Odzysk ciepła w systemach wentylacyjno-klimatyzacyjnych

Budynki stare i nowe a zapotrzebowanie powietrza wentylacyjnego

Z analizy charakterystyki budynków starych i nowo powstałych wynika, że starsze budynki cechują się dużymi stratami ciepła i brakiem skutecznej wentylacji, która najczęściej wynika z infiltracji. Nowe podejście do budownictwa energooszczędnego poskutkowało wprowadzeniem wielu zabiegów służących poprawie wskaźników strat ciepła wynikających z zastosowania materiałów budowlanych o dobrej izolacji termicznej. Jednak wzrost szczelności cieplnej budynków spowodował jednocześnie większe zapotrzebowanie na powietrze świeże wentylacyjne. Na rysunku można przeanalizować różnice w charakterystyce starych i nowych budynków.

Duże wymagania związane z ilością dostarczanego powietrza świeżego, skutecznością jego dostarczenia oraz jednoczesna potrzeba redukcji zużycia energii powodują konieczność zastosowania wentylacji mechanicznej z możliwością odzyskiwania ciepła z powietrza zużytego. Powietrze usuwane z budynków zawiera duże ilości ciepła, które mogą zostać wykorzystane do podgrzania świeżego powietrza wentylacyjnego. W ten sposób można uzyskać duże oszczędności związane z przygotowaniem świeżego powietrza wentylacyjnego.

Rys.Charakterystyka budynków starych i nowych

Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, od końca 2002 r. odzysk ciepła z systemów wentylacyjnych został usankcjonowany w Polsce przepisami prawa:

W instalacjach wentylacji mechanicznej ogólnej nawiewno-wywiewnej lub klimatyzacji komfortowej o wydajności 2000 m³/h i więcej należy stosować urządzenia do odzyskiwania ciepła z powietrza wywiewanego o skuteczności co najmniej 50% lub recyrkulację, gdy jest to dopuszczalne. W przypadku zastosowania recyrkulacji strumień powietrza zewnętrznego nie może być mniejszy, niż wynika to z wymagań higienicznych, jednak nie mniej niż 10% powietrza nawiewanego. Dla wentylacji technologicznej zastosowanie odzysku ciepła powinno wynikać z uwarunkowań technologicznych i rachunku ekonomicznego [1].

Metody odzysku ciepła

Pod względem technicznym odzysk ciepła można przeprowadzić na dwa zasadnicze sposoby: wykorzystując systemy pracujące bez medium pośredniczącego w wymianie ciepła, tzn. przekazujących ciepło w sposób bezpośredni np. powietrze–powietrze, oraz systemy z medium pośredniczącym, tzn. przekazującym ciepło w sposób pośredni, np. powietrze usuwane–nośnik ciepła–powietrze świeże. Wykorzystywane w systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych urządzenia do odzysku ciepła mogą realizować, w zależności od zastosowanych wymienników ciepła oraz parametrów powietrza nawiewanego i wywiewanego, proces odzysku ciepła tylko jawnego bądź jawnego i utajonego. Do najczęściej wykorzystywanych układów bez medium pośredniczącego można zaliczyć recyrkulację, regeneracyjny wymiennik obrotowy oraz rekuperacyjny wymiennik przeponowy. Do grupy urządzeń wykorzystujących czynnik pośredniczący należą: rurki ciepła (heat pipes), sprzężone wymienniki glikolowe lub wodne oraz pompy ciepła (sprężarkowe lub absorpcyjne).

Tab. 1

Recyrkulacja powietrza usuwanego

Recyrkulacja powietrza usuwanego jest najczęściej realizowana w komorach mieszania – jednym z bloków uzdatniania powietrza w centralach klimatyzacyjnych. Polega na zawróceniu części powietrza usuwanego z pomieszczenia do komory mieszania i zmieszaniu jej ze świeżym powietrzem zewnętrznym. Zastosowanie komory mieszania pozwala zarówno na odzysk ciepła w zimie, jak również odzysk chłodu w lecie (wymagana mniejsza moc chłodnicy w centrali).
 

Krzyżowo-płytowy wymiennik ciepła

Wymiana ciepła w krzyżowo-płytowym wymienniku ciepła odbywa się przy udziale przepony, która oddziela dwa strumienie powietrza –  zimnego i ciepłego. Obydwa strumienie powietrza ukierunkowane są względem siebie prostopadle, stąd też nazwa wymiennika krzyżowy. Ilość przekazywanego ciepła jest zależna od sprawności odzysku ciepła wymiennika oraz parametrów obu strumieni powietrza uczestniczących w wymianie ciepła. Sprawność odzysku ciepła jest parametrem charakterystycznym płytowych wymienników ciepła. W praktyce średnia sprawność płytowych wymienników ciepła wynosi 50–60%. Sprawność ta może w pewnych warunkach ulec zwiększeniu, gdy temperatura powierzchni ścianki omywanej przez powietrze usuwane będzie niższa od temperatury punktu rosy powietrza usuwanego. Podobnie przy wzroście strumienia objętościowego powietrza nawiewanego w odniesieniu do strumienia objętościowego powietrza usuwanego sprawność wymiennika maleje, zaś przy wzroście powietrza wywiewanego w stosunku do powietrza nawiewanego sprawność wymiennika wzrasta. Zaletami krzyżowo-płytowych wymienników ciepła są: bardzo prosta konstrukcja, możliwość odzysku zarówno ciepła, jak i zimna, niska cena, brak elementów ruchomych, pomijając przepustnice by-passu wymiennika, brak potrzeby doprowadzenia dodatkowej energii oraz duża niezawodność.

Tab. 2

Czynnikiem decydującym o częstym stosowaniu rekuperatorów płytowo–krzyżowych w instalacjach w domach jednorodzinnych jest ich niska cena. Bywa, że firma wykonawcza, realizując zlecenie dla klienta, nie dąży do zastosowania jak najlepszego rozwiązania rodzaju odzysku ciepła (często droższego). W większości przypadków użytkownicy domów jednorodzinnych to osoby słabo znające z zagadnienia odzysku ciepła. Firma wykonawcza oferuje im zatem najtańsze rozwiązanie. Sprawy sprawności w  pełnym zakresie występowania temperatur zewnętrznych, rodzaj zastosowanego materiału wymiennika itp. schodzą na dalszy plan.

Regeneratory ciepła – obrotowe wymienniki ciepła

W obrotowych wymiennikach ciepło z powietrza wywiewanego jest odzyskiwane przy użyciu obrotowego wirnika wykonanego najczęściej z blachy stalowej lub aluminium. Ruch obrotowy wirnika jest wywołany pracą silnika elektrycznego zamieniającego moc elektryczną na moc mechaniczną (dokładnie na moc na wale silnika), która poprzez przekładnię, najczęściej pasową, wprawia w ruch obrotowy rotor wymiennika. Wirnik może być pokryty materiałem higroskopijnym i oprócz wymiany ciepła możliwy jest dla takiego rozwiązania również odzysk wilgoci. W przypadku zastosowania wirników aluminiowych bez warstwy higroskopijnej wymiana wilgoci zachodzi na skutek zjawiska kondensacji pary wodnej zawartej w powietrzu usuwanym.

Sprzężone wymienniki ciepła

Na ten sposób odzysku ciepła składają się dwa ożebrowane wymienniki ciepła, z których jeden jest ulokowany w kanale powietrza wywiewanego, a drugi w kanale powietrza nawiewanego. Wymienniki są połączone rurociągami wypełnionymi najczęściej glikolem z uwagi na możliwość zamarznięcia wody przy niskich temperaturach powietrza zewnętrznego. Przepływ glikolu wymusza pompa cyrkulacyjna, a płynną regulację wydajności odzysku ciepła umożliwia trójdrogowy zawór regulacyjny.
 

Rurki ciepła – heat pipes

Zasada odzysku ciepła przy zastosowaniu heat pipes polega na usytuowaniu jednego końca kilku rzędów rurek w kanale nawiewnym, drugich końców zaś w kanale powietrza usuwanego. Czynnik ziębniczy umieszczony po stronie powietrza usuwanego odparowuje, pobierając ciepło od powietrza. Para czynnika chłodniczego wskutek różnicy gęstości cieczy i pary zębnika unosi się do drugiego końca rurki, gdzie z  powodu kontaktu z zimnym powietrzem zewnętrznym skrapla się, oddając ciepło do świeżego powietrza zewnętrznego. Po skropleniu czynnik ziębniczy w postaci ciekłej spływa grawitacyjnie po ściankach rurek do ich dolnej części. Dla takiego układu przekazywanie ciepła może odbywać się tylko w jednym kierunku, brak jest możliwości odzysku chłodu z powietrza usuwanego.

Innym rozwiązaniem rurek ciepła są konstrukcje z wykonaniem kapilarnym. Takie rozwiązanie cechuje dowolne położenie rurek oraz przekazywanie ciepła zarówno w jedną, jak i drugą stronę (możliwy odzysk ciepła i chłodu z powietrza usuwanego).

Sprężarkowe pompy ciepła

W okresie zimowym po stronie powietrza wywiewanego znajduje się parowacz wypełniony niskowrzącym czynnikiem chłodniczym. Skraplacz jest umieszczony po stronie powietrza nawiewanego. Ciepło pobrane przez czynnik chłodniczy na parowaczu zostaje przekazane w skraplaczu do świeżego powietrza zewnętrznego, powodując jego ogrzanie.

Wymienniki mogą być umieszczone bezpośrednio w strumieniu powietrza wywiewanego i nawiewanego lub poprzez dodatkowe wymienniki wodne w sposób pośredni przekazywać ciepło.

W systemach z odparowaniem bezpośrednim, ze względu na brak strat związanych z zastosowaniem dodatkowych cieczy pośredniczących, sprawność energetyczna odzysku ciepła jest wyższa w odniesieniu do systemów z odparowaniem pośrednim.

Czy i kiedy warto stosować odzysk ciepła?

Zwiększenie wymagań co do ilości powietrza świeżego w nowoczesnych budynkach powoduje wzrost wielkości centrali klimatyzacyjnej oraz zapotrzebowania na energię cieplną i chłodniczą. Zastosowanie recyrkulacji i rekuperacji pozwala na wymierną redukcję zużycia ciepła i chłodu na potrzeby przygotowania powietrza świeżego.

Decydując się zatem na odzysk ciepła oraz odpowiadając na powyższe pytanie, należy stwierdzić, że zdecydowanie opłaca się stosować odzysk ciepła w systemach klimatyzacyjnych. To, jakie oszczędności mogą zostać pozyskane, zależy od sprawności zastosowanego rozwiązania. Należy jednak zadać następne pytanie: kiedy można uzyskać największe oszczędności energetyczne?

Moim zdaniem możliwe jest to tylko wtedy, gdy rozpatrywany jest cały układ wentylacyjno-klimatyzacyjny i uwaga zainteresowanych nie skupia się wyłącznie na sprawności lub efektywności konkretnego rozwiązania. Przykładowo przy zastosowaniu danego rozwiązania odzysku ciepła należy przeanalizować oprócz jego sprawności, dla różnych warunków pracy, jego wpływ na zużycie energii elektrycznej przez system klimatyzacyjny. Zastosowanie płytowo-krzyżowych wymienników odzysku ciepła, pomimo wielu ich zalet, cechuje się dużymi oporami po stronie powietrza, co w konsekwencji powoduje zwiększone zużycie energii elektrycznej przez wentylatory tłoczny i wyciągowy umieszczone w centrali. Jak wynika z analizy przeprowadzonej przez autora, zastosowanie płytowo-krzyżowych wymienników odzysku ciepła lub innych rekuperatorów cechujących się dużymi oporami po stronie powietrza wentylacyjnego niweczy zysk związany z oszczędnościami energetycznymi wynikającymi z zastosowania wysokosprawnego odzysku ciepła. Nie negując tego rodzaju odzysku ciepła (wymiennik płytowo-krzyżowy), trzeba zwrócić uwagę projektantom na konieczność  analizy nie tylko samej sprawności wymiennika odzysku ciepła, ale też jego wpływu na zużycie energii elektrycznej przez system klimatyzacyjny. Powyższe rozumowanie autora jest zgodne z przytoczonym rozporządzeniem [1]:

Urządzenia i elementy wentylacji mechanicznej i klimatyzacji powinny być stosowane w sposób umożliwiający uzyskanie zakładanej jakości środowiska w pomieszczeniu przy racjonalnym zużyciu energii do ogrzewania i chłodzenia oraz energii elektrycznej.

a także:

Moc właściwa wentylatorów stosowanych w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych powinna nie przekraczać wartości określonych w tabeli 1.

Dopuszcza się zwiększenie mocy właściwej wentylatora w przypadku zastosowania wybranych elementów instalacji do wartości określonej w tabeli 2.

Warto zachęcać projektantów do wykonywania kalkulacji tych wskaźników dla central klimatyzacyjnych wyposażonych w rekuperatory generujące wysokie opory po stronie powietrza. Według analiz przeprowadzonych przez autora dość często uzyskiwane wartości bywają na pograniczu wymaganych wartości albo ich nie spełniają.

Wartym polecenia rozwiązaniem jest na przykład zastosowanie pomp ciepła typu powietrze–powietrze, których opory po stronie parowacza i skraplacza stanowią ok. 10% spadków po stronie tradycyjnych wymienników odzysku ciepła.

Podsumowanie

Chciałbym zwrócić uwagę na dwa zasadnicze zagadnienia.

Pierwsze dotyczy zmian w obecnej charakterystyce budynków. Skupianie uwagi wszystkich zainteresowanych stron na zwiększeniu izolacyjności przegród budowlanych w celu ograniczenia strat ciepła przez przegrody w nowych budynkach z jednej strony powoduje rzeczywiste oszczędności w nakładach na ogrzewanie, ale z drugiej strony powoduje konieczność zwiększenia ilości powietrza wentylacyjnego, a to z kolei implikuje konieczność zastosowania większych urządzeń do uzdatniania powietrza (centrale, agregaty chłodnicze itp.), tj. takich, które cechują się większym zużyciem energii elektrycznej. Należy zaznaczyć, że zużycie energii chłodniczej lub elektrycznej przez system klimatyzacyjny stanowi jedno z istotnych źródeł kosztów eksploatacyjnych budynków.

Drugie zagadnienie to fakt, że istnieje konieczność, z powodu zwiększonych ilości świeżego powietrza wentylacyjnego, zastosowania metod ograniczających w pewnym stopniu zużycie energii elektrycznej, chłodniczej i cieplnej towarzyszące temu zjawisku. Jedną z takich metod jest zastosowanie odzysku ciepła w centralach wentylacyjno-klimatyzacyjnych. Jednak, co najważniejsze, nie należy koncentrować się wyłącznie na efektach wynikających z deklarowanych sprawności wymienników odzysku ciepła, ale zwracać uwagę również na wpływ zastosowania danego odzysku ciepła na system klimatyzacyjny (np. zwiększone zużycie energii elektrycznej wentylatora wynikające z dużych oporów rekuperatora po stronie powietrza).

mgr inż. Bartłomiej Adamski

członek PZITS O. Kraków

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r. Nr 75, poz. 690).

W ubiegłym roku Parlament Europejski przyjął zmiany w dyrektywie w sprawie charakterystyki energetycznej budynków, zgodnie z którymi już od 2021 r. na terenie Unii Europejskiej mają być wznoszone tylko budynki o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię, zasilane, choćby częściowo, z odnawialnych źródeł energii. Dzięki takim przepisom Europie ma być łatwiej pokonać kryzys energetyczny i klimatyczny oraz poprawić bezpieczeństwo energetyczne.