Używamy cookies i podobnych technologii m.in. w celach: świadczenia usług, reklamy, statystyk. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień Twojej przeglądarki oznacza, że będą one umieszczane w Twoim urządzeniu końcowym. Pamiętaj, że zawsze możesz zmienić te ustawienia. Szczegóły znajdziesz w Polityce Prywatności.

Odzysk energii - ciepła i chłodu w instalacjach wentylacyjno-klimatyzacyjnych

08.10.2013

Powietrze odpowiedniej jakoÅ›ci w zamkniÄ™tych pomieszczeniach jest bardzo istotne dla zdrowia oraz dobrego samopoczucia ludzi w nich przebywajÄ…cych. PrzeciÄ™tny czÅ‚owiek wdycha i wydycha codziennie ok. 20 000 litrów powietrza, a do dobrego samopoczucia potrzebuje ponad 30 m3 Å›wieżego powietrza.

Wstęp

Instalacje wentylacyjne i klimatyzacyjne do swojego funkcjonowania potrzebujÄ… energii elektrycznej. Systemy z odzyskiem ciepÅ‚a umożliwiajÄ… znaczne obniżenie zapotrzebowania na ciepÅ‚o budynku (strefy). O opÅ‚acalnoÅ›ci zastosowania odzysku ciepÅ‚a decyduje rachunek ekonomiczny.

W nowych centralnych systemach wentylacyjnych odzysk ciepÅ‚a jest rzeczÄ… oczywistÄ…. Zgodnie z obowiÄ…zujÄ…cymi przepisami w instalacjach o wydatku nominalnym 2000 m3/h i wiÄ™cej stosowanie urzÄ…dzeÅ„ do odzysku ciepÅ‚a jest obowiÄ…zkiem [1].

WedÅ‚ug rozporzÄ…dzenia MI [1] recyrkulacja to dopuszczalna forma odzysku ciepÅ‚a. Jest to jednak zapis formalny, gdyż recyrkulacja powietrza nie jest odzyskiem ciepÅ‚a, lecz formÄ… transportu energii. Stosowanie recyrkulacji sprzyja oszczÄ™dnoÅ›ci energii przez dostosowanie (zmniejszanie) iloÅ›ci powietrza Å›wieżego w stosunku do caÅ‚kowitego strumienia powietrza wymaganego przez kryteria grzewcze czy chÅ‚odnicze. Jest też najprostszym rozwiÄ…zaniem optymalizujÄ…cym pracÄ™ systemu wentylacyjno-klimatyzacyjnego.

Free-cooling jest również formÄ… oszczÄ™dnoÅ›ci energii na cele chÅ‚odnicze, ale nie jest odzyskiem ciepÅ‚a.

 

Tab. Metody odzysku ciepła i energii w systemach wentylacyjno-klimatyzacyjnych

 

Metody odzysku ciepła

Przy budowie nowej instalacji wentylacyjnej bÄ…dź przebudowie istniejÄ…cej gÅ‚ównym czynnikiem decydujÄ…cym o wyborze systemu odzysku ciepÅ‚a jest sytuacja montażowa i dostÄ™pność miejsca. W procesach odzysku ciepÅ‚a można wyróżnić rekuperacjÄ™ i regeneracjÄ™.

Rekuperacja to proces wymiany ciepÅ‚a przebiegajÄ…cy przy braku kontaktu powietrza nawiewanego i usuwanego z tÄ… samÄ… powierzchniÄ… wymiennika.Wymiana ciepÅ‚a zachodzi przez przeponÄ™ poÅ›redniczÄ…cÄ…. Do rekuperatorów można zaliczyć:

- wymienniki płytowe,

- wymienniki rurowe,

- urzÄ…dzenia z czynnikiem poÅ›redniczÄ…cym:

    – systemy wodne, glikolowe, olejowe,

    – rurki ciepÅ‚a,

    – sprężarkowe pompy ciepÅ‚a z bezpoÅ›rednim odparowaniem.

 

Regeneracja jest procesem wymiany ciepÅ‚a, w którym strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego naprzemiennie omywajÄ… tÄ™ samÄ… powierzchniÄ™ wymiennika.Takie rozwiÄ…zanie umożliwia nie tylko wymianÄ™ ciepÅ‚a, ale również masy – odzysk wilgoci. Do wymienników regeneracyjnych można zaliczyć:

- wymienniki obrotowe,

- złoża akumulacyjne.

Recyrkulacja jest transportem ciepÅ‚anazywana czasem formÄ… odzysku energii cieplnej lub chÅ‚odniczej. Polega na ogrzaniu/ochÅ‚odzeniu powietrza nawiewanego przez zawrócenie części powietrza wywiewanego i zmieszaniu go z powietrzem nawiewanym w komorze mieszania. Przy stosowaniu recyrkulacji należy zachować pewien minimalny udziaÅ‚ powietrza Å›wieżego wynikajÄ…cy ze wzglÄ™dów higienicznych. Proces ten warto stosować w obiektach wielkokubaturowych, gdzie nawiewany strumieÅ„ powietrza wentylacyjnego jest wiÄ™kszy od strumienia powietrza wynikajÄ…cego z wymagaÅ„ higienicznych.

Free-cooling to proces (system) wykorzystania darmowych pokÅ‚adów chÅ‚odu zawartych w powietrzu zewnÄ™trznym w chÅ‚odnych porach roku do schÅ‚odzenia powietrza wewnÄ…trz budynku. W praktyce wykorzystanie naturalnego chÅ‚odzenia powietrza może odbywać siÄ™ w sposób poÅ›redni i bezpoÅ›redni.

GÅ‚ówne metody odzysku ciepÅ‚a i energii w systemach wentylacyjno-klimatyzacyjnych przedstawiono w tabeli.

GÅ‚ówne korzyÅ›ci wynikajÄ…ce ze stosowania odzysku ciepÅ‚a/chÅ‚odu to:

- zmniejszenie zapotrzebowania na ciepÅ‚o i chÅ‚ód, co w konsekwencji pozwala na zastosowanie mniejszych urzÄ…dzeÅ„ źródÅ‚owych;

- zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych zwiÄ…zanych z bilansem zysków i strat energii budynku.

 

Rys. 1 Straty ciepła w budynkach jednorodzinnych i wielorodzinnych (rys. autor)

 

Poprawienie parametrów energetycznych budynku skutkuje polepszeniem zarówno wspóÅ‚czynników kosztowych inwestycji, jak i jej eksploatacji. W przypadku gdy odzysk ciepÅ‚a realizowany jest w sektorze przemysÅ‚owym i technologicznym, oszczÄ™dność energii zwiÄ™ksza konkurencyjność przedsiÄ™biorstwa na wolnym rynku.

 

Efektywność odzysku energii

Do oceny rekuperatorów używa siÄ™ wskaźnika efektywnoÅ›ci temperaturowej odzysku ciepÅ‚a ET, nazywanego także stopniem wykorzystania różnicy temperatur:

gdzie:

t11– temperatura powietrza usuwanego, [K]

t21– temperatura powietrza zewnÄ™trznego, [K]

t22– temperatura powietrza nawiewanego, [K]

 

TemperaturowÄ… efektywność odzysku ciepÅ‚a powszechnie nazywa siÄ™ sprawnoÅ›ciÄ… temperaturowÄ… lub termicznÄ…. Ogólnie okreÅ›la ona stosunek iloÅ›ci energii, jakÄ… uzyskuje siÄ™ na wyjÅ›ciu jakiegoÅ› systemu, do energii dostarczanej do niego. W przypadku zmian entalpii powietrza w regeneratorze, czyli wymiany masy (wilgoci), powyższe równanie jest niepeÅ‚ne i uzupeÅ‚nione być powinno o wskaźnik efektywnoÅ›ci odzysku wilgoci EW:

gdzie:

X11– wilgotność bezwzglÄ™dna powietrza usuwanego, [kg/kg]

X21– wilgotność bezwzglÄ™dna powietrza zewnÄ™trznego, [kg/kg]

X22– wilgotność bezwzglÄ™dna powietrza nawiewanego, [kg/kg]

 

KolejnÄ… wielkoÅ›ciÄ… charakteryzujÄ…cÄ… ukÅ‚ady odzysku ciepÅ‚a jest wspóÅ‚czynnik tzw. efektywnoÅ›ci odzysku ciepÅ‚a (energii) EO. Jest to stosunek energii odzyskanej do energii, jakÄ… należaÅ‚oby dostarczyć w celu ogrzania powietrza wentylacyjnego. WyrażajÄ…c moc cieplnÄ… zawartÄ… w strumieniu powietrza przez iloczyn strumienia masy powietrza i jego entalpii, efektywność odzysku energii samego wymiennika można opisać zależnoÅ›ciÄ…:

gdzie:

i1– entalpia powietrza usuwanego, [kJ/kg]

i3– entalpia powietrza zewnÄ™trznego, [kJ/kg]

i4– entalpia powietrza nawiewanego, [kJ/kg]

m×12– strumieÅ„ masy powietrza wywiewanego, [kg/s]

m×34– strumieÅ„ masy powietrza nawiewanego, [kg/s]

 

Wymagania stawiane instalacjom wentylacyjnym z odzyskiem ciepÅ‚a

Przed rozpoczęciem modernizacji lub adaptacji systemu wentylacyjnego należy sprawdzić, czy spełnia on następujące wymagania:

- wspóÅ‚czynnik odzysku ciepÅ‚a na poziomie co najmniej 80%,

- niskie zużycie energii elektrycznej, poniżej 0,45 W/(m3/h),

- odpowiednia szczelność budynku – wspóÅ‚czynnik krotnoÅ›ci wymian powietrza n50 < 0,61h-1,

- strumieÅ„ Å›wieżego powietrza na osobÄ™ na poziomie 40 m3 (zgodnie z wymaganiami przepisów),

- niski poziom haÅ‚asu (zgodnie z wymaganiami przepisów).

 

Rys. 2 Udział strat ciepła przez wentylację w całkowitych stratach energii budynku [2]

 

Opłacalność stosowania odzysku ciepła

Stosowanie odzysku ciepÅ‚a pozwala zmniejszyć wielkość instalacji, a także zredukować koszty eksploatacyjne. Jak każda inwestycja jej stosowanie kosztuje i jej celowość należy przeanalizować rachunkiem amortyzacyjnym. Czas zwrotu nie powinien przekroczyć 10 lat. Na tyle szacuje siÄ™ obecnie żywotność i aktualność systemów energetycznych.

Okres zwrotu kapitaÅ‚u (BEP – break even point) wyznacza siÄ™ przez podzielenie nakÅ‚adu inwestycyjnego przez oszczÄ™dność eksploatacyjnÄ….

Nie każda inwestycja powodujÄ…ca zmniejszenie zużycia energii jest opÅ‚acalna. Dla dużych systemów należy okreÅ›lić, jaki wskaźnik efektywnoÅ›ci odzysku ciepÅ‚a skutkuje najniższymi kosztami eksploatacyjnymi. Szczególnie ważny jest aspekt czasu pracy systemu, który powinien być czÄ™sto uwzglÄ™dniany.

Efektywność ekonomiczna stosowania odzysku ciepÅ‚a w ukÅ‚adach wentylacyjnych zależna jest miÄ™dzy innymi od:

- wartości początkowej inwestycji,

- przewidywanego poziomu odzysku energii w kolejnych latach eksploatacji ukÅ‚adu,

- zużycia energii niezbędnej do jego pracy,

- ceny energii.

 

W niektórych sytuacjach przy wystÄ…pieniu niekorzystnej relacji miÄ™dzy przewidywanymi kosztami inwestycyjnymi a rynkowÄ… cenÄ… energii negatywny wynik rachunku efektywnoÅ›ci ekonomicznej może spowodować odrzucenie realizacji analizowanej inwestycji. Promowanie oszczÄ™dnoÅ›ci energii pierwotnej i ochrony Å›rodowiska mieÅ›ci siÄ™ w strategii polityki paÅ„stwa, dlatego też istniejÄ… mechanizmy finansowe wspomagajÄ…ce inwestorów w stosowaniu metod ograniczajÄ…cych zużycie energii pierwotnej.

 

Stosowanie odzysku ciepÅ‚a w ukÅ‚adach wentylacyjno-klimatyzacyjnych pozwala zaoszczÄ™dzić część energii traconej na cele higieniczne. W zależnoÅ›ci od udziaÅ‚u wentylacyjnych strat ciepÅ‚a w caÅ‚kowitym zapotrzebowaniu budynku na ciepÅ‚o (chÅ‚ód) wzrasta lub maleje priorytet stosowania rekuperacji.

Budynki wielorodzinne i jednorodzinne różniÄ… siÄ™ udziaÅ‚em strat ciepÅ‚a przez wentylacje w caÅ‚kowitych stratach energii budynku, co zostaÅ‚o przedstawione na rys. 1.

W zależnoÅ›ci od rodzaju budynku, a raczej stosunku powierzchni do kubatury (A/V) udziaÅ‚ strat ciepÅ‚a przez wentylacjÄ™ w caÅ‚kowitym zapotrzebowaniu na ciepÅ‚o jest różny, a przebieg tego udziaÅ‚u przedstawia wykres na rys. 2.

 

Zalety stosowania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepÅ‚a

- Lepsza jakość Å›rodowiska wewnÄ™trznego – zużyte powietrze w budynku jest nieustannie wymieniane na Å›wieże. Powietrze zewnÄ™trzne jest filtrowane, a insekty, pyÅ‚y, pyÅ‚ki nie przedostajÄ… siÄ™ do Å›rodka budynku.

- Niższe koszty ogrzewania – energia z usuwanego powietrza przekazywana jest przez wymiennik ciepÅ‚a w 80% do powietrza Å›wieżego (nawiewanego) bez wzajemnego kontaktu obu strumieni. Skutek – oszczÄ™dność kosztów ogrzewania od 30 do 50%.

- OpÅ‚acalne i ekonomiczne rozwiÄ…zanie systemowe – dziÄ™ki redukcji zapotrzebowania na ciepÅ‚o możliwe jest zainstalowanie instalacji ogrzewania o mniejszej mocy. Sprawia to, że zastosowanie pompy ciepÅ‚a staje siÄ™ opÅ‚acalne. Instalacja gazowa oraz komin mogÄ… być pominiÄ™te przy instalacji z pompÄ… ciepÅ‚a.

- Niski poziom haÅ‚asu w pomieszczeniach – przy wentylacji mechanicznej okna pozostajÄ… zamkniÄ™te, mimo to w pomieszczeniach jest Å›wieże powietrze, a haÅ‚as zewnÄ™trzny nie przenika do pomieszczeÅ„.

- Automatyczny system sterowania – kontrolÄ™ nad niezbÄ™dnÄ… iloÅ›ciÄ… powietrza wentylacyjnego przejmuje system sterowania instalacjÄ… wentylacji mechanicznej.

- Usuwanie zapachów i zanieczyszczeÅ„ – zapachy z kuchni, toalet, wilgoć z Å‚azienki, dym papierosowy usuwane sÄ… na bieżąco na zewnÄ…trz.

- Brak wilgoci i przykrych konsekwencji – zawartość wilgoci w powietrzu (w wyniku gotowania czy kÄ…pieli) nie zwiÄ™ksza siÄ™, gdyż jest bezpoÅ›rednio usuwana. Przykre skutki zwiÄ…zane z jej nadmiarem, np. grzyby, pleÅ›nie, zapachy, sÄ… eliminowane.

- ChÅ‚odzenie wentylacjÄ… – w letnie ciepÅ‚e dni możliwe jest chÅ‚odzenie wentylacjÄ… z pomocÄ… wymienników gruntowych, wykorzystujÄ…c grunt jako zasobnik chÅ‚odu.

 

Podsumowanie

Stosowanie ukÅ‚adów odzysku ciepÅ‚a i chÅ‚odu to nie tylko wymagania prawa, ale i wybór ekonomiczny. Jak każda inwestycja powinna zostać przeanalizowana ekonomicznie pod wzglÄ™dem opÅ‚acalnoÅ›ci stosowania. UkÅ‚ady odzysku ciepÅ‚a pozwalajÄ… na zmniejszenie zapotrzebowania na ciepÅ‚o/chÅ‚ód budynku, majÄ… również wpÅ‚yw na wzrost zapotrzebowania instalacji na energiÄ™ elektrycznÄ… (dodatkowe opory, urzÄ…dzenia elektryczne etc.), dlatego każdorazowÄ… inwestycjÄ™ musi poprzedzać techniczno-ekonomiczna analiza.

 

dr inż. Maciej Danielak

kierownik działu sprzedaży Kampmann Polska Sp. z o.o.

 

Literatura

1. RozporzÄ…dzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r. Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).

2. F. D. Heidt, Bewertung der Energieeffizienz verschiedener Maßnahmen für Gebäude mit sehr geringem Energiebedarf, Universitat Siegen. 

www.piib.org.pl

www.kreatorbudownictwaroku.pl

www.izbudujemy.pl

Kanał na YouTube

Profil na Google+