Odzysk ciepła – przegląd metod (2)
Zagadnienia odzysku ciepła w układach wentylacji i klimatyzacji, szczególnie w nowoczesnym budownictwie, są niezwykle ważne i mają istotny wpływ na całkowity bilans energetyczny budynku. W przypadku budynków o dobrej izolacyjności termicznej, wyposażonych w układy wentylacji mechanicznej lub klimatyzacji, dominującymi stratami cieplnymi stają się strumienie ciepła usuwane z pomieszczeń wraz z powietrzem wywiewanym. Dla budynków mieszkalnych stanowią one nawet do 60% całkowitych strat ciepła [6]. Z tego względu, minimalizowanie strat energetycznych związanych z wentylacją nabiera szczególnego znaczenia.
Porównanie układów do odzysku ciepła
Wykorzystanie układów odzysku ciepła jest podyktowane oferowanymi przez nie oszczędnościami energii, a często także wymuszone przepisami prawa. Rozporządzenie [28] nakazuje stosowanie odzysku ciepła w instalacji wentylacyjnej już od wydajności równej 2000 m3/h, przy czym układ odzysku powinien charakteryzować się sprawnością nie gorszą niż 50%. Coraz rzadziej rodzi się więc pytanie, czy stosować odzysk ciepła, a w to miejsce pojawia się kwestia wyboru optymalnych urządzeń służących jego realizacji.
Producenci układów odzysku ciepła dla wentylacji i klimatyzacji oferują obecnie wiele rodzajów i typoszeregów takich urządzeń. Każde z nich charakteryzuje się cechami predestynującymi je do pewnych, określonych zastosowań, a jednocześnie ograniczającymi możliwości ich wykorzystania w innych aplikacjach. Niektóre własności wybranych urządzeń do odzysku ciepła zestawiono w tabeli. Im wyższa jest sprawność odzysku ciepła osiągana w centrali wentylacyjnej, tym mniej energii pierwotnej zużywają zainstalowane w niej układy chłodnicze i nagrzewnice powietrza. Dlatego producenci urządzeń do odzysku ciepła starają się otrzymać jak najwyższe wartości tego parametru. Efekt ten można uzyskać łącząc szeregowo wymienniki ciepła (rys. 12), bądź opracowując ich specjalne konstrukcje – począwszy od rozwijania powierzchni wymiany ciepła, po wdrażanie nowych konfiguracji urządzeń.
Konsekwencje polepszania sprawności odzysku ciepła
Polepszenie sprawności odzysku ciepła (np. do ok. 95% w przypadku dwóch wymienników krzyżowo-płytowych w układzie „Duo” [23]) wiąże się jednak z powiększeniem oporów przepływu powietrza przez urządzenie i w konsekwencji ze wzrostem zużycia energii napędowej przez silniki elektryczne wentylatorów. Z tego względu warto zawsze przeprowadzić analizę ekonomiczną zasadności wykorzystania układów o bardzo wysokiej sprawności. Trzeba też pamiętać, że Rozporządzenie [28] podaje maksymalną dopuszczalną moc właściwą (odniesioną do m3/s przepływu strumienia powietrza) wentylatorów stosowanych w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.
Ponadto, wyższa sprawność odzysku ciepła może przyspieszyć ryzyko szronienia wymiennika [11]. Niebezpieczeństwo to może jednak zostać zażegnane dzięki zastosowaniu nagrzewnicy wstępnej powietrza zewnętrznego, bądź gruntowego wymiennika ciepła, które to elementy podnoszą temperaturę i entalpię powietrza pobieranego z otoczenia.
*) możliwość powstania nieszczelności w trakcie eksploatacji,
**) przekazywanie ciepła w obie strony możliwe jedynie w przypadku rurki ciepła z wewnętrznym pokryciem kapilarnym, zainstalowanej poziomo,
***) stosunek objętości zajmowanej przez wymiennik do objętościowego natężenia przepływu powietrza.
Myląca praktyka producentów w katalogach
Częstą praktyką jest podawanie w katalogach producentów urządzeń do odzysku ciepła jedynie maksymalnej sprawności układu, uzyskiwanej w najkorzystniejszych warunkach jego pracy. Należy jednak pamiętać, że warunki rzeczywiste mogą wyraźnie od nich odbiegać przez zdecydowanie większą część czasu eksploatacji układu, a sprawność odzysku ciepła danego wymiennika zależy od takich czynników, jak: natężenie przepływu powietrza (rys. 13), stosunek strumienia powietrza nawiewanego do powietrza wywiewanego (rys. 15), różnica temperatury pomiędzy powietrzem usuwanym i zewnętrznym, czy prędkość obrotowa wirnika w przypadku wymiennika regeneracyjnego (rys. 14).
Co może również wpływać na wybór wymiennika?
Procesy zachodzące w wentylowanym pomieszczeniu również mogą wpływać na wybór rodzaju wymiennika odzyskującego ciepło. Znaczne zapylenie powietrza usuwanego, jak i obecność w nim substancji agresywnych, uniemożliwia wykorzystanie niektórych metod oraz stawia przed elementami kontaktującymi się z tym strumieniem powietrza szczególne wymagania materiałowe.
Z jakiego materiału wykonane są wymienniki?
Ze względu na niebezpieczeństwo korozji, wymienniki wykonane z duraluminium nie powinny pracować w środowiskach o niskich ani wysokich współczynnikach kwasowości pH. W urządzeniach obsługujących pływalnie, bądź też obiekty przemysłowe, w których wydzielają się znaczne ilości chloru, zastosowanie mogą znaleźć epoksydowane wymienniki ciepła. Z kolei w środowiskach szczególnie agresywnych wykorzystuje się wyroby wykonane ze stali kwasoodpornych lub nierdzewnych odpornych na korozję. Jednak i w takich przypadkach należy unikać kondensacji wilgoci na powierzchniach wymiany ciepła. Największe niebezpieczeństwo korozji występuje, gdy skropliny zawierające związki agresywne ulegną odparowaniu, stąd najbardziej narażonym na to zagrożenie elementem jest taca zbierająca kondensat. Wymienniki z płytami wykonanymi z tworzywa sztucznego są wolne od niebezpieczeństwa korozji, a ponadto w mniejszym stopniu zatrzymują zanieczyszczenia mechaniczne, z uwagi na większą gładkość powierzchni.
Szczególną wrażliwość na zanieczyszczenia wykazuje pokrycie higroskopijne regeneracyjnych wymienników ciepła. Ponieważ para wodna kumuluje dym, bakterie i drobnoustroje, efektywne wykorzystanie tych urządzeń ogranicza się do obiektów czystych [2]. Należy także pamiętać, że w kontakcie ze środowiskiem agresywnym niszczeniu mogą ulegać również niektóre materiały, z których wykonuje się uszczelki (np. silikon w obecności niektórych kwasów).
Jakie cechy układu odzysku ciepła są najistotniejsze dla inwestora?
Dla inwestora bardzo istotnymi cechami układu odzysku ciepła są:
- cena jego zakupu i zainstalowania
- koszty eksploatacji systemu
- koszty późniejszych remontów
- koszty konserwacji jego podzespołów.
Koszty inwestycyjne
Najtańszymi inwestycyjnie rozwiązaniami (poza recyrkulacją powietrza) są wymienniki odznaczające się prostotą konstrukcji i brakiem części ruchomych, takie jak rurka ciepła czy też wymienniki przeponowe. Najczęściej jednak nie gwarantują one możliwości osiągnięcia tak wysokiej sprawności odzysku, jak na przykład wymienniki regeneracyjne. Najwyższe koszty inwestycyjne w różnorodnych technologiach odzysku ciepła użytkownik ponosi przy zastosowaniu pompy ciepła.
Jednakże koszt inwestycyjny stanowi jedynie około 10 do 15% nakładów związanych z wykorzystaniem instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, biorąc pod uwagę ich użytkowanie przez 20 lat [5]. Ogromna większość, bo aż 75 do 80%, to koszty zużycia energii niezbędnej w tym okresie do eksploatacji urządzeń. Resztę stanowią koszty serwisu, przeglądów i bieżącej obsługi układu.
Największe nakłady, związane z wykorzystaniem instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, to koszty ich eksploatacji. Zainstalowanie w układzie urządzenia do odzysku ciepła obniża koszty zużycia energii na obróbkę cieplno-wilgotnościową powietrza, jednocześnie zaś powoduje zwiększoną konsumpcję energii przez wentylatory, które muszą pokonać dodatkowy opór przepływu powietrza. Jeśli zachodzi groźba szronienia wymiennika do odzysku ciepła, to trzeba pamiętać, że w czasie jego odszraniania zostaje drastycznie ograniczona lub całkowicie zanika wydajność układu odzysku. Zwiększenie sprawności odzysku ciepła rozszerza w górę zakres temperatury powietrza zewnętrznego, przy której może dochodzić do zamarzania wilgoci w wymienniku. Częściej więc może zaistnieć potrzeba jego odszraniania, niwecząc energetyczne korzyści z odzysku ciepła.
Ekonomiczna opłacalność wykorzystania układów do odzysku ciepła
Niezwykle istotna staje się zatem kwestia ekonomicznej opłacalności wykorzystania układów do odzysku ciepła. Można ją szacować z wykorzystaniem różnorodnych wskaźników opłacalności inwestycji, zarówno statycznych (jak prosty okres zwrotu [1,4]), bądź dynamicznych (np. wartość bieżąca netto NPV [7,8]).
Kryterium efektywności ekonomicznej, chociaż niezwykle istotne, nie jest jedynym, jakie należy wziąć pod uwagę podczas procedury doboru urządzenia do odzysku ciepła. Na tę decyzję mogą wpłynąć także następujące uwarunkowania [2, 5, 8]:
- przepisy,
- specyfika i przeznaczenie pomieszczeń,
- uwarunkowania przestrzenne, wielkość maszynowni i nośność elementów budowlanych,
- koszt inwestycyjny,
- jakość wykonania,
- minimalizacja zużycia energii,
- szczelność układu (brak przecieków powietrza wywiewanego do nawiewanego),
- odzysk wilgoci,
- rewersyjne cykle działania,
- niebezpieczeństwo szronienia,
- wielkość emitowanego hałasu,
- bezpieczeństwo i wygoda użytkowania.
Dobór wielkości układów
Po wytypowaniu możliwych sposobów odzysku ciepła, należy dobrać wielkość układów, w których ma on być realizowany. Dobór ten przeprowadza się zgodnie z procedurami podanymi przez producenta. Podstawowymi danymi wejściowymi w tym procesie są parametry powietrza na dopływie i wylocie z wymiennika oraz natężenia przepływu strumieni, pomiędzy którymi zachodzi wymiana ciepła. Efektywność dobranego systemu, parametry i ilość przepływającego przezeń powietrza muszą się mieścić w zakresie przewidzianym przez jego konstruktora. Należy także stosować się do wskazówek wytwórcy, dotyczących sposobu montażu i konserwacji układu.
Dobór urządzeń odzysku ciepła porą zimową
Według zaleceń [2], podczas doboru urządzeń odzysku ciepła do instalacji wentylacyjnej, dla warunków zimowych należy brać pod uwagę sprawność odzysku ciepła dla procesu suchego (bez wykraplania pary wodnej) przy minimalnych zyskach wilgoci (brak ludzi w pomieszczeniu). Warto też dokonać sprawdzenia, czy temperatura powietrza nawiewanego za wymiennikiem nie będzie zbyt niska w przypadku procesu mokrego (przy maksymalnej liczbie osób w pomieszczeniu).
Dobór urządzeń odzysku ciepła porą letnią
Natomiast latem należy dobierać do obliczeń sprawność odzysku ciepła w procesie mokrym, przy maksymalnej liczbie osób. Z kolei w przypadku układów klimatyzacji wartość sprawności odzysku ciepła powinna być przyjmowana jak dla procesu mokrego.
Co jeśli występuje znaczne zróżnicowanie wielkości obciążenia cieplnego pomieszczenia klimatyzowanego?
W przypadku znacznego zróżnicowania wielkości obciążenia cieplnego pomieszczenia klimatyzowanego, a co za tym idzie – wymaganej wydajności systemu odzysku ciepła, wykorzystuje się układy posiadające możliwość regulacji tej wydajności, bądź zapewnia się możliwość obejścia wymiennika przez jeden ze strumieni powietrza. Dopuszczalne jest także równoległe połączenie urządzeń odzyskujących energię w celu przeprowadzenia obróbki dużej masy przepływającego powietrza oraz połączenie szeregowe wymienników dobranych na kolejno po sobie występujące zakresy temperatur – umożliwiające znaczną zmianę temperatury obrabianego strumienia.
Literatura:
[1] Adamski M.: Zastosowanie rekuperatorów. Warunki techniczno-ekonomiczne. „Rynek Instalacyjny”, 2003, nr 3.
[2] Januszewski J.: Dobór wymienników odzysku ciepła. „Chłodnictwo”, 1996, nr 1.
[3] Jo iec W.: Rekuperatory. „Rynek Instalacyjny” 2003, nr 3.
[4] Kolaszewski A., Więcek K.: Ekonomika stosowania najnowszych technologii odzysku ciepła w krytych pływalniach. „Instal”, 2005, nr 2.
[5] Madziąg G.: Ekonomiczny dobór systemów wentylacyjnych – czynniki wpływające na koszty użytkowania urządzeń. „Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna”, 2001, nr 8.
[6] Maludziński B.: Centrale wentylacyjne rekuperacyjne – odzysk energii cieplnej. „Chłodnictwo & Klimatyzacja”, 2006, nr 10.
[7] Mróz T.: Opłacalność odzysku ciepła w centralach wentylacyjnych. „Chłodnictwo & Klimatyzacja”, 2006, nr 7.
[8] Mróz T.: Wielokryterialna analiza wyboru układu do odzyskiwania ciepła w centralach wentylacyjnych. „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja”, 2002, nr 9.
[9] Staniszewski D., Targański W.: Odzysk ciepła w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych. Wyd. IPPU MASTA, Gdańsk 2007.
[10] Szymański T., Wasiluk W.: Metody odzysku ciepła w systemach klimatyzacyjnych i wentylacyjnych. „Instal”, 2004, nr 2.
[11] Żarski K.: Aspekty ekonomiczne zastosowania przeponowych wymienników ciepła o wysokiej sprawności w instalacjach klimatyzacyjnych. „Instal”, 2005, nr 2.
Materiały firm:
[12] ASK – Alternatywne Systemy Komfortu
[13] BARTOSZ
[14] Budowlany Serwis dla Profesjonalistów „muratorplus.pl”. Vademecum wentylacji i klimatyzacji: http://www.muratorplus.pl/14939.htm
[15] CELTON
[16] CLIMA PRODUKT
[17] EKOKLIMAX-PROJEKT
[18] GEA Klimator
[19] HEATEX
[20] KLIMOR
[21] KLINGENBURG
[22] MENERGA
[23] PRO-VENT Systemy Wentylacyjne
[24] SWEGON
[25] SYSTEMAIR
[26] VBW Clima Engineering
[27] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz. U. nr 75, poz. 690.
[28] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz. U. nr 201, poz. 1238.
[29] Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy. Dz. U. nr 169, poz. 1650.
[30] Polska Norma PN-83/B-03430 Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
Autor: Waldemar Targański
