperačné jednotky stávajú čoraz populárnejšími ako účinný nástroj na zlepšenie energetickej účinnosti budov. Kľúčovým prvkom týchto pokročilých vetracích systémov sú výmenníky tepla, bežne nazývané rekuperátory. Aké typy výmenníkov sa používajú v rekuperačných jednotkách a ako sa od seba líšia? Zistite to v tomto článku!
Pozrite si rekuperátory u veľkoobchodníka Onninen
Ako sa systém spätného získavania tepla používal v rodinných domoch?
V bežnom jazyku sa slovo „ rekuperátor “ bežne používa už mnoho rokov. Čo tento pojem vlastne znamená? Rekuperátor je vetracia jednotka s rekuperáciou tepla. Spočiatku sa rekuperácia tepla používala vo veľkých vetracích jednotkách s prietokom vzduchu niekoľko desiatok tisíc, potom niekoľko tisíc m3/h. Právne predpisy túto hodnotu postupne znižovali. Podľa aktuálneho nariadenia ministra infraštruktúry „O technických podmienkach, ktoré musia spĺňať budovy a ich umiestnenie“ sa musia v mechanickom vetraní s prietokom vzduchu 500 m3/h a viac používať zariadenia na rekuperáciu tepla z odvádzaného vzduchu.
Tepelná účinnosť zariadenia na spätné získavanie tepla musí byť minimálne 50 %. Nie sú to však len súčasné právne predpisy, ktoré prispeli k rastúcemu záujmu o využitie spätného získavania tepla v obytných domoch v posledných rokoch. Účinnosť centrálnej jednotky v dome často nepresahuje 500 m3/h. Ľudia si čoraz viac uvedomujú dôležitosť kvality vzduchu, ktorý denne dýchame, čo následne prispelo k popularizácii mechanického vetrania v rodinných domoch.
Akú úlohu hrá výmenník tepla v rekuperátore?
Rekuperátor (jednotka na spätné získavanie tepla) pozostáva z nasledujúcich prvkov:
- Výmenník tepla
- Prívodný ventilátor
- Odsávací ventilátor
- Vzduchový filter
- Výfukový filter
- Senzory
- Elektrický ohrievač
- Obchvat
- Bývanie
Zameriame sa na najdôležitejší komponent umiestnený v rekuperačnej jednotke , a to výmenník tepla. Dá sa s istotou povedať, že je srdcom zariadenia. Výmenník je miestom, kde sa teplo prenáša z odvádzaného vzduchu (z miestností) do privádzaného vzduchu (zvonku). Vďaka tomu nestrácame všetko teplo s odvádzaným vzduchom (čo sa deje pri typickom gravitačnom vetraní) a veľkú časť z neho je možné spätne získať. To nám umožňuje ušetriť energiu, ktorú by sme museli vynaložiť na ohrev vzduchu potrebného na vetranie.
Dôležitou témou sprevádzajúcou proces spätného získavania tepla je spätné získavanie vlhkosti, respektíve jej nedostatok. Otázka úrovne vlhkosti vzduchu v miestnosti často nemá pri výbere správneho zariadenia vysokú prioritu. Vlhkosť vzduchu určuje množstvo aspektov života a zdá sa byť jedným z kľúčových prvkov ovplyvňujúcich každodenný komfort. Vlhkosť vzduchu priamo ovplyvňuje našu pohodu, zdravotné problémy, vývoj plesní a baktérií, prenos vírusov alebo trvanlivosť stavebných materiálov. Preto budú typy výmenníkov, o ktorých sa budeme podrobne diskutovať nižšie, opísané aj z hľadiska tohto aspektu.
Rozdelenie a typy výmenníkov tepla používaných v rekuperačných jednotkách
V rekuperačných vetracích jednotkách zaujímajú výmenníky tepla ústredné miesto a zohrávajú kľúčovú úlohu v efektívnom fungovaní systému. Sú zodpovedné za prenos tepla z odpadového vzduchu do privádzaného vzduchu, čo pomáha minimalizovať energetické straty a zvyšovať účinnosť celého vetracieho procesu. V rekuperačných vetracích jednotkách sa používa mnoho typov výmenníkov tepla, z ktorých každý má jedinečné vlastnosti a použitie. Čím sa odlišujú?
Doskové výmenníky
Doskové výmenníky sú vyrobené z tenkých dosiek z ocele, hliníka, plastu alebo špeciálnej membrány v prípade entalpických výmenníkov (rekuperácia vlhkosti). Vyššie uvedené dosky vytvárajú oddelené prívodné a odvodné kanály. Prúdy vzduchu sa pri prúdení výmenníkom navzájom nedotýkajú. Vtedy dochádza k javu rekuperácie alebo spätného získavania tepla. Prúd teplého vzduchu (odvádzaného z miestností) ohrieva dosky výmenníka, zatiaľ čo prúd studeného vzduchu (privádzaného zvonku) absorbuje teplo z vyhrievaných dosiek. V zime sa v dôsledku rozdielu teplôt privádzaného a odvádzaného vzduchu kondenzuje na povrchu výmenníka vlhkosť.
Skondenzovaný kondenzát sa odvádza do odkvapkávacej misky a jeho prebytok čiastočne zamrzne, čím upchá priestory, ktorými prúdi vzduch. Tento proces sa ľudovo nazýva námraza výmenníka. Pri vonkajších teplotách nižších ako -4 °C je potrebné použiť ochranu proti zamrznutiu. Vetracie jednotky s doskovými výmenníkmi sú vybavené ochrannými systémami v podobe prázdnej komory s klapkou, umiestnenej vedľa výmenníka (bežne nazývanej by-pass), elektrického predhrievača alebo algoritmov regulujúcich činnosť ventilátorov. V závislosti od spôsobu prúdenia vzduchu sa doskové výmenníky delia na krížové alebo protiprúdové.
Pozrite si rekuperátory u veľkoobchodníka Onninen
Priečny výmenník
Priečny výmenník je skonštruovaný tak, že vzduchové kanály prívodného a odvodného prúdu sú na seba kolmé. Vyzerá to, akoby sa prúdy vzduchu križovali (odtiaľ názov). V skutočnosti prebiehajú v oddelených kanáloch. Vzhľadom na relatívne krátky kontaktný čas prúdov vzduchu je účinnosť priečnych výmenníkov nižšia ako u protiprúdových výmenníkov a pohybuje sa od 50 do 75 %. Priečne výmenníky sú zo všetkých najnáchylnejšie na zamrznutie. Ich výhodou je nepochybne ich jednoduchosť, čo sa premieta do priaznivej ceny.
Protiprúdový výmenník
Protiprúdový výmenník je rozvinutejší ako krížový výmenník. Je to jeho vylepšená verzia. Základný rozdiel spočíva v tom, že v strednej časti výmenníka prebiehajú prívodné a odvodné kanály rovnobežne vedľa seba. Prúdy prúdia v opačných smeroch. Vďaka tomu je studený vzduch prechádzajúci poslednou časťou výmenníka ohrievaný najteplejším odvodným vzduchom. Rekuperátory s protiprúdovým výmenníkom sa vyznačujú vyššou účinnosťou ako rekuperátory s krížovým výmenníkom. Ich účinnosť dosahuje až 90 %. Sú menej náchylné na námrazu, ale jednotka má stále množstvo ochranných opatrení zameraných na odmrazovanie výmenníka v zime, kde neustále dochádza ku kondenzácii vodnej pary. Vzhľadom na svoju konštrukciu sú drahšie ako krížové výmenníky.
Kondenzačný protiprúdový výmenník tepla
Protiprúdový výmenník tepla, ktorý nenávratne odvádza kondenzát mimo cirkulácie vzduchu, sa nazýva kondenzačný protiprúdový výmenník tepla. To môže byť jeho nevýhodou aj výhodou. Zisky vodnej pary generované členmi domácnosti zvyčajne nestačia na pokrytie strát spôsobených nepretržitou prevádzkou mechanického vetrania. Preto sa v zime vzduch stáva suchým, čo má významný vplyv na komfort používania. Počas daždivých a prechodných období zase prítomnosť takéhoto výmenníka umožňuje vysušenie vzduchu v budove.
Toto je užitočné aj na začiatku užívania novostavby, keď sa v omietkach a poteroch ešte hromadí vlhkosť. V tomto bode by bolo rozumné zvážiť použitie zvlhčovača privádzaného vzduchu. Ich popularita na poľskom trhu je však nízka. Výrobcovia, ktorí ponúkajú zvlhčovač, ho veľmi často prispôsobujú tak, aby fungoval iba s vyhradenou centrálnou jednotkou ich výroby. A z čisto komerčného hľadiska je ťažké ich za to viniť.
Výmenník entalpie
Rozdiel medzi entalpickým a kondenzačným protiprúdovým výmenníkom tepla spočíva v materiáli použitom na výrobu dosiek. V prípade entalpického protiprúdového výmenníka tepla sú dosky vyrobené z polymérnej membrány, ktorá funguje ako filter, ktorý umožňuje prenos vodnej pary. Prostredníctvom takéhoto výmenníka dochádza k spätnému získavaniu tepla a čiastočnému spätnému získavaniu vlhkosti.
Ďalšou výhodou entalpických výmenníkov je širší prevádzkový rozsah bez potreby dodatočnej ochrany proti zamrznutiu (prevádzka do -8 °C). Jednotky s týmito výmenníkmi sú napriek tomu vybavené vyššie uvedenými ochrannými systémami. Rekuperácia vlhkosti v zime je vhodná a rieši problém suchého vzduchu. Treba však mať na pamäti, že k spomínanej rekuperácii môže dôjsť aj v lete. Vlhkosť vnútorného vzduchu potom musí byť vyššia ako vlhkosť vonkajšieho vzduchu.
Špirálové protiprúdové výmenníky
Za zmienku stojí, že existujú špirálové výmenníky tepla s protiprúdom. Konštrukcia takéhoto výmenníka tepla je chránená patentovým nárokom. Ide o unikátne riešenie, ktoré realizovala jedna z poľských spoločností. Výmenník je vyrobený z hliníkovej fólie a pozinkovaného plechu špirálovito zrolovaného a tvarovaného do valca. Výmenník je konštrukčne rozdelený na dva nezávislé priestory: prívodný vzduch a odvodný vzduch.
Oba priestory sú oddelené tesnením, ktoré zaisťuje presné oddelenie, čo umožňuje spätné získavanie tepla z odvádzaného vzduchu bez jeho miešania s privádzaným vzduchom. Špirálová konštrukcia výmenníka umožňuje prúdenie vzduchu v kruhu, protiprúdne a čiastočne krížovo. Veľká plocha na výmenu tepla a dlhá dráha prúdenia vzduchu robia výmenník odolným voči mrazu a jeho účinnosť presahuje 85 % s pomerom množstva privádzaného a odvádzaného vzduchu 1:1.
Vysoká odolnosť proti mrazu odlišuje rekuperačné jednotky s týmto riešením a umožňuje ich použitie bez ochranných ohrievačov na prívode čerstvého vzduchu a bez systémov odmrazovania, ktoré sú potrebné v iných zariadeniach tohto typu. Absencia potreby použitia predhrievača na ochranu výmenníka pred námrazou pri nízkych teplotách prináša merateľné úspory počas celého roka.
Rotačný kondenzačný výmenník tepla
Rotačný kondenzačný výmenník tepla je vyrobený zo striedavo sa umiestňujúcich vlnitých a plochých hliníkových plechov navinutých na špeciálnom valci (bubone). Plech vytvára kanály, ktorými striedavo prúdia prúdy vzduchu privádzaného a odvádzaného z miestností. Okolo výmenníka je navinutý hnací remeň, ktorý poháňaný motorom uvádza valec do pohybu (rotácia okolo vlastnej osi). Počas rotácie dochádza k spätnému získavaniu energie na základe regeneračného procesu.
Proces regenerácie sa vyznačuje tým, že vnútorné a vonkajšie prúdy vzduchu sa dotýkajú toho istého povrchu výmenníka (zmesi), čo umožňuje spätné získavanie tepla a čiastočné spätné získavanie vlhkosti. V zimných podmienkach, keď je vonkajšia teplota vzduchu nízka, sa vzduch odsávaný z miestností ochladzuje na teplotu pod rosným bodom, čo vedie ku kondenzácii kondenzátu. Voda sa usadzuje v kanálikoch a následne sa v dôsledku rotácie výmenníka nachádza v chladnom prostredí vonkajšieho vzduchu.
Vonkajší vzduch sa zahrieva a spôsobuje odparovanie časti kondenzátu a jeho recirkuláciu, čím sa čiastočne zvlhčuje čerstvý vzduch. Proces je kontinuálny a kondenzát nemá dostatok času na zamrznutie. Tu sa prejavuje výhoda rotačných výmenníkov tepla, pretože môžu pracovať pri veľmi nízkych vonkajších teplotách (-30 °C) bez potreby ochrany proti zamrznutiu. Nevýhodou je však závislosť od mechanických komponentov (motor, hnací remeň atď.) a dodatočná spotreba energie (potreba dodatočného napájania).
Sorpčný rotačný výmenník tepla
Sorpčný rotačný výmenník tepla nie je nič iné ako kondenzačný výmenník vybavený dodatočným hygroskopickým materiálom, ktorý umožňuje absorpciu vodnej pary zo vzduchu. Takýto výmenník je schopný spätne získať až 90 % vlhkosti z odpadového vzduchu. Absorpcia vodnej pary zo vzduchu prebieha v zime aj v lete a nie je založená na fenoméne kondenzácie. Použitie tohto typu výmenníka bude dobre fungovať v miestnostiach s nízkou vlhkosťou vzduchu a zavedenie ďalšieho výmenníka (kondenzačného rotačného alebo entalpického protiprúdového) by neprinieslo uspokojivé výsledky kvôli príliš nízkej spätnej získavateľnosti vlhkosti.
Na čo treba myslieť pri výbere rekuperátora?
Výberu rekuperátora by mala predchádzať základná analýza potrieb ľudí využívajúcich vetrané miestnosti. Pre kancelárske miestnosti budeme vyberať zariadenie inak ako pre obytný dom. Pri rodinných a viacgeneračných budovách je vždy potrebné brať do úvahy, že každá rodina je iná, má iné návyky a spôsoby fungovania, čo úzko súvisí s tvorbou vlhkostných ziskov. Vlhkostné zisky by mali mať kľúčový význam pri výbere správneho riešenia rekuperácie energie.