Sprawność rekuperacji (odzysku ciepła) w wentylacji mechanicznej

Rekuperacja to odzysk ciepła w wentylacji mechanicznej. Montując wymiennik ciepła w centrali wentylacyjnej odzyskuje się sporą część energii niesionej przez powietrze wentylacyjne. Posiadając w domu wentylację grawitacyjną, przez nieszczelności w oknach lub nawiewniki wpuszczane zostaje zimne powietrze, a ciepłe i wilgotne powietrze ucieka przez kanały wentylacyjne w łazience i kuchni. Aby zmniejszyć te straty ciepła, należy stosować wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła — bo ograniczenie intensywności wymiany powietrza jest przyczyną porastania ścian grzybem.

Sprawność rekuperatora

Rekuperator, czyli wymiennik ciepła montowany w centrali wentylacyjnej, pozwala odzyskać jedynie część ciepła uciekającego z ogrzanym, zużytym powietrzem. Producenci jednak bardzo chętnie podają jego sprawność, a często sięga ona ponad 90%. Z czego to wynika?

Najczęściej podawana jest temperaturowa sprawność rekuperatora, która jest pewnym uproszczeniem.

Przykład:
Wymiennik ciepła pobiera powietrze z zewnątrz o temperaturze 0°C, gdy z domu wyrzucane jest powietrze o temperaturze 20°C. Po przejściu przez wymiennik, świeże powietrze ogrzewane jest do temperatury 18°C, a zużyte — schładzane do 2°C. Jaką sprawność ma ten rekuperator?

Temperaturowa sprawność odzysku ciepła odnoszona jest do takich warunków, w których całkowicie schłodzimy powietrze zużyte, odbierając od niego całość ciepła. Oznaczałoby to, że powietrze zużyte ma po wyjściu z wymiennika temperaturę 0°C. Tymczasem faktycznie odzyskiwane jest tyle ciepła, ile potrzeba do ogrzania świeżego powietrza do temperatury, jaką ma ono na wyjściu z rekuperatora. Czyli na przykładzie:

sprawność = (ogrzanie powietrza świeżego) / (maksymalna ilość energii do odzyskania z powietrza wywiewanego)
η = (18 – 0) / (20 – 0) = 90%.

Jest to duże uproszczenie.

Wilgoć i wentylacja

W dużym skrócie:

• w domu znajduje się mnóstwo generatorów wilgoci, takich jak pranie, czajnik, kwiaty, czy wreszcie my sami,
• wilgoć usuwana jest pod postacią pary wodnej za pomocą wentylacji,
• z zewnątrz domy czerpią powietrze zimniejsze, o mniejszej zawartości wilgoci.

W rekuperatorze następuje odzysk ciepła również poprzez skraplanie pary wodnej znajdującej się w zużytym powietrzu. Niestety, w zwykłym rekuperatorze (pomijając tzw. wymienniki entalpiczne) nie mamy do czynienia z wymianą wilgoci i para wodna po skropleniu trafia do kanalizacji.

Rozszerzmy powyższy przykład o dane dotyczące wilgotności pomieszczeń: powietrze w domu ma wilgotność 50%, a powietrze na zewnątrz — 80%. To oczywiście nie oznacza, że w powietrzu na zewnątrz jest więcej pary wodnej, niż w powietrzu domowym. Te wilgotności to tzw. wilgotności względne, odnoszące się do maksymalnej ilości wilgoci, którą może przyjąć powietrze w danej temperaturze. A ta zmienia się wraz z temperaturą powietrza.
Powietrze w domu, mając wilgotność względną 50%, mieści w sobie ok. 8,7 g pary wodnej w 1 m³ powietrza. Tymczasem powietrze z zewnątrz ma wilgotność względną 80%, ale to oznacza tylko ok. 3,6 g pary wodnej w 1 m³ powietrza. Czyli z każdym 1 m³ powietrza wywiewanego z domu usuwamy z niego ok. 5,1 g wody (wilgoci).
Każdy gram pary wodnej to spora ilość energii. Entalpia (czyli ilość energii niesiona w strumieniu powietrza) powietrza wilgotnego, które usuwane jest z domu wynosi 46,2 kJ/m³. Schłodzając to powietrze do 0°C, entalpia wyniosłaby 11,3 kJ/m³. Oznacza to, że maksymalnie do dyspozycji jest 34,9 kJ/m³ w strumieniu powietrza wywiewanego.

Wilgoć a odzysk ciepła i sprawność rekuperacji
Aby policzyć, ile energii uda się odzyskać, należy jeszcze wziąć pod uwagę parametry świeżego powietrza podgrzanego w wymienniku (rekuperatorze). Ilość wilgoci w tym powietrzu (w gramach/m³) się nie zmieni, ale przy temperaturze 18°C da ona wilgotność względną ok. 24%. Entalpia tego powietrza po podgrzaniu to 30,8 kJ/m³. Entalpia powietrza czerpanego z zewnątrz wynosi 9 kJ/m³.

Czyli do dyspozycji jest 34,9 kJ/m³ a odzyskiwane tylko (30,8-9) = 21,8 kJ/m³ energii. Oznacza to, że rzeczywista sprawność danego wymiennika ciepła wynosi:

η = 21,8 – 34,9 = 62,5%.
 

Opracowanie redakcja na podstawie materiałów pobranych ze strony www.ogrzewanie.drewnozamiastbenzyny.pl, prowadzonej przez mgr inż. Krzysztofa Lisa.
Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji