Ciepło dostarczane przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne

Rosnące ceny paliw i energii oraz regulacje prawne wprowadzane w Unii Europejskiej powodują ze oszczędzanie energii staje się jednym z priorytetów, zarówno w przemyśle, jak i gospodarstwach domowych. Z jednej strony promuje się odnawialne źródła energii, takie jak pompy ciepła czy panele fotowoltaiczne, z drugiej wymusza budownictwo energooszczędne, w tym domy pasywne. Istnieją jednak sposoby zmniejszania zużycia energii w budynkach, poprzez wykorzystanie ciepła z systemów wentylacji oraz klimatyzacji.

Technologie odzysku ciepła z systemów wentylacji i klimatyzacji

Obowiązek stosowania rozwiązań energooszczędnych w budownictwie narzucony jest zarówno Dyrektywami UE, jak i rozporządzeniami Ministra Infrastruktury. Technologie odzysku ciepła z systemów HVAC możemy podzielić na 2 grupy:

• Z bezpośrednim przekazywaniem ciepła – bez czynnika (medium) pośredniczącego, np. powietrze wywiewane – powietrze nawiewane
• Z czynnikiem (medium) pośredniczącym, np. powietrze wywiewane – nośnik ciepła (np. glikol) – powietrze nawiewane

W praktyce stosowane były i są następujące rozwiązania odzysku ciepła:

Recyrkulacja. To najstarsza, najprostsza i najtańsza technologia bezpośredniego odzysku ciepła z systemów wentylacji. Polega na mieszaniu w specjalnej komorze części powietrza wywiewanego z budynku ze świeżym powietrzem nawiewanym z zewnątrz. Procentowa zawartość powietrza usuwanego w nawiewanym regulowana jest za pomocą przepustnicy. Oczywistą wadę takiego rozwiązania stanowi przedostawanie się - pomimo filtrowania powietrza - zanieczyszczeń, dwutlenku węgla, bakterii oraz niemiłych zapachów ponownie do budynku. Dlatego już dawno przepisy ograniczyły możliwość stosowania recyrkulacji tylko dla określonych pomieszczeń.

Rekuperacja. To proces wymiany ciepła przebiegający przy braku kontaktu powietrza nawiewanego i usuwanego z tą samą powierzchnią wymiennika. Oddawanie ciepła odbywa się poprzez przeponę pośredniczącą. Do rekuperatorów można zaliczyć: wymienniki płytowe, wymienniki rurowe, urządzenia z czynnikiem pośredniczącym: systemy wodne, glikolowe, olejowe, rurki ciepła oraz sprężarkowe pompy ciepła z bezpośrednim odparowaniem. Rekuperacja to obecnie najpopularniejsza w Polsce technologia odzysku ciepła z systemów wentylacji. Nowoczesne domy jednorodzinne, zwłaszcza domy pasywne, cechuje duża szczelność przegród zewnętrznych oraz okien i drzwi. Wymóg ograniczenia zużycia energii dla celów ogrzewania budynku pasywnego do 15 kWh/m² rocznie wyklucza zastosowanie tradycyjnej wentylacji grawitacyjnej. Dlatego też do dostarczania mieszkańcom niezbędnej ilości świeżego powietrza stosuje się systemy wentylacji mechanicznej, w których przepływ powietrza wymuszany jest przez wentylatory. Ponieważ w chłodniejszych porach roku temperatura powietrza wywiewanego z pomieszczeń jest wyższa od tej nawiewanego z zewnątrz, opracowano systemy rekuperacji, pozwalające wykorzystać ciepło z powietrza wywiewanego do ogrzania nawiewanego, bez mieszania się obydwu strumieni, co eliminuje wady recyrkulacji. W centrali takiego systemu znajdują się wymienniki ciepła, które umożliwiają oddawanie energii cieplnej z powietrza wywiewanego do nawiewanego, bez kontaktu ich ze sobą. Pozwala znacząco zaoszczędzić koszty eksploatacyjne systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.

Istnieje kilka rozwiązań wymienników ciepła, stosowanych w centralach rekuperacji:

• Krzyżowe. Zbudowane z płytek ze szczelinami, przez które przepływają prostopadle do siebie (stąd nazwa tego wymiennika) oba strumienie powietrza, zaś ciepło oddawane jest przez ścianki. Wymienniki krzyżowe są proste i tanie, jednak posiadają niewielka sprawność (50%-70%) i duże wymiary oraz możliwość przenikania powietrza wywiewanego do nawiewanego, ponadto wykazują małą odporność na temperatury oraz podatność na oszronienie przy niewielkich mrozach (-5°C).
• Obrotowe. Wymiennik tego typu to napędzany silnikiem elektrycznym obracający się walec, wypełniony wewnątrz na przemian płaską i falistą taśmą aluminiową, tworzącą kanały przepływu powietrza. Gdy walec obraca się, przez wnętrze wymiennika przechodzi najpierw powietrze wywiewane z pomieszczeń, a następnie nawiewane do pomieszczeń. Wymienniki obrotowe mają wyższa sprawność od krzyżowych (70%-85%) i mogą odzyskiwać również wilgoć, są całkowicie odporne na szron, jednak droższe i mają tendencję do rozszczelniania.
• Przeciwprądowe. To nowoczesne konstrukcje, zbudowane podobnie do krzyżowych, jednak bardziej skomplikowane, zaś strumienie powietrza płyną tu równolegle do siebie. Uzyskują wysoką sprawność (do 95%), jednak jest to okupione wysoka ceną.
• Entalpiczne. Zbudowane podobnie do przeciwprądowych, jednak mogą dodatkowo odzyskiwać wilgoć z powietrza wywiewanego.

Regeneracja. To proces wymiany ciepła, w którym strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego naprzemiennie opływają tę samą powierzchnię wymiennika. Regeneracja umożliwia nie tylko wymianę ciepła, ale również masy, czyli odzysk wilgoci. Do wymienników regeneracyjnych możemy zaliczyć wymienniki obrotowe i złoża akumulacyjne.

Korzyści z odzysku ciepła z systemów wentylacji z rekuperacją

Czas zwrotu z inwestycji w system wentylacji mechanicznej z rekuperacją to temat bardzo często dyskutowany przez właścicieli domów jednorodzinnych oraz osoby zamierzające taki wybudować. Jednak trzeba wiedzieć, że tego typu systemy dobierane są indywidualnie dla każdego budynku, głownie w oparciu o jego powierzchnię oraz specyfikę konstrukcji. W przybliżeniu można powiedzieć, że system wentylacji mechanicznej z rekuperacją może odzyskać nawet 90% ciepła, które w innym przypadku byłoby utracone. Przekłada się to na zmniejszenie energii potrzebnej do ogrzania budynku nawet o 25%, co spowoduje zwrot kosztów inwestycji w ciągu pięciu lat. Musimy jednak pamiętać, że na rynku oferowane są różne rodzaje central rekuperacji, w zależności od rodzaju zastosowanego wymiennika ciepła oraz parametrów technicznych i funkcji (np. bypass czyli pomijanie wymiennika ciepła latem). Jednak specjaliści z branży uważają, że do wartości sprawności odzysku ciepła, podawanych w katalogach czy na stronach internetowych, powinniśmy podchodzić raczej ostrożnie. Parametr ten wyznaczany jest w warunkach laboratoryjnych, które jednak mogą znacznie różnić się od rzeczywistych w danym domu po zainstalowaniu systemu (może między innymi nie zostać uwzględniona energia elektryczna zużyta na odszranianie wymiennika ciepła). Rekuperator, którego sprawność jest mniejsza o kilka % od produktu konkurencyjnej firmy, wcale nie musi być od niego gorszy. Ponadto porównanie etykiet energetycznych na centralach rekuperacji nie zapewni pełnego porównania kilku produktów, ponieważ procedura wyznaczania klas jest skomplikowana. Ponadto, pod względem klas energetycznych Europa została podzielona na 3 strefy klimatyczne, zaś Polskę zaliczono do strefy klimatu chłodnego. Natomiast producent centrali rekuperacji musi podać parametry swojego wyrobu tylko dla klimatu umiarkowanego.

Odzysk ciepła z systemów klimatyzacji

Ciepło może być odzyskane nie tylko z systemów wentylacji mechanicznej (rekuperacja), ale także chłodniczych oraz klimatyzacji. W budynkach wielkopowierzchniowych, takich jak biura, hotele, restauracje, stosuje się systemy klimatyzacyjne VRF (ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego) z funkcją odzysku ciepła. Przykładem może być system 2-rurowy (2R) jednego z czołowych producentów w branży HVAC. W jego skład wchodzi hybrydowy kontroler BC (HBC) zawierający płytowy wymiennik ciepła, w którym zachodzi wymiana energii między czynnikiem chłodniczym a wodą lodową, płynącą do klimakonwektorów w pomieszczeniach. Połączony jest on rurami, w których płynie czynnik chłodniczy, z jednostką zewnętrzną. Ciepło odbierane z chłodzonych pomieszczeń nie jest odprowadzane na zewnątrz budynku, tylko wykorzystane do ogrzewania pomieszczeń i wody użytkowej. Wg producenta taki system może obniżyć koszty zużytej energii nawet o 50% Bardzo ważną rolę pełni odzysk ciepła z serwerowni oraz centrów przetwarzania danych. Liczba tych obiektów ciągle wzrasta, ponieważ współczesny świat w dużej mierze opiera się na technologii informatycznej (elektrownie, zakłady wodno kanalizacyjne, przemysł, e-handel, banki, telewizja, filmy, muzyka czy media społecznościowe). Serwerownie muszą być klimatyzowane i generują wielkie ilości ciepła odpadowego, które może być odbierane przez pompy ciepła i wykorzystane do ogrzewania budynku oraz produkcji ciepłej wody użytkowej. Wielkie centra danych mogą nawet współpracować z lokalnymi sieciami ciepłowniczymi.

Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki

Opracowanie redakcja : (T.H.)

Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.klimatyzacja.pl