Rekuperatory w domach mieszkalnych: wybór urządzenia, zasada działania systemu, oszczędność energii

Podstawowe pytanie, które powinno pojawić się na etapie planowania systemów wentylacji budynków mieszkalnych oraz domów jednorodzinnych brzmi, w jaki sposób należy zapewnić dopływ odpowiedniej ilości powietrza zewnętrznego, aby nie powodowało to obniżenia temperatury wewnętrznej, a więc podniesienia kosztów ogrzewania? Każdy rodzaj nawiewnika podciśnieniowego, higrosterowanego lub kratki wentylacyjnej jest urządzeniem, przez które do wnętrza trafia zimne powietrze zewnętrzne. Ponadto rozwiązania te są wrażliwe na wahania warunków wewnętrznych i zewnętrznych, w skrajnych sytuacjach powodują całkowite odcięcie dopływu powietrza świeżego. W tym kontekście niewątpliwie jednym z najlepszych i godnych polecenia rozwiązań jest zastosowanie systemu wentylacji mechanicznej, bazującego na rekuperatorze, zapewniającego wysoką skuteczność bez względu na zmienne warunki atmosferyczne.

Istotą działania rekuperatorów jest ogrzewanie
powietrza nawiewanego do budynku
za pomocą ciepłego powietrza, które jest
równocześnie z niego wywiewane. Ten
sposób wymiany ciepła realizowany jest
przez wymiennik krzyżowy (skrzynia,
w której powietrze nawiewane i wywiewane
przechodzi przez szereg wąziutkich
przewodów, nie mieszając się ze sobą) lub
obrotowy (obraca się cały rdzeń wymiennika,
powodując ruch powietrza wewnątrz
urządzenia) stanowiący podstawowy element
rekuperatora. Sprawność odzysku
ciepła w wymiennikach krzyżowych to wartość
rzędu 75%, natomiast w obrotowych –
85%. Pomimo niższej sprawności tańszym
rozwiązaniem wentylacji domów mieszkalnych
jest stosowanie wymiennika krzyżowego.
Wynika to z faktu, że wymiennik tego
typu nie ma części ruchomych, a więc
jest praktycznie bezawaryjny, tańszy w eksploatacji
i bardziej cichy. Dzięki zastosowaniu
central z rekuperatorami można praktycznie
zrezygnować z otwierania okien
uzyskując lepszy efekt przewietrzania
i osuszania, a powietrze zewnętrzne przechodzące przez układ filtrów (w klasie od
EU3 do EU7) pozbawione jest tak uciążliwych
zanieczyszczeń, jak: pył, pyłki kwiatowe,
roztocza, zarodniki grzybów, cząstki
stałe itp. Nie do przecenienia jest również
możliwość znacznego ograniczenia uciążliwego
hałasu ulicznego.

Przykładowy wykres ilustrujący spadek sprawności odzysku ciepła
wraz ze wzrostem wydajności rekuperatora dla centrali typu MISTRAL 300
Wykres: Pro-Vent
Krzyżowy czy obrotowy?
Niewątpliwie pierwszą wielkością, na którą
zawraca uwagę każdy inwestor jest cena zestawu
oraz koszty eksploatacji systemu.
Warto zdawać sobie sprawę, że w przypadku
rekuperatorów nie zawsze wyższy koszt
zakupu oznacza jednocześnie przyjęcie lepszego
dla użytkownika rozwiązania, gdyż
często oczekiwania te są różne (jednym wystarczy
realizacja minimalnych zadań przez
urządzenie, inni oczekują dodatkowych
funkcji). Droższe rekuperatory wyposażone
w wymienniki obrotowe pozwalają wprawdzie
na odzysk ciepła ze sprawnością o 5-10%
wyższą niż wymienniki krzyżowe, ale jednocześnie
koszty stałe (zużycie prądu, wymiana
filtrów) w niektórych sytuacjach mogą przekraczać uzyskane w ten sposób
oszczędności. Jednakże wymienniki obrotowe
cechują dodatkowe zalety, które nie
występują w prostych rekuperatorach krzyżowych, między innymi wiele z nich ogranicza
spadek wilgotności w pomieszczeniach,
wyposażone są w rozwiązania chroniące je
przed zamarzaniem, nie ma też potrzeby
odprowadzania z nich kondensatu.
Te dwa rodzaje wymienników można porównać
do dwóch samochodów, w wersji:
standardowej i z bogatszym wyposażeniem.
Warto w tym miejscu wspomnieć, że podawane
przez producenta sprawności odzysku
ciepła są wartościami maksymalnymi,
osiąganymi w warunkach idealnych. Praktycznie
w ciągu roku przy odrobinie szczęścia
warunki takie mogą wystąpić przez
parę dni. Oceniając rzeczywistą skuteczność
rekuperatora, należy więc zwrócić
uwagę na sprawność odzysku ciepła w innych
trybach pracy centrali, przy czym wartości
maksymalne uzyskuje się dla minimalnego
przepływu powietrza.
Z uwagi na fakt, że wymienniki krzyżowe
są bardziej popularne, zagadnienia poruszane
w dalszej części artykułu dotyczą
w większym stopniu właśnie tych urządzeń
niż ich odpowiedników obrotowych.
Na co zwrócić uwagę podczas
doboru urządzenia?
Wielkość dobranej centrali musi zapewnić
dostarczenie do domu odpowiedniej ilości
świeżego powietrza, która nie powinna być
mniejsza niż określona w polskiej normie.



Wartość ta uzależniona jest od ilości i wyposażenia takich pomieszczeń jak kuchnie,
łazienki, wc i pomieszczenia techniczne.
Można przyjąć, że dla typowego domu
o powierzchni około 150 m³ (2 łazienki
i kuchnia) w zupełności wystarczające będzie
niewielkie urządzenie nawiewające
o wydatku 200-250 m³/h. Nie ma więc potrzeby
inwestować w znacznie większą
i droższą centralę.
Wybierając urządzenie, dobrze jest natomiast
przeanalizować zakup nieco lepszych
(a więc niestety droższych) filtrów i wentylatorów.
Dobre filtry zapewniają mniejsze
opory przepływu powietrza, co przekłada
się na zużycie energii przez wentylatory
i w końcowym efekcie rekompensuje ich
wyższą cenę. Wysokiej klasy wentylatory
(wyposażone w silnik z wirującym stojanem
i łożyska kulowe) przedłużają czas
bezawaryjnej pracy układu oraz, co równie
istotne, są znacznie cichsze od zwykłych
blaszanych wentylatorów łopatkowych.
Ważną sprawą podczas wyboru rekuperatora
jest kwestia obudowy. Należy pamiętać,
że obok walorów estetycznych pozwalających na ustawienie urządzenia np. na strychu
lub w garderobie funkcją obudowy jest
tłumienie hałasu oraz izolacja termiczna.
Dobrej klasy centrala nie wymaga w praktyce
stosowania dodatkowych tłumików
hałasu i nie musi być montowana w pomieszczeniu
dźwiękoszczelnym.
Spręż dyspozycyjny wentylatora
Kolejną, chociaż nie mniej ważną sprawą są
właściwości techniczne analizowanego rozwiązania. Najistotniejszy jest w tym przypadku
spręż dyspozycyjny i poziom hałasu
generowany przez pracujące urządzenie.
Spręż, czyli siła, z jaką wentylator wtłacza
powietrze do kanałów wentylacyjnych oraz
zasysa powietrze zewnętrzne, jest jedną
z najistotniejszych wielkości opisujących rekuperator.
Siła ta powinna być wystarczająca
do pokonania oporów sieci przewodów,
czerpni, filtrów, wymiennika i nawiewników,
a jej wyliczenia należy dokonać na podstawie
projektu rozwinięcia przewodów. Im
bardziej rozległa jest sieć przewodów obsługiwanych
przez naszą centralę, tym większa
musi być wysokość ciśnienia generowanego
przez wentylator, tym bardziej, że w małych
układach wentylacyjnych dość powszechnie
stosowane są elastyczne przewody typu flex,
charakteryzujące się wysokim współczynnikiem
oporów przepływu. Przyjęcie zbyt niskiego
sprężu spowoduje, że powietrze nie
dotrze do najdalej położonego nawiewnika,
a więc cała instalacja nie będzie działać właściwie.
Z drugiej strony przyjmowanie wartości
zbyt wysokich podraża zarówno koszty
związane z zakupem urządzenia, jak i jego
eksploatacją. Duża prędkość przepływu powietrza
może powodować również powstawanie
uciążliwego hałasu.
Ochrona rekuperatora
przed szronieniem
Ze względu na ryzyko zamarzania skroplin,
a w konsekwencji zatkania rdzenia rekuperatora
powinien być on wyposażony
w grzałki elektryczne uruchamiane automatycznie
w przypadku spadku temperatury
poniżej zera. Nagrzewnica pełni równie
ż funkcję dodatkowego źródła ciepła dla
powietrza wchodzącego do budynku. Innym
rozwiązaniem problemu zamarznięcia
wymiennika ciepła jest zastosowanie automatyki,
która steruje układem w sposób
następujący: w momencie, gdy temperatura
wymiennika spadnie do temperatury
(ustawionej fabrycznie) tj. około 5-7°C,
wyłącza się wentylator tłoczący powietrze
świeże z zewnątrz. Pracuje wyłącznie wentylator
transportujący powietrze z pomieszczeń,
rozgrzewając wymiennik, co
nie dopuszcza do jego uszkodzenia na skutek
niskiej temperatury.
W okresie letnim, kiedy nie jest wymagany
odzysk ciepła, przepływ powietrza
powinien być realizowany przez klapę
obejściową (BY-PASS) z pominięciem wymiennika,
co pozwala na zwiększenie
przepływu powietrza i daje efekt chłodzenia
w upalne dni.
Procesom odzysku ciepła, na skutek stykania
się przez lamele dwóch strumieni
powietrza zimnego i ciepłego, towarzyszyć
będzie wykraplanie się pary wodnej,
którą należy odprowadzić z wymiennika.
Najlepiej problem ten można rozwiązać,
stosując wąż elastyczny łączący króciec do
kondensatu z instalacją kanalizacyjną lub
wyprowadzony do rynny zewnętrznej pod
takim kątem, aby umożliwić grawitacyjny
odpływ skroplin.
Zaplanowanie prawidłowego
przepływu powietrza w budynku
Dysponując już dobraną do potrzeb konkretnego
budynku centralą wyposażoną
w rekuperator, należy zapewnić właściwy
rozdział powietrza we wszystkich obsługiwanych
przez nią pomieszczeniach. Pierwszym
zadaniem jest poprawne rozmieszczenie
punktów nawiewnych i wyciągów.
Ogólna zasada jest następująca: miejscem
usytuowania nawiewników powinny być
pomieszczenia przeznaczone do pracy
i wypoczynku takie, jak: sypialnie, salon,
gabinet, natomiast punkty wyciągowe
trzeba zmontować w pomieszczeniach
o największym obciążeniu cieplnym, czyli
w łazience i kuchni (dobrym rozwiązaniem
jest podłączenie wyciągu kuchennego).
Ze względu na szum towarzyszący
pracy wentylatora oraz przepływowi powietrza
przez przewody, szczególnie odczuwalny
w godzinach nocnych, samą
centralę należy umieścić jak najdalej od
sypialni.

Przykładowy schemat rozwiązania systemu wentylacji z rekuperatorem w małym obiekcie
Rys. Pro-Vent
Powietrze powinno docierać do wszystkich
pomieszczeń, a więc należy dokonać regulacji
jego przepływu. Zadanie to zrealizować
można, przynajmniej częściowo już na
etapie projektu instalacji poprzez prawidłowe
dobranie średnic przewodów i właściwe
(możliwie jak najprostsze) ich poprowadzenie.
Średnice kanałów mogą zmniejszać się
wraz z oddalaniem się od centrali, nie powinny
jednak być mniejsze niż 100 mm,
ponieważ może to doprowadzić do powstania
dokuczliwego szumu powietrza
w instalacji.
Również na etapie projektu należy przewidzieć
zastosowanie przepustnic przytłumiających nadmierny strumień powietrza
skierowany do danego pomieszczenia. Końcowym
elementem regulacyjnym jest sam
nawiewnik w postaci anemostatu lub zaworu
powietrznego. Oczywiście idealnym rozwiązaniem jest badanie przepływu powietrza
i regulacja na tej podstawie, jednak
w praktyce można dokonać ręcznej nastawy
bazując na własnych odczuciach i potrzebach
dotyczących ilości powietrza wentylacyjnego.
Należy pamiętać, że drzwi wewnętrzne oddzielaj
ące poszczególne pomieszczenia domu
nie mogą być szczelne, ponieważ może
to zniweczyć swobodny przepływ powietrza
natomiast dobra wentylacja wymaga
jego ciągłej cyrkulacji. Natężenie ruchu powietrza
regulowane jest przez tryb pracy
wentylatora. Szybkie przewietrzanie realizowane
jest przykładowo przez pracę wentylatora
na trzecim biegu, dzienna wentylacja –
na drugim, natomiast w nocy uruchamiany
jest bieg pierwszy.

Przykładowy wykres ilustrujący zmianę wydatku centrali
w zależności od trybu pracy wentylatora dla centrali typu MISTRAL 300
Wykres: Pro-Vent
Inne funkcje centrali wyposażonej
w rekuperator
Należy zdawać sobie sprawę, że podstawową funkcją układów z rekuperatorami jest
wentylacja budynku, aczkolwiek mogą one
współpracować z nagrzewnicą wodną lub
elektryczną, instalacją klimatyzacyjną oraz
wymiennikiem gruntowym. Ogrzewając
dom nagrzewnicą, istnieje ryzyko znacznego
przesuszenia powietrza wewnętrznego,
dlatego takie rozwiązanie należy przyjmować
bardzo ostrożnie.
Bardzo ciekawym i efektywnym rozwiązaniem
jest natomiast zastosowanie wymiennika
gruntowego pozwalającego zarówno na
dogrzewanie powietrza wlotowego w zimie,
jak i na pozyskiwanie darmowego chłodu
latem. Efekt taki uzyskuje się dzięki przejściu
powietrza przez obszar (rura lub złoże
żwirowe), w którym panuje stała temperatura
od 4 do 7°C, czyli na głębokości około
1,5 m w gruncie. Wymiennik taki z uwzględnieniem
właściwej regeneracji pozwala
np. na ogrzanie powietrza od temperatury -
22 do 0°C.
Jeżeli budynek wyposażony jest w system
klimatyzacji (np. klimakonwektor), podłączenie kanałów wentylacyjnych pozwoli na
równomierne rozprowadzenie schłodzonego
powietrza po całym domu. Podobnie wygląda sytuacja, jeśli chodzi o wykorzystanie
ciepłego powietrza.
Większy spręż = dłuższa instalacja,
więcej nawiewników,
wymiennik gruntowy
Przykładowo dość powszechnie oferowane tanie
centrale z rekuperatorem o sprężu 100 Pa (a czasami
nawet niższym) pozwalają na obsługę sieci przewodów
o łącznej długości nie przekraczającej 20 m,
ze znacznie ograniczoną liczbą nawiewników. Jest
to więc rozwiązanie akceptowalne dla małych domów
jednorodzinnych, które z całą pewnością nie
pozwoli na wykorzystanie np. wymiennika gruntowego.
Dodatkowe zagrożenie związane jest z możliwości
ą częstego przepalania się przeciążonego
wentylatora. Zdecydowanie lepszym rozwiązaniem
jest inwestycja w system zapewniający spręż rzędu
200-300 Pa, co pozwala na obsługę 5-6 nawiewników
oraz nawet 50 m przewodu, a także układu rozszerzonego
o wymiennik gruntowy.
Jak ograniczyć koszty montażu?
Zastosowanie wentylacji bazującej na rekuperacji powietrza warto przewidzieć już na etapie projektu, natomiast
jej wykonanie powinno odbywać się na tym samym etapie budowy co montaż instalacji grzewczej i wodno-kanalizacyjnej.
Idealnym rozwiązaniem jest wykonanie przepustów stropowych na etapie wylewania stropów. Taki porządek prac pozwala na użycie najefektywniejszych, a zarazem najtańszych rozwiązań. Znaczne ograniczenie kosztów
wiąże się między innymi z możliwością uniknięcia budowy niektórych kanałów wentylacji grawitacyjnej (koszty
przewodów wentylacyjnych są kilkakrotnie niższe od wydatków, które trzeba ponieść na wykonanie kanału murowanego).
Niektóre szacunkowe oceny podają, że oszczędności z tego tytułu pozwalają pokryć ponad 60% kosztów
wykonania instalacji wentylacji mechanicznej. Możliwe jest również maksymalne skrócenie sieci przewodów wentylacyjnych,
a także zalanie ich w stropie. To ostatnie rozwiązanie musi zostać szczególnie dobrze przemyślane,
ponieważ ma charakter ostateczny i w przypadku zmiany aranżacji wnętrza kanałów nie da się przesunąć.
Istotną zaletę stanowi fakt, że system z rekuperatorem jest prosty w montażu, a do jego właściwego zainstalowania
wystarczy minimalna wiedza techniczna i przestrzeganie zaleceń zawartych w projekcie. Realizacja instalacji
we własnym zakresie pozwala na dalsze oszczędności rzędu nawet paru tysięcy złotych. Należy jednak pamiętać,
że wykonana instalacja podlega zatwierdzeniu przez kominiarza i chociażby z tego względu należy dysponować
projektem technicznym podpisanym przez inżyniera z uprawnieniami budowlanymi.
Autor: Grzegorz Kubicki
Źródło: