Rekuperacja powietrza w układach wentylacji

Z początkiem XX w. ludność zaczęła wykorzystywać coraz większe ilości energii. Wzrost ten praktycznie trwa nadal, powodując wyczerpanie źródeł naturalnych paliw kopalnianych. Zaczęto się zatem zastanawiać nad innymi sposobami pozyskiwania energii, w szczególności takimi, które w możliwie najmniejszym stopniu wpływają negatywnie na środowisko naturalne. Już w latach 20. ubiegłego wieku rozpoczęto badania nad wykorzystaniem alternatywnych źródeł energii, np. instalacja oparta na pompach ciepła wykorzystująca energię cieplną rzeki Limmat do ogrzewania budynku magistratu w Zurychu. Kolejne etapy rozwoju to wykorzystanie energii geotermalnej zarówno wysokiej, jak i niskiej entalpii, farmy wiatrowe i w ostatnich latach farmy ogniw fotowoltaicznych. Równolegle nastąpił znaczący postęp w dziedzinie izolacji budynków. Nowoczesne budownictwo jest skoncentrowane na doborze takich materiałów budowlanych, które ograniczają straty energetyczne budynku do minimum. Szczelne okna, ciepłe szyby z powłoką UV, nowoczesne materiały konstrukcyjne, grube warstwy ocieplenia i doskonale zaizolowane ściany, podłogi oraz dachy znacznie ograniczają zapotrzebowanie energetyczne budynku. Takie rozwiązania spowodowały, że główne straty energii cieplnej budynku wynikają z działania systemów wentylacji. W przypadku wentylacji grawitacyjnej straty energetyczne sięgają minimum 30%, a czasami nawet 60% ogólnych strat, w zależności od stopnia szczelności budynku. Ograniczenie napływu świeżego powietrza prowadzi do dramatycznego pogorszenia jakości powietrza wewnątrz pomieszczeń, koncentracji zanieczyszczeń i pary wodnej wydzielających się podczas procesu użytkowania pomieszczeń oraz obniżeniem zawartości tlenu. Powstało zapotrzebowanie na system wentylacji, który powodował by wymianę powietrza, zapewniającego komfort bytowy, a jednocześnie w maksymalnym stopniu oszczędzającego drogą energię cieplną. W budynkach przemysłowych, biurowych czy użyteczności publicznej konieczne jest zapewnienie określonej ilości wymienianego powietrza. W większości tych budynków jest to zapewnione przez stosowanie systemów wentylacyjnych. W starszych budynkach mieszkalnych zarówno wielo-, jak i jednorodzinnych dominują systemy wentylacji grawitacyjnej. Jednak w ostatnich latach coraz popularniejsze są systemy mechaniczne wspomagane wentylatorami. W takich przypadkach możliwe jest zastosowanie systemu nawiewno-wywiewnego z odzyskiem ciepła. Najtańszym sposobem odzyskiwania ciepła wentylacyjnego jest recyrkulacja powietrza wentylacyjnego, polegająca na wprowadzeniu usuwanego powietrza do instalacji nawiewnych. Rozwiązanie to może być jednak stosowane tylko w nielicznych przypadkach. Obecność w powietrzu wylotowym dymu papierosowego, zapachów kuchennych, bakterii oraz pyłów wyklucza możliwość stosowania recyrkulacji. Korzystniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie urządzeń, w których strumień powietrza usuwanego, oddający ciepło, nie styka się bezpośrednio z nawiewanym świeżym powietrzem – rekuperatorów.

Rys. 1 Schemat budowy typowego rekuperatora powietrza z przeciwprądowym wymiennikiem płytowym (WindMaker – Aspol FV)

Rekuperacja to potoczne określenie dla nawiewno-wywiewnej wentylacji mechanicznej z rekuperatorem – urządzeniem umożliwiającym odzyskiwanie (rekuperację) ciepła z powietrza wywiewanego z budynku lub instalacji przemysłowej. Podstawowym zadaniem rekuperacji jest wymuszony proces wymiany powietrza w pomieszczeniach – wentylacja – dodatkowo zapewniający wymianę ciepła między powietrzem wywiewanym a nawiewanym.

Rekuperator wyposażony jest w dwa wentylatory – jeden zasysa powietrze z zewnątrz i tłoczy je do pomieszczeń, drugi odpowiedzialny jest za wyciąganie powietrza z wewnątrz i „wypchnięcie” go na zewnątrz budynku. Schemat budowy typowego rekuperatora przedstawiono na rys. 1. Strumień świeżego powietrza przechodzi przez zestaw filtrów i trafia do wymiennika ciepła (o różnej konstrukcji – w zależności od producenta i typu rekuperatora). W wymienniku powietrze wlotowe zmienia swoją temperaturę i zostaje wprowadzone do pomieszczeń. Drugi z wentylatorów wyciąga powietrze z pomieszczeń, tłoczy przez wymiennik ciepła i wyrzuca na zewnątrz. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem, optymalnym ze względu na temperaturę i wilgotność usuwanego powietrza, jest umieszczenie kanałów wywiewnych w łazience i kuchni, natomiast nawiewnych w pomieszczeniach dziennych i sypialniach. Większość dostępnych na rynku rekuperatorów posiada możliwość pracy z pominięciem wewnętrznego wymiennika ciepła, tzw. by-pass.

W zależności od pory roku rekuperator zmienia swoją funkcję i sposób działania. Najczęściej w okresach przejściowych (wiosna i jesień), kiedy temperatura w pomieszczeniach jest zbliżona do temperatury otoczenia, powietrze w rekuperatorze poddawane jest tylko procesowi oczyszczania i ewentualnie osuszania/nawilżania i kierowane do instalacji by-passem, z pominięciem wymiennika ciepła. W okresie zimowym ciepłe powietrze wyprowadzane z pomieszczeń oddaje ciepło w wymienniku i ogrzewa zimne, świeże powietrze wprowadzane z czerpni. Latem zmieniony jest kierunek przepływu ciepła i powietrze wlotowe jest ochładzane kosztem dodatkowego podgrzania powietrza wylotowego. Wszechstronność urządzenia powoduje, że producenci rekuperatorów wyposażają je w rozbudowany mikroprocesorowy system sterowania urządzeniem zapewniającym wygodę użytkowania oraz optymalizację przepływu strumieni powietrza.

Podstawowy podział rekuperatorów wynika z konstrukcji zainstalowanego w nim wymiennika ciepła. Najczęściej w instalacjach wentylacyjnych do odzyskiwania ciepła stosuje się następujące rekuperatory:
– z czynnikiem pośrednim (glikol albo freon),

– z ruchomym wypełnieniem (wymienniki obrotowe),

– z przeponowymi wymiennikami ciepła powietrze-powietrze.

Rekuperatory wykorzystujące czynnik pośredni są konstrukcjami najbardziej złożonymi a jednocześnie dającymi najszersze możliwości stosowania. Strumienie powietrza są całkowicie oddzielone od siebie. W wymianie ciepła bierze udział czynnik pośredni umieszczony w układzie wymienników ciepła opływanych przez te strumienie. W okresie grzewczym jeden z wymienników odbiera ciepło ze strumienia wywiewanego powietrza, a drugi służy do ogrzewania powietrza wlotowego. Latem następuje odwrócenie obiegu czynnika chłodzącego i zmiana kierunku przepływu ciepła. W układach takich wykorzystywane są dwa podstawowe rozwiązania. Pierwszym z nich, prostszym, jest układ z tzw. rurką ciepła. Jest to ożebrowana rurka, wypełniona niskowrzącym czynnikiem chłodniczym. Jedna część znajduje się w kanale nawiewnym, druga w wywiewnym. Ograniczeniem stosowania tego rozwiązania jest konieczność umiejscowienia kanału nawiewnego nad kanałem wywiewnym, jeśli rurka pracuje w układzie grawitacyjnym bez dodatkowej sprężarki/ pompy czynnika chłodzącego. Zmiana kierunku przepływu ciepła wymaga zmiany ról między kanałami wylotowym i wlotowym. Drugie rozwiązanie, bardziej skomplikowane technicznie, wykorzystuje pompę ciepła wbudowaną w układ obiegowy czynnika pośredniego. Wymiennik ciepła umieszczony w strumieniu powietrza wylotowego pełni funkcję dolnego źródła pompy ciepła (ciepła lub chłodu), a wymiennik w strumieniu powietrza wlotowego to górne źródło pompy ciepła. W obiegu krąży czynnik chłodniczy. Rozwiązanie takie umożliwia całkowicie rozdzielić od siebie kanały wlotowe i wylotowe, odległości między nimi dochodzą nawet do kilkudziesięciu metrów, a usytuowanie głównych przewodów nawiewnych i wywiewnych jest praktycznie dowolne. Układy takie znajdują zastosowanie tam, gdzie jest potrzeba zarówno ogrzewania, jak i chłodzenia pomieszczeń (przeważnie duże obiekty). Wykorzystanie podstawowych zasad termodynamiki pozwala na ogrzanie (ochłodzenie) powietrza wlotowego do temperatury wyższej (niższej) niż temperatura strumienia wylotowego. Nadmiar energii cieplnej może być skierowany do przygotowania c.w.u. lub do układów grzewczych opartych na pompach ciepła z dolnym źródłem w postaci gruntowego cieczowego wymiennika ciepła. W takim przypadku istnieje możliwość magazynowania ciepła w górotworze.

Rys. 2 Schemat działania z przeciwprądowego wymiennika płytowego w okresie zimowym

Rekuperatory z ruchomym wypełnieniem (obrotowe) składają się z wirnika z wypełnieniem akumulacyjnym napędzanym silnikiem elektrycznym oraz ze śluzy i obudowy. Proces przekazywania ciepła odbywa się okresowo dzięki ruchowi obrotowemu wirnika wymiennika. Najpierw do komory wprowadzane jest ciepłe powietrze, które nagrzewa wypełnienie. Następnie zostaje otwarty zawór doprowadzający świeże powietrze z czerpni. Po ogrzaniu, od warstwy wypełnienia, powietrze trafia do systemu nawiewnego. Podczas ochładzania powietrza para wodna zawarta w powietrzu ulega wykropleniu i pozostaje w warstwie wypełnienia. Świeże, ogrzewane powietrze ulega nawilżeniu ze względu na wzrost temperatury punktu rosy. Urządzenia te mają wiele zalet, są jednak niechętnie instalowane ze względu na obecność dodatkowych ruchomych elementów mogących wpłynąć na niezawodność pracy oraz konieczność stosowania dodatkowych silników elektrycznych (o znacznych mocach) do obracania wirnika z wypełnieniem akumulacyjnym. Dodatkowo obserwowane są niepożądane wypływy powietrza przez nieszczelności występujące między ruchomym wypełnieniem a nieruchomą obudową.

Rekuperatory wyposażone w przeponowe wymienniki ciepła stanowią najliczniejszą grupę stosowanych obecnie urządzeń. Posiadają nieco mniejsze wydajności wymiany ciepła niż wyżej opisane, jednak są najchętniej stosowane (szczególnie w budownictwie jednorodzinnym) ze względu na prostą konstrukcję i relatywnie niską cenę. Brak ruchomych części oraz czynnika pośredniego upraszcza eksploatację i w sposób istotny obniża jej koszty. Ruch ciepła w wymienniku wywołany jest różnicą temperatur między strumieniem powietrza wylotowego i wlotowego. Całkowita ilość wymienionego ciepła zależy wprost proporcjonalnie od różnicy temperatur pomiędzy strumieniami, od powierzchni wymiany oraz od współczynnika wnikania ciepła w strumieniach przepływającego powietrza. Współczynnik ten jest tym większy, im większa jest prędkość powietrza w kanałach. Jednak wzrost prędkości powoduje wzrost oporów przepływu – wzrost nakładów eksploatacyjnych na energię elektryczną konieczną do tłoczenia powietrza. Najczęściej w wymiennikach tego typu stosuje się przepływ powietrza w zakresie przepływów przejściowych (wartości liczby kryterialnej Reynoldsa 2000o (najczęściej 90^o).

Najprostszym przykładem takiego wymiennika jest wymiennik rura w rurze. Jeden strumień powietrza przepływa rurą środkową, a drugi pierścieniem zewnętrznym. Jednak takie rozwiązanie jest mało efektywne, posiada bardzo małą powierzchnię wymiany ciepła, a jej zwiększenie powoduje znaczący wzrost gabarytów instalacji. Modyfikacją takiego wymiennika są wymienniki spiralne powstałe przez nawijanie arkuszy blachy z zachowaniem między nimi stałej odległości, przez co powstaje zwarta konstrukcja w kształcie walca. Rozwiązania takie mogą być stosowane w przypadku niewielkich strumieni powietrza wentylacyjnego, ze względu na małe przekroje poprzeczne kanałów. Znacznie korzystniejszym rozwiązaniem są wymienniki płytowe zbudowane z płaskich płyt, między którymi na przemian poprowadzone są kanały powietrza wlotowego i wylotowego. Obecnie wśród rekuperatorów płytowych najczęściej stosowane są wymienniki o przepływie przeciwprądowym lub krzyżowym w kształcie prostopadłościanu, a często nawet sześcianu o niewielkich gabarytach. Powierzchnia wymiany ciepła w takich wymiennikach jest bardzo dobrze rozwinięta. W zależności od nominalnego przepływu powietrza i konstrukcji wymiennika wynosi od 20 m² dla wymienników rekuperatorów o wydajności 500 m³/h do nawet 100 m² dla urządzeń o wydajności 1000 m³/h. Schemat przeciwprądowego wymiennika płytowego przedstawiono na rys. 2.

Jak wspomniano, zmiany temperatury powietrza powodują przesunięcie punktu rosy – maksymalnej zawartości wilgoci w powietrzu. W ochładzanym strumieniu powietrza (wylotowy – zimą, i wlotowy – latem) następuje wykroplenie wilgoci. W związku z tym rekuperatory wyposażane są w instalacje odbierania skroplin i w trakcie montażu muszą być przewidziane zewnętrzne instalacje do dalszego odprowadzenia wody. Kondensat powinien być odprowadzany do kanalizacji. Zjawisko wykraplania wilgoci jest szczególnie niebezpieczne w okresie zimowym. Ochłodzony strumień powietrza wylotowego zawierający duże ilości skroplin styka się ze strumieniem zimnego powietrza wlotowego (często o temperaturach poniżej 0^oC). Może to spowodować zamarzanie skroplin i w rezultacie zmniejszenie przekroju przepływu powietrza (wzrost oporów przepływu aż do całkowitego zablokowania kanałów). Aby temu zapobiec, na wymienniku rekuperatora stosuje się układ rozmrożeniowy. Podczas silnych mrozów powietrze zewnętrzne omija rekuperator (który jest praktycznie wyłączony z pracy) lub czasowo wyłączany jest wentylator doprowadzający zewnętrzne powietrze do systemu.

Obecnie często spotykanym rozwiązaniem jest połączenie systemu rekuperacji powietrza z gruntowym powietrznym wymiennikiem ciepła (GPWC) zamontowanym w układzie czerpni powietrza wlotowego (spotyka się także określenie „gruntowa/podziemna czerpnia powietrza”). Gruntowy powietrzny wymiennik ciepła jest urządzeniem służącym do wspomagania wentylacji i klimatyzacji budynków, zwiększającym ich komfort cieplny przez ujednolicenie temperatury dostarczanego do budynku powietrza. Wykorzystuje się dużą pojemność cieplną gruntu, dzięki której można zmniejszyć wahania temperatury powietrza dostarczanego do budynku – w stosunku do pobieranego bezpośrednio z atmosfery. Instalacja jest wykorzystywana do wstępnego ogrzewania (w zimie) lub chłodzenia (w lecie) powietrza wprowadzanego do budynków. Najczęściej jest to system połączony z wentylacją mechaniczną budynku i rekuperatorem, powietrznym systemem grzewczym (np. pompą ciepła), ewentualnie z wentylacją grawitacyjną wspomaganą kominem słonecznym. Ogólny schemat pracy GPWC przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3 Schemat działania z instalacji wywiewno/nawiewnej rekuperatora połączonej z gruntowym powietrznym wymiennikiem ciepła: a) okres ogrzewania budynku (zima), b) okres schładzania budynku

Gruntowe powietrzne wymienniki ciepła, w zależności od sposobu wymiany ciepła, można podzielić na przeponowe oraz bezprzeponowe. Przeponowe to takie, w których istnieje warstwa oddzielająca (przepona) media, między którymi następuje wymiana ciepła (wymienniki rurowe). W zależności od wielkości terenu, jaki jest do zagospodarowania, zagłębienia oraz warunków cieplnych gruntu, wymienniki rurowe układać można w postaci jednego długiego rurociągu, rurociągu z kolanami (wymiennik prostokątny) lub w układach rozdzielonych (np. układ Tichelmanna). W wymiennikach bezprzeponowych przepływające powietrze ma bezpośredni kontakt z odpowiednio przygotowaną warstwą gruntu (wymienniki żwirowe, płytowe i grzebieniowe). Zastosowanie GPWC w układach z rekuperatorami ogranicza zjawisko zamarzania skroplin, a w połączeniu z by-passami zwiększa efektywność działania instalacji wentylacyjnej w okresach przejściowych. Dodatkowo zastosowanie wymienników bezprzeponowych reguluje wilgotność świeżego powietrza wprowadzanego do układu wentylacyjnego. Wadą GPWC jest znaczny wzrost oporów przepływu powietrza w kanałach dolotowych. Połączenie równoległe GPWC i wymiennika ciepła rekuperatora może spowodować przesunięcie punktu pracy wentylatora w kierunku mniejszych wydajności tłoczenia aż do całkowitego zatrzymania strumienia powietrza. Wymaga to zainstalowania w rekuperatorze większych wentylatorów w strumieniu nawiewanego powietrza lub zainstalowania dodatkowego wentylatora w układzie gruntowej czerpni powietrza.

Podsumowując, systemy wentylacji wyposażone w rekuperatory zapewniają: filtrację powietrza, skuteczne usuwanie przykrych zapachów, likwidację nadmiernej ilości pary wodnej z pomieszczeń, stały dopływ świeżego powietrza oraz znaczną oszczędność w kosztach ogrzewania. Rozważając zakup systemu wentylacji z rekuperatorami, należy zwrócić uwagę na wydajności urządzenia oraz zakres możliwości jego zastosowania – połączenia z innymi urządzeniami, np. wytwarzanie c.w.u., lub systemem ogrzewania budynku za pomocą pompy ciepła z wymiennikami gruntowymi – regeneracja energii górotworu. W przypadku domów jednorodzinnych ze względu na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, optymalne wydaje się zastosowanie urządzenia z płytowymi wymiennikami przeciwprądowymi lub krzyżowymi. Zastosowanie rekuperacji wymaga wykonania instalacji nawiewno-wywiewnej. Zastosowanie odzysku ciepła wentylacyjnego w obiektach o dużych kubaturach wymaga nie tylko dość kosztownej inwestycji w urządzenia, ale odpowiednich prac już na etapie projektowania i wykonania budynku.

Zaznaczyć należy, że efektywność stosowania wszystkich typów rekuperatorów ograniczona jest nieodwracalnością procesów wymiany ciepła i oporami przepływu strumieni powietrza nawiewanego oraz usuwanego z pomieszczeń. Sprawność rekuperatorów z przeponowymi wymiennikami ciepła jest obniżona, gdyż wymiana ciepła odbywa się na skutek różnic temperatury między powietrzem nawiewanym a usuwanym z pomieszczeń. Uzyskanie większej sprawności procesu wymiany ciepła wymaga stosowania większej powierzchni wymiany ciepła, a to prowadzi do zwiększenia oporów przepływu i podnosi koszty eksploatacji urządzenia. Zastosowanie rekuperatorów opartych na technologii pompy ciepła jest rozwiązaniem zapewniającym większą wszechstronność instalacji, jednocześnie jednak znacznie droższym zarówno na etapie inwestycji, jak i w późniejszej eksploatacji.

dr inż. Piotr Owczarz

Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska

Politechnika Łódzka