Od płytowego, przez rurkę ciepła, po regeneracyjny - ciekawostki odzyskiwania ciepła i teoretyczna analiza

Wzrastające wymagania co do komfortu użytkowanych pomieszczeń wymuszają stały rozwój infrastruktury technicznej budynku służącej kształtowaniu odpowiedniego mikroklimatu. Często działania te są związane z koniecznością dostarczenia do obiektu znacznej ilości energii pierwotnej. Do jednych z najbardziej energochłonnych procesów w większych obiektach budowlanych zaliczyć możemy obróbkę powietrza wentylacyjnego. Ze względu na fakt, iż recyrkulacja powietrza, poza uzasadnionymi sytuacjami, nie może być stosowana jako sposób na zaoszczędzenie ciepła, konieczne stało się znalezienie skutecznych metod odzyskiwania ciepła z powietrza wentylacyjnego. Na rynku można zaobserwować wyraźny rozwój techniczny urządzeń właśnie do tego przeznaczonych.

Bardzo dynamicznie rozwijającą się grupą
są urządzenia do wentylacji i odzysku ciepła przeznaczone do domów jednorodzinnych.
Zastosowanie wentylacji mechanicznej
w budownictwie jednorodzinnym
wciąż jest uznawane za luksus, jednak
luksus na który coraz częściej decydują
się inwestorzy w celu poprawienia komfortu
w budynku. Jednak zastosowanie
tego typu systemu podwyższa koszty
eksploatacyjne obiektu. Użycie skutecznego
i wysokosprawnego układu do odzyskiwania
ciepła jest w stanie w znacznym
stopniu koszty te obniżyć.
Duża różnorodność urządzeń służących
do odzyskiwania ciepła z instalacji wentylacyjnych
daje możliwości dobrania systemu
adekwatnie do możliwości technicznych
ich zastosowania.


Fot. 1 Centrala VG-400 Z rekuperacyjnym
krzyżowym wymiennikiem ciepła
Recyrkulacja – jeśli tak to kiedy?
Już od wielu lat przestała być uznawana jako
sposób na odzyskiwanie ciepła z powietrza
wentylacyjnego. Wentylacja mechaniczna
projektowana jest na podstawie obliczeń
zapotrzebowania na powietrze zewnętrzne.
Duże systemy w budynkach biurowych
lub mieszkalnych dostarczają jedynie
higieniczne jego ilości. Ponowne użycie
powietrza usuwanego z pomieszczeń w znaczącym stopniu pogarsza jakość dostarczanego
do obsługiwanych pomieszczeń.
Jedynie w pewnych obiektach recyrkulacja
jest właściwym sposobem na odzyskanie
ciepła, np. podczas wentylacji hal
sportowych, basenów, czy magazynów.
Prawo polskie określa warunki w jakich
możliwe jest zastosowanie recyrkulacji,
jednak ze względów higienicznych nie
jest to rozwiązanie, które jest w stanie
zapewnić najwyższy komfort obsługiwanych
pomieszczeń.
Wymiennik płytowy
Ze względu na najlepszy stosunek ceny do
sprawności jest to obecnie najpopularniejsze
urządzenie do rekuperacji ciepła.
Sprawność odzysku ciepła za pomocą tego
wymiennika sięga nawet około 60-70%.
Dzięki temu możliwe jest powszechne
stosowanie wentylacji mechanicznej także
w obiektach o niższym standardzie. Prosta
konstrukcja wymiennika, brak ruchomych
części oraz wysoka trwałość sprawiają, że
urządzenie to jest często stosowane.

Tabela 1. Objętości urządzeń do odzyskiwania ciepła
odniesione do strumienia przepływającego ciepła
Jednak wymiennik płytowy (zwany równie
ż rekuperacyjnym), ze względu na
sposób odzyskiwania ciepła, ma szereg
wad. Jedną z najistotniejszych jest duży
stosunek objętości urządzenia do jednostkowego
strumienia powietrza. Fakt
ten powoduje, że centrale wentylacyjne
wyposażone w wymienniki rekuperacyjne
są większe od central wyposażonych w inne
urządzenia do odzyskiwania ciepła.
Zestawienie stosunków objętości urządzenia do jednostkowych objętości strumienia
przepływającego powietrza przedstawiono
w tabeli 1.
Kolejną istotną wadą wymiennika płytowego
jest wysoka temperatura zamarzania
kondensującej wilgoci po stronie powietrza
usuwanego. Zamarzająca wilgoć powoduje
wzrost oporów przepływu powietrza,
a w konsekwencji spadek strumienia,
wzrost zużycia energii elektrycznej przez
silniki wentylatorów i spadek sprawności
odzyskiwania ciepła. W sytuacjach ekstremalnych
może doprowadzić do całkowitego
zamarznięcia i mechanicznego uszkodzenia
wymiennika ciepła.
W celu przeciwdziałania powyższym zjawiskom
stosuje się kilka metod pozwalających na ograniczenie niekorzystnego ich
wpływu. Najczęściej stosowaną metodą
jest zastosowanie przepustnicy obejściowej.
Zamknięcie przepływu zimnego powietrza
przez wymiennik i skierowanie go
przez kanał obejściowy daje możliwość
rozmrożenia urządzenia, usunięcia oblodzenia i odprowadzenia kondensatu. Po
rozmrożeniu wymiennika możliwa jest ponowna
praca w standardowych warunkach.
Inną z metod jest stosowanie przesłony zamykającej kilka szczelin wymiennika po
stronie powietrza zimnego. Ostatnią możliwością jest zastosowanie trybu recyrkulacji
powietrza usuwanego, które jest kierowane
ponownie na wymiennik ciepła od
strony powietrza nawiewanego.
Bardzo ciekawy jest fakt zastosowania do
budowy wymienników materiałów innych
niż aluminium. Na rynku znaleźć
można wymienniki ciepła wykonane
z polipropylenu. Zgodnie z deklaracjami
producenta zapewniają one sprawność
odzyskiwania ciepła niższą zaledwie
o 2-3% w porównaniu z wymiennikami
aluminiowymi. Do zalet wymiennika polipropylenowego
należy zaliczyć trwałość, nieaktywność chemiczną na środki
chloropochodne, a także wysoką gładkość,
co wpływa na łatwość utrzymania
takiego urządzenia w czystości.
Wymiennik z czynnikiem pośredniczącym
Jako jedyny z omawianych wymienników
ciepła daje możliwość rozdzielenia sekcji
nawiewnej i wywiewnej układu wentylacji
mechanicznej. Systemem, za pomocą którego
możliwe jest odzyskiwanie ciepła
z powietrza wentylacyjnego w sytuacji, gdy
układy nawiewny i wywiewny wentylacji
mechanicznej są rozdzielone jest także
układ pompy ciepła. Nie jest on jednak
ujęty w niniejszym artykule.
Odległość w jakiej znaleźć się mogą sekcje
nawiewna i wywiewna determinuje moc
pompy służącej do tłoczenia czynnika pośredniczącego, którym najczęściej jest
wodny roztwór glikolu, zapewniający stabilną pracę nawet w niskiej temperaturze
powietrza zewnętrznego. Niestety wraz ze
wzrostem odległości pomiędzy zespołami
rosną również straty ciepła instalacji do
transportu czynnika pośredniczącego, co
powoduje obniżenie opłacalności zastosowania
tego układu. Sprawność odzyskiwania
ciepła systemu z czynnikiem pośredniczącym wynosi około 50%. Należy jednak
pamiętać, że w niekorzystnych sytuacjach,
tzn. dla stosunku strumienia powietrza
nawiewanego do usuwanego znacząco różnego od jedności i niewłaściwej izolacji
cieplnej rurociągów sprawność będzie
dużo niższa.
W okresach przejściowych, gdy nie jest konieczne
odzyskiwanie pełnego strumienia
ciepła wydajność systemu może być regulowana
na dwa sposoby. Pierwszy z nich to
zmiana strumienia czynnika pośredniczącego poprzez regulację wydajności pompy,
bądź też jej dławienie. Drugim sposobem
jest układ podmieszania realizowany za
pomocą zaworu trójdrogowego. Zastosowanie
wyżej wspomnianych układów ma jeszcze
jedno istotne zadanie. Zabezpiecza
część wywiewną instalacji wentylacyjnej
przed zamarznięciem.
Rurka ciepła
Jest najczęściej stosowana w wentylacji
mechanicznej i klimatyzacji hal basenów.
Wynika to z faktu, iż rurka ciepła charakteryzuje
się niską temperaturą szronienia, co
jest szczególnie istotne w przypadku odzyskiwania
ciepła z powietrza o podwyższonej
wilgotności.

Fot. 2 Centrala klimatyzacyjna basenowa
z rurką ciepła I pompą ciepła
Układy odzyskiwania ciepła bazujące na
rurce ciepła charakteryzują się także dość
wysoką sprawnością. Wymiennik taki
przez niemal cały rok pracuje w pobliżu
punktu swojej maksymalnej sprawności.
Nie są potrzebne specjalne układy do odszraniania
w niskiej temperaturze zewnętrznej,
które powodują obniżenie
średniego rocznego współczynnika sprawności.
Jeśli konieczna jest regulacja strumienia
odzyskiwanego ciepła stosuje się
przepustnice obejściowe wymiennika
(tzw. by-passy). Dzięki temu w momencie
wystąpienia wysokich wewnętrznych
zysków ciepła, powietrze wewnętrzne jest
po prostu usuwane na zewnątrz. Rurka
ciepła ma jednak jedną dość istotną wadę:
konieczne jest zamontowanie zespołu
wentylacyjnego powietrza usuwanego poniżej zespołu powietrza nawiewanego
(cecha ta wynika wprost z zasady działania
rurki ciepła). Obecnie rurka ciepła jest
rzadko stosowana w układach wentylacji
i klimatyzacji klasycznych pomieszczeń
mieszkalnych i biurowych.
Wymiennik rotacyjny
Działa na zasadzie regeneracji masy akumulacyjnej
obracającej się i przekazują-
cej ciepło. Wymiennik rotacyjny, nazywany
również regeneracyjnym cechuje
się wyższą sprawnością odzyskiwania
ciepła w porównaniu z opisywanymi
wcześniej układami. Ma także istotną
zaletę – możliwość odzyskania wilgoci
zawartej w powietrzu usuwanym. Zjawisko
odzyskiwania masy w wymiennikach
akumulacyjnych wpływa pozytywnie
na jakość powietrza wentylacyjnego
w okresach zimowych, gdy zawartość
(bezwzględna) wilgoci w powietrzu zewnętrznym
jest niewielka. Dzięki temu
możliwe jest utrzymanie wyższej wartości
wilgotności względnej powietrza
w pomieszczeniu niż w przypadku zastosowania
wymienników rekuperacyjnych,
czy wymienników z czynnikiem
pośredniczącym.

Fot. 3 Centrala wentylacyjna z rotacyjnym
wymiennikiem ciepła typu VR400E
Rotacyjny wymiennik ciepła charakteryzuje
także niższa temperatura szronienia,
niż ww. wymienniki. Jeśli wystąpi
niebezpieczeństwo szronienia zmniejszają się obroty rotora i następuje odszronienie
wymiennika w strumieniu
ciepłego powietrza wywiewanego. Również regulacja strumienia ciepła odzyskiwanego
realizowana jest w ten sposób.
Wymiennik rotacyjny jest drugim, po wymiennikach
płytowych, najczęściej stosowanym
urządzeniem do odzyskiwania
ciepła w systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.
Układ z nieobrotowym wymiennikiem regeneracyjnym
Nieobrotowy wymiennik regeneracyjny
jest urządzeniem charakteryzującym się
najwyższą sprawnością spośród urządzeń
oferowanych na rynku. Według danych
producentów sprawność ta wynosi nawet
do 95% ciepła jawnego i do 80% ciepła
utajonego [13]. Jest ona zdecydowanie
wyższa od sprawności wymiennika z masą obrotową, w którym masa akumulacyjna
jest mniejsza. Masa wymiennika nieobrotowego
charakteryzuje się również
większą pojemnością cieplną, co wpływa
na jakość wymiany ciepła.

Rys. 1 Nieobrotowy wymiennik regeneracyjny

Rys. 2 Tryb 1 – ładowanie wymiennika nr 1
i rozładowywanie wymiennika nr 2

Rys. 3 Tryb 1 – rozładowanie wymiennika nr 1
i ładowanie wymiennika nr 2
Schemat działania wymiennika z masą
nieobrotową przedstawiony został na
rys. 2 i 3.
Jeśli zastosujemy tego typu wymiennik,
w pewnych sytuacjach nagrzewnica powietrza
w centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej
może nie być potrzebna.

Tabela 2. Roczne zużycie ciepła i koszty związane z podgrzaniem powietrza wentylacyjnego

Rys. 4 Prezentacja efektów ekonomicznych (opracowanie autora)
Analiza ekonomiczna zastosowania wysokosprawnego układu odzyskiwania ciepła
Rozważany jest układ wentylacji mechanicznej
w budynku użyteczności publicznej. Wentylacja
mechaniczna obsługuje pomieszczenia biurowe, techniczne
oraz sale posiedzeń.
Analizie poddano układ wentylacji mechanicznej
działający w sposób ciągły z obniżeniem wydajności
w czasie nieużytkowania budynku. Założono, że budynek
jest użytkowany w godzinach od 8:00 do 20:00
i wtedy wentylacja mechaniczna pracuje z pełną
wydajnością. W pozostałych godzinach strumień powietrza
wentylacyjnego ograniczany jest do połowy
nominalnego.
Do obliczeń przyjęto następujące wartości wyjściowe:
• nominalny strumień powietrza wentylacyjnego
V1 = 10 000 m³/h ;
• gęstość powietrza wentylacyjnego ρ = 1,2 kg/m³ ;
• ciepło właściwe powietrza Cp = 1,005 kJ/kg*K ;
• średnia roczna temperatura powietrza zewnętrznego
te = 7,2°C ;
• średnia temperatura powietrza wewnętrznego
ti = 20°C ;
• koszt podgrzania powietrza wentylacyjnego KkWh
= 0,1 PLN/kWh.
W celu przeprowadzenia analizy przyjęto także założenia upraszczające: stałą różnicę temperatury powietrza
zewnętrznego i w pomieszczeniu, uwzględnienie
jedynie odzysku ciepła jawnego, pominięcie
zmian parametrów powietrza w czasie roku (traktuje
się powietrze jako gaz doskonały) oraz stałą,
średnioroczną sprawność wymiennika do odzyskiwania
ciepła.
Dla porównań ekonomicznych przyjęto cztery różne
warianty wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej:
• bez żadnego układu do odzyskiwania ciepła;
• z wymiennikiem rekuperacyjnym płytowym
o sprawności 65%;
• z wymiennikiem regeneracyjnym obrotowym
o sprawności 80%;
• z wymiennikiem regeneracyjnym nieobrotowym
o sprawności 90%.
Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 2.
Efekty ekonomiczne różnych układów do odzyskiwania
ciepła (w tej samej instalacji wentylacji mechanicznej)
zamieszczone zostały na rys. 4.
Z przeprowadzonej powyżej analizy można wnioskować,
że koszty inwestycyjne ponoszone na układy do
odzyskiwania ciepła zwracają się w krótkim okresie
czasu. Ponadto, czym większy strumień powietrza
wentylacyjnego przepływającego przez układ, tym
bardziej opłacalna jest inwestycja, ze względu na
mniejszy stosunek jej kosztów do kosztów eksploatacyjnych
obiektu.
Oczywiście decyzja o wyborze systemu odzyskiwania
ciepła powinna zostać każdorazowo poprzedzona
analizą techniczną, określającą możliwości zastosowania
danego systemu oraz analizą ekonomiczną
wykazującą, który z systemów w danych warunkach
będzie miał najszybszy czas zwrotu.
W rozporządzeniu ministra infrastruktury z dnia 12
kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych
jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie
[9] sformułowano zalecenie zastosowania systemu
odzyskiwania ciepła w przypadku, gdy jego
wydajność jest równa, lub wyższa niż 10 000 m³/h.
Rozwój technologiczny i spadek kosztów inwestycyjnych
spowodował, że dziś prawie wszystkie układy
wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej wyposażone są w układ odzyskiwania ciepła. Świadczy
to zatem jednoznacznie o tym, że czynniki ekonomiczne
są w stanie równie skutecznie jak czynniki
legislacyjne uregulować kwestie oszczędności ciepła wciąż przecież w Polsce uzyskiwanego ze źródeł
pierwotnych.
Autor: mgr inż. Zenon Spik, Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji,
Politechnika Warszawska
Źródło:
Literatura:
[1] Pawiłojć A., Targański W., Bonca Z.:
Odzysk ciepła w systemach wentylacyjnych
i klimatyzacyjnych, IPPU
MASTA, Gdańsk 1998 r.
[2] Recknagel, Sprenger, Hönmann, Schramek:
Poradnik Ogrzewanie+Klimatyzacja,
EWFE, Gdańsk 1994 r.
[3] Rosiński M.: Termodynamiczna efektywność
„płynnych żeber” ze strukturą
kapilarno porowatą w aspekcie odzyskiwania
ciepła w instalacjach cieplnych,
Prace Naukowe „Inżynieria Środowiska”
z. 40, 2002 r.
[4] Rosiński M., Spik Z.: Zastosowanie
układów do odzyskiwania ciepła w instalacjach
wentylacyjnych i klimatyzacyjnych
w aspekcie ekonomicznym,
COW nr 3, 2004 r.
[5] Rosiński M., Spik Z.: Efekty ekonomiczne
i zdrowotne odzyskiwania ciepła w mechanicznych instalacjach
wentylacyjnych stosowanych w budownictwie
wielorodzinnym, 2004 r.,
COW nr 9, 2004 r.
[6] Spik Z.: Systemy odzyskiwania ciepła
w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych
oraz projekt wymiennika
ciepła z płynnym żebrem z jednofazowym
czynnikiem termodynamicznym,
praca dyplomowa, 2002 r.
[7] PN-83/B-03430/AZ3:2000 Wentylacja
w budynkach mieszkalnych zamieszkania
zbiorowego i użyteczności publicznej.
Wymagania.
[8] PN-73/B-03431 Wentylacja mechaniczna
w budownictwie. Wymagania.
[9] Rozporządzenie ministra infrastruktury
z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie
warunków technicznych jakim
powinny odpowiadać budynki i ich
usytuowanie.
[10] DIN 91.140.30 Ventilation and air
conditioning systems.
[11] VDI 2071 Wärmerückgewinnung in
Raumlufttechnischen Anlagen.
[12] Materiały firmowe Elektra Sp. z o.o.
[13] Materiały firmowe Menerga Polska
Sp. z o.o.
[14] Materiały firmowe Systemair S.A.