Recyrkulacja w klimatyzacji i wentylacji pomieszczeń

Recyrkulacja w klimatyzacji i wentylacji pomieszczeń

Krzysztof Kaiser

Recyrkulacja jest najprostszą metodą odzysku ciepła w centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, zaś sam proces mieszania strumieni jest znany od bardzo dawna i wcześniej mieszanie strumieni było bardzo chętnie stosowane w celu zmniejszenia zużycia energii koniecznej do zapewnienia właściwego przebiegu obróbki cieplno – wilgotnościowej powietrza wentylacyjnego. Proces mieszania polega najczęściej na mieszaniu dwóch strumieni w komorze mieszania, najczęściej o różnych stanach termodynamicznych, a mianowicie np. powietrza zewnętrznego z powietrzem recyrkulacyjnym (wywiewanym) – rys.1. W zależności od aktualnej potrzeby proporcja ta może być stała lub ulegać zmianom w czasie. W wyniku tego zmieszania strumieni powietrza powstaje mieszanina o wypadkowych parametrach cieplno – wilgotnościowych. Podczas mieszania powietrza parametry powietrza zmieszanego zależą od:

• parametrów powietrza zewnętrznego,
• parametrów powietrza wywiewanego,
• stosunku zmieszania.

a)

b)

Mieszanie dwóch strumieni przedstawiono na rys. 3. Graficznie punkt charakteryzujący powietrze zmieszane M znajduje się na prostej łączącej punkty „1” i „2”.

Stan mieszaniny można wyznaczyć bezpośrednio na wykresie i – x stosując prawo dźwigni w odniesieniu do dwóch strumieni powietrza tworzących mieszaninę: punkt mieszaniny M leży na prostej łączącej dwa punkty odpowiadające parametrom początkowym strumieni powietrza i dzieli odcinek łączący te punkty w stosunku odwrotnym do mas mieszającego się powietrza. 

Prawo dźwigni opisane jest zależnością:

(1.1)
gdzie:

W pewnych przypadkach może okazać się, np. że punkt powstałej mieszaniny może znaleźć się poza obszarem powyżej linii nasycenia, a więc w obszarze mgły (punkt M’). W takich sytuacjach prawo dźwigni jest również słuszne.

Punkt mieszania strumieni powietrza na wykresie Molliera znajduje się na prostej mieszania, gdy prostą podzielimy w proporcji odwrotnej do udziału strumieni składowych.

Cyfry na wykresie (rys. 3) odpowiadają wartościom i oraz x mieszających się strumieni. Na linii łączącej te dwa punkty umiejscowiony jest trzeci punkt, powstały w wyniku zmieszania się tych strumieni powietrza. Punkt ten położony jest w miejscu o nowej wartości x, która powstaje z sumy iloczynu mas powietrza i zawartości wilgoci podzielonej przez sumę mas powietrza.

Parametry powstałej mieszaniny można także wyznaczyć analitycznie na podstawie bilansu wilgoci i bilansu cieplnego.

Podczas wykonywania obliczeń cieplno – wilgotnościowych należy pamiętać, że powietrze wilgotne jest jednorodną mieszaniną powietrza suchego oraz zawartej w nim wody, która może znajdować się w stanie gazowym, ciekłym lub stałym.

Mieszanie dwóch strumieni powietrza wilgotnego wyraża się równaniem zgodnym z zasadą zachowania masy. Biorąc pod uwagę, że:

masa mieszaniny powietrza suchego:

oraz uwzględniając zawartość wilgoci:

na podstawie jej bilansu otrzymuje się:

lub inaczej:

Analogicznie, stosując zasadę zachowania energii, na podstawie bilansu cieplnego, otrzymuje się:

Znając zawartość wilgoci i entalpię właściwą można wyznaczyć temperaturę mieszaniny.

Aby wyznaczyć parametry powietrza zmieszanego (M), mając znane parametry powietrza zewnętrznego (punkt 1 na rys. 3) oraz wywiewanego z pomieszczenia (punkt 2 na rys.3), często korzysta się również z następujących zależności:

gdzie:

n – udział powietrza świeżego (1) na wlocie do komory [%], odcinek od punktu 2 do punktu M (100% stanowi odcinek od punktu 1 do punktu 2), zaś 100% - n to udział powietrza recyrkulacyjnego,

t1– temperatura powietrza zewnętrznego (świeżym) wprowadzanego do komory mieszania [oC],

x₁– zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym (świeżym) wprowadzanym do komory mieszania [kg/kg],

t2– temperatura powietrza wywiewanego z pomieszczenia (wprowadzanym do komory mieszania z pomieszczenia [oC],

x₂– zawartość wilgoci w powietrzu wywiewanym z pomieszczenia (wprowadzanym do komory mieszania z pomieszczenia) [kg/kg]

Jak osiągnąć wymagany stosunek zmieszania powietrza?

    Wymagany stosunek zmieszania powietrza otrzymywany jest zazwyczaj poprzez zastosowanie przepustnic regulujących intensywność dopływu do komory zmieszania każdego strumienia powietrza. W komorach mieszających, oprócz podstawowego zadania, a mianowicie zmiany proporcji zmieszania powietrza zewnętrznego i recyrkulacyjnego, przepustnice wspomagają proces zmieszania strumieni powietrza. W związku z powyższym, bardzo często stosuje się doprowadzanie pod kątem 90o strumieni powietrza do komory mieszania oraz przepustnice o łopatkach współbieżnych kierujących strumienie naprzeciw siebie. Ze względów ekonomicznych nie jest wskazana duża strata ciśnienia na przepustnicach.

Jak może być realizowane odzyskiwanie ciepła?

    Odzyskiwanie ciepła czyli wykorzystanie ciepła zawartego w powietrzu wywiewanym do wstępnego przygotowania powietrza nawiewanego, może być realizowane poprzez stosowanie mieszania strumieni, z których jeden stanowi powietrze recyrkulacyjne, a więc częściowo zawracane powietrze wywiewane z pomieszczenia. Stosowanie recyrkulacji powietrza jest szczególnie uzasadnione w przypadkach, gdy powietrze usuwane z pomieszczenia jest mniej zanieczyszczone od powietrza zewnętrznego. Należy jednak pamiętać, że mieszanie strumieni powietrza z udziałem powietrza recyrkulacyjnego ma również pewne ograniczenia. Ograniczenia takie stanowią wymagania dotyczące zapewnienia bezpieczeństwa przeciwwybuchowego i przeciwpożarowego oraz wymagania higieniczno – zdrowotne. Wszędzie tam, gdzie stosowanie recyrkulacji zwiększałoby w pomieszczeniu wzrost stężenia gazów i substancji toksycznych, trujących, chorobotwórczych, palnych, wybuchowych itd. - nie jest możliwe stosowanie recyrkulacji powietrza. Niekorzystne jest stosowanie recyrkulacji w przypadkach, gdy w pomieszczeniach emitowane są nieprzyjemne zapachy.

W Polsce w zakresie recyrkulacji obowiązują m. in. następujące zapisy:

Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2002, Nr 75, poz.690 z późn. zmianami) [4]

§ 150.1. W instalacjach wentylacji mechanicznej ogólnej nawiewno-wywiewnej lub klimatyzacji komfortowej o wydajności 500 m3/h i więcej należy stosować urządzenia do odzyskiwania ciepła z powietrza wywiewanego o sprawności temperaturowej 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. Dla wentylacji technologicznej zastosowanie odzysku ciepła powinno wynikać z uwarunkowań technologicznych i rachunku ekonomicznego.

3. Recyrkulację powietrza można stosować wówczas, gdy przeznaczenie wentylowanych pomieszczeń nie wiąże się z występowaniem bakterii chorobotwórczych, z emisją substancji szkodliwych dla zdrowia, uciążliwych zapachów, przy zachowaniu wymagań § 149 ust. 1 oraz wymagań dotyczących ochrony przeciwpożarowej.

4. W budynku opieki zdrowotnej recyrkulacja powietrza może być stosowana tylko za zgodą i na warunkach określonych przez właściwego państwowego inspektora sanitarnego.

5. W przypadku stosowania recyrkulacji powietrza w instalacjach wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej lub klimatyzacji należy stosować układy regulacji umożliwiające w korzystnych warunkach pogodowych zwiększanie udziału powietrza zewnętrznego do 100 %.

6. Przepisu ust. 5 nie stosuje się w przypadkach, gdy zwiększanie strumienia powietrza wentylacyjnego uniemożliwiałoby dotrzymanie poziomu czystości powietrza wymaganego przez względy technologiczne.

7. Wymagań ust. 1 można nie stosować w przypadku instalacji używanych krócej niż przez 1000 godzin w roku.

Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. z 2010, Nr 109 poz.719) [6]:

§ 35.4. W systemach ogrzewczych oraz wentylacyjnych nie jest dopuszczalna recyrkulacja powietrza, jeżeli mogłaby spowodować wzrost zagrożenia wybuchem.

Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (Dz.U. z 2003 r. Nr 169, poz. 1650 z późn. zm.) [5]:

§38 ust.1. Przy stosowaniu w pomieszczeniach pracy wentylacji mechanicznej z recyrkulacją powietrza ilość powietrza świeżego nie powinna być mniejsza niż 10% ogólnej ilości wymienianego powietrza.

§38 ust.2. W powietrzu wprowadzanym do pomieszczeń pracy przy stosowaniu recyrkulacji zanieczyszczenie czynnikami szkodliwymi dla zdrowia nie powinno przekraczać poziomu, przy którym suma stosunków stężeń poszczególnych substancji do odpowiadających im wartości najwyższych dopuszczalnych stężeń przekracza 0,3.

§38 ust.3. Recyrkulacja powietrza nie powinna być stosowana w pomieszczeniach pracy, w których występuje narażenie na mikroorganizmy chorobotwórcze lub znajdują się substancje trujące, cuchnące albo możliwe jest nagłe zwiększenie stężenia szkodliwych substancji, a także w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.

Chociaż recyrkulacja jest jedną z najefektywniejszych metod oszczędzania energii, to w wielu krajach nie zaleca się jej stosowania. W Polsce recyrkulacja powietrza w budynkach opieki zdrowotnej może być stosowana tylko za zgodą i na warunkach określonych przez właściwego państwowego inspektora sanitarnego. W Stanach Zjednoczonych oraz w Szwajcarii istnieje możliwość stosowania recyrkulacji pod warunkiem spełnienia określonych wymagań, np. powietrze recyrkulacyjne musi przepływać przez filtry o takiej samej klasie jak powietrze świeże, pochodzić z tego samego pomieszczenia, a udział powietrza recyrkulacyjnego nie może być większy niż 70% całkowitej ilości powietrza doprowadzanego do pomieszczenia i nie mniejszy niż 1200 m3/h. Ponadto zaleca się stałe monitorowanie poziomu zabrudzenia filtrów HEPA z uwagi na możliwość rozwoju mikroorganizmów na ich powierzchniach.