Odzysk ciepła – przegląd metod (1)

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.

Kluczową rolę odgrywa tu wykorzystanie strumienia powietrza usuwanego w celu ogrzewania lub chłodzenia powietrza dostarczanego do pomieszczeń, nazywane w skrócie odzyskiem ciepła. Temperatura powietrza usuwanego kształtuje się na poziomie temperatury powietrza wewnątrz pomieszczenia wentylowanego. Zatem zimą przewyższa temperaturę otoczenia, a w lecie jest od niej niższa. Różnicę temperatury powietrza usuwanego i zewnętrznego można wykorzystać do zrealizowania wymiany ciepła pomiędzy tymi dwoma strumieniami, instalując sekcję odzysku ciepła przedstawioną na rys. 1.

Gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest wyższa, niż wewnątrz pomieszczenia wentylowanego, układ odzysku ciepła ochładza powietrze zewnętrzne, przekazując zawarte w nim ciepło do powietrza wywiewanego (rys. 2a). W ten sposób wspomaga lub zastępuje funkcjonowanie chłodnicy powietrza. Z kolei w przypadku, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa od temperatury w pomieszczeniu, możliwe staje się przekazywanie ciepła od powietrza wywiewanego do powietrza zewnętrznego (rys. 2b), a zatem odciążenie lub wyeliminowanie pracy nagrzewnicy. Temperatura powietrza pobieranego z zewnątrz wzrasta, a powietrza wywiewanego maleje.

Jeśli temperatura powietrza zewnętrznego jest na tyle niska, że na skutek tej wymiany ciepła temperatura powietrza wywiewanego spadnie poniżej temperatury punktu rosy, to dojdzie do wykraplania wilgoci. W takim przypadku odzyskiwane jest nie tylko ciepło jawne, ale także ciepło utajone, związane ze skraplaniem pary wodnej. Należy dodać, że przy temperaturze powietrza zewnętrznego poniżej 0°C może istnieć niebezpieczeństwo zamarzania skroplin w wymienniku do odzysku ciepła.

Jeżeli woda wykroplona ze strumienia powietrza wywiewanego ma możliwość przejścia do strumienia nawiewanego, to w efekcie zwiększa się zawartość wilgoci w tym powietrzu. W takim przypadku zachodzi zarówno odzysk ciepła, jak i wilgoci, możliwy do zrealizowania np. w wymiennikach regeneracyjnych, w których oba strumienie powietrza kontaktują się naprzemiennie z tą samą powierzchnią wymiany ciepła.

Sprawność odzysku ciepła

Wobec skończonej powierzchni wymienników ciepła, a w konsekwencji ograniczonego czasu kontaktu strumieni powietrza z powierzchnią wymiany ciepła, nie jest możliwe odzyskanie całej energii cieplnej, która teoretycznie jest do dyspozycji przy danej różnicy parametrów powietrza wywiewanego i zewnętrznego. Stopień wykorzystania tego zasobu energii charakteryzuje sprawność odzysku ciepła. Wyraża się ją zazwyczaj w procentach, a rozróżnia się sprawność temperaturową, wilgotnościową i całkowitą. Pod pojęciem całkowitej sprawności odzysku ciepła rozumie się stosunek strumienia ciepła odzyskiwanego w układzie do strumienia ciepła potencjalnie możliwego do odzyskania:

gdzie:

m – strumień masy powietrza,

h – entalpia jednostkowa,

indeksy oznaczeń strumieni jak na rys. 2:

1 – powietrze zewnętrzne przed wymiennikiem odzysku ciepła,

2 – powietrze nawiewane za wymiennikiem odzysku ciepła,

3 – powietrze wywiewane przed wymiennikiem odzysku ciepła.

W przypadku równego masowego natężenia przepływu powietrza zewnętrznego i wywiewanego wzór (1) sprowadza się do zależności:

Ze względów praktycznych, z uwagi na łatwość pomiaru temperatury powietrza, wykorzystuje się często pojęcie temperaturowej sprawności odzysku ciepła:

gdzie: t – temperatura odpowiednich strumieni powietrza.

W przypadku odzysku jedynie ciepła jawnego, temperaturowa sprawność odzysku ciepła w przybliżeniu odpowiada sprawności całkowitej. Przybliżenie to wynika z zależności ciepła właściwego powietrza od temperatury. Natomiast gdy odzyskiwane jest także ciepło utajone, związane z wykraplaniem wilgoci z powietrza, sprawność temperaturowa nie uwzględnia pełni zachodzących zjawisk i należy się posługiwać całkowitą sprawnością odzysku ciepła.

Stopień odzysku wilgoci charakteryzuje sprawność wilgotnościowa:

gdzie: X – zawartość wilgoci w powietrzu (wilgotność właściwa).

Metody odzysku ciepła

W zależności od wykorzystanych zjawisk oraz przyjętych rozwiązań

technicznych, pośród podstawowych metod odzysku ciepła można

wyróżnić:recyrkulację;
odzysk w wymiennikach ciepła, bez medium pośredniczącego:

z wykorzystaniem rekuperatorów:
krzyżowo-płytowych,
przeciwprądowo-płytowych,
spiralnych;
z wykorzystaniem regeneratorów ciepła:
obrotowych,
nieobrotowych;

odzysk w układach z medium pośredniczącym:

z wykorzystaniem rurki ciepła,
z wykorzystaniem układu glikolowego,
z wykorzystaniem pompy ciepła.

Recyrkulacja powietrza

Recyrkulacja powietrza polega na skierowaniu części strumienia wywiewanego do komory mieszania, gdzie przenika on do strumienia powietrza zewnętrznego (rys. 3). Po zmieszaniu i ewentualnej dalszej obróbce, powietrze to jest nawiewane do wentylowanego pomieszczenia. Recyrkulacja jest najstarszym i najprostszym do zrealizowania sposobem odzysku ciepła. Posiada jednak zasadniczą wadę, którą jest zawracanie części zużytego powietrza do pomieszczenia, z którego zostało ono usunięte, bądź do innych pomieszczeń obsługiwanych przez tą samą centralę wentylacyjną.

Stan powietrza po zmieszaniu wynika z parametrów powietrza recyrkulowanego i zewnętrznego oraz z natężenia przepływu obu strumieni. Udział powietrza recyrkulowanego w strumieniu nawiewanym jest regulowany za pomocą przepustnic zainstalowanych w komorze mieszania (rys. 3). Dławienie jednego strumienia powietrza i zwiększanie drugiego pozwala np. utrzymywać założone parametry powietrza po zmieszaniu. Ponadto, im większy jest udział powietrza recyrkulowanego, tym więcej odzyskuje się ciepła zawartego w strumieniu wywiewanym z pomieszczenia.

Ponieważ recyrkulacja polega na zawróceniu części zużytego powietrza do pomieszczenia wentylowanego, na tą metodę odzysku ciepła nałożono pewne ograniczenia. Rozporządzenie [27] w § 151 i jego nowelizacja [28] dopuszcza wykorzystanie recyrkulacji powietrza wtedy, gdy przeznaczenie pomieszczenia nie wiąże się z występowaniem uciążliwych zapachów oraz bakterii i substancji szkodliwych dla zdrowia. Strumień świeżego powietrza zewnętrznego musi pozostawać w zgodzie z wymaganiami higienicznymi i nie może być przy tym mniejszy niż 10% strumienia powietrza nawiewanego.

Higieniczne minimum świeżego powietrza dla pomieszczeń mieszkalnych na poziomie kilkudziesięciu m3/h powietrza wentylacyjnego na osobę określa Polska Norma [30]. Z kolei Rozporządzenie w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy [29] narzuca doprowadzanie do pomieszczeń pracy ilości powietrza świeżego nie mniejszej niż 10% ogólnej ilości wymienianego powietrza, a zarazem takiej jego ilości, aby stężenia zanieczyszczeń nie przekraczały 0,3 najwyższych stężeń dopuszczalnych. Co więcej, Rozporządzenie [28] nakazuje przewidzieć możliwość zwiększania w korzystnych warunkach pogodowych udziału powietrza zewnętrznego do 100% chyba, że uniemożliwiało by to zachowanie wymaganej czystości powietrza.

W budynkach opieki zdrowotnej recyrkulacja może mieć miejsce jedynie za zgodą państwowego inspektora sanitarnego i tylko w określonych przez niego warunkach.

W praktyce wykorzystanie recyrkulacji powietrza ogranicza się do niektórych hal przemysłowych i sportowych, biur i lokali z zakazem palenia, magazynów oraz do przypadków, gdy powietrze recyrkulowane odznacza się większą czystością od powietrza zewnętrznego. Zaletami recyrkulacji powietrza, jako metody odzysku ciepła są prostota i niezawodność, niski koszt inwestycyjny oraz łatwe sterowanie.

Wymienniki rekuperacyjne

Rekuperatory są wymiennikami, w których przekazywanie ciepła pomiędzy strumieniami powietrza odbywa się na skutek przenikania przez przeponę, rozdzielającą oba strumienie. Z założenia nie występuje tu mieszanie się powietrza, chociaż w wyniku nieszczelności powstałych podczas montażu lub eksploatacji, mogą zaistnieć przecieki powietrza wywiewanego do nawiewanego. Zgodnie z Rozporządzeniem [27] nie powinny one przekraczać 0,25%.

Typowym rekuperatorem wykorzystywanym w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego jest krzyżowo-płytowy wymiennik ciepła. Składa się on z pakietu płyt, tworzących szereg szczelin, przez które na przemian i krzyżowo (prostopadle) płynie powietrze wywiewane z pomieszczenia i powietrze świeże (rys. 4).

Płyty, przez które zachodzi proces wymiany ciepła wykonuje się ze stali nierdzewnej, z aluminium, albo z tworzywa sztucznego (polietylen, polipropylen). Aluminium charakteryzuje się wyższym niż dla stali współczynnikiem przewodzenia ciepła, a dla zwiększenia odporności na agresywne zanieczyszczenia mogące występować w powietrzu, stosuje się niekiedy pokrycia epoksydowe. Jeszcze mniejszą wrażliwość na środowiska agresywne, a ponadto mniejszą tendencję do tworzenia się na nich trwałych osadów wykazują płyty z tworzywa sztucznego, a wymienniki z nich wykonane posiadają mniejsze straty ciepła przez obudowę [12,22]. W celu polepszenia warunków wymiany ciepła pomiędzy powietrzem i płytami wymiennika, rozwija się ich powierzchnię wykonując przetłoczenia lub instalując specjalne wkładki (rys. 5), co odbywa się kosztem zwiększenia oporów przepływu powietrza przez kanały wymiennika. Grubość płyt kształtuje się na poziomie od 0,1 do 0,5 mm, a odległości między nimi wynoszą od ok. 1 mm dla płyt płaskich do kilkunastu milimetrów w przypadku wkładek i przetłoczeń.

Sprawność odzysku ciepła w rekuperatorze zależy nie tylko od ukształtowania płyt, lecz także od ich rozstawu i natężenia przepływu powietrza (rys. 6), od stosunku natężenia przepływu powietrza nawiewanego i wywiewanego oraz od różnicy temperatury pomiędzy oboma strumieniami. W zależności od doboru tych parametrów, sprawność odzysku ciepła może się zmieniać w szerokim zakresie. Dlatego podając jej wartość należy także zaznaczyć, w jakich warunkach jest ona uzyskiwana.

Jeśli temperatura powietrza zewnętrznego jest wyższa od temperatury punktu rosy powietrza wewnątrz pomieszczenia, to w wymienniku krzyżowo-płytowym następuje jedynie odzysk ciepła jawnego. W przeciwnym przypadku dochodzi do wykraplania pary wodnej z powietrza wywiewanego. Ponadto, gdy temperatura powietrza zewnętrznego spada poniżej ok. -5°C, wówczas pojawia się ryzyko zamarzania tych skroplin [9]. Niebezpieczeństwo to dotyczy szczególnie narożnika usytuowanego pomiędzy wlotem powietrza zewnętrznego i wylotem powietrza usuwanego. Graniczna temperatura powietrza zewnętrznego, przy której rozpoczyna się proces zamarzania skroplin jest tym wyższa, im wyższa jest sprawność odzysku ciepła w wymienniku [11].

Wykorzystuje się kilka typowych sposobów zapobiegania zamarzaniu wody w krzyżowo-płytowym wymienniku ciepła, a są to:

obejście wymiennika przez strumień powietrza zewnętrznego („bypass”) – zespół przepustnic zamyka wlot powietrza zewnętrznego do wymiennika, a otwiera jego przepływ przez kanał obejściowy; w tym czasie odzysk ciepła nie ma miejsca;
zamykanie dopływu powietrza zewnętrznego do części szczelin wymiennika za pomocą specjalnej przesłony;
regulacja (zmniejszenie) wydajności wentylatora nawiewnego, albo jego okresowe zatrzymywanie, kosztem pogorszenia jakości wentylacji;
recyrkulacja powietrza wywiewanego, kierowanego do wymiennika od strony powietrza zewnętrznego;
wstępne podgrzanie strumienia powietrza zewnętrznego np. w nagrzewnicy elektrycznej – pomimo konieczności doprowadzenia energii do nagrzewnicy, sposób ten staje się korzystniejszy ekonomicznie w porównaniu z zabezpieczeniem obejściowym („by-passem”) w miarę wzrostu sprawności odzysku ciepła w wymienniku [11].

Krzyżowo-płytowe wymienniki ciepła są często wykorzystywane w centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, z uwagi na swoje podstawowe zalety, którymi są:

prosta konstrukcja, brak konieczności doprowadzenia energii zewnętrznej (napęd przepustnic „by-passu” wymaga mocy poniżej 10 W);
pewność działania związana z brakiem części ruchomych;
stosunkowo niska cena, szczególnie przy małej wydajności.

Zalety te są jednak okupione następującymi wadami:

stosunkowo niską sprawnością odzysku ciepła, dla typowych warunków pracy kształtującą się na poziomie ok. 60%;
dużymi wymiarami centrali wyposażonej w taki wymiennik;
stosunkowo wysoką graniczną temperaturą powietrza zewnętrznego, przy której może dojść do wymarzania skroplin po stronie strumienia wywiewanego (ok. -5°C);
możliwością wystąpienia przecieków powietrza wywiewanego do strumienia powietrza nawiewanego.

Dotkliwość niektórych z tych wad próbuje się zmniejszyć modyfikując konstrukcję wymiennika, bądź proponując inne rozwiązania rekuperatorów. Na rynku są dostępne niesymetryczne wymienniki krzyżowo-płytowe o sprawności odzysku ciepła ok. 70%, a zimą nawet powyżej 80% [4], wymienniki przeciwprądowo-płytowe oraz spiralne. Wymienniki przeciwprądowo-płytowe (rys. 7) odznaczają się lepszymi warunkami wymiany ciepła, gdyż strumienie powietrza nie płyną względem siebie krzyżowo, lecz równolegle w przeciwnych kierunkach. Pole temperatury jest w nich zatem bardziej wyrównane i w związku z tym nieco mniejsze jest ryzyko zaszronienia powierzchni wymiany ciepła. Ponadto wyższa niż w wymiennikach krzyżowo-płytowych jest sprawność odzysku ciepła, którą producenci podają na poziomie 70 do 90% [19]. Z uwagi na oferowane dotychczas wielkości wymienników przeciwprądowo-płytowych, występują one najczęściej w układach wentylacji domów jednorodzinnych. Z kolei małe ryzyko zaszronienia oraz wysoka sprawność odzysku ciepła, sięgająca ponad 85% [13], to atuty akcentowane także przez wytwórcę spiralnego wymiennika do odzysku ciepła. Ten rekomendowany do stosowania szczególnie w domach jednorodzinnych wymiennik składa się ze zwiniętych arkuszy blachy, umieszczonych w cylindrycznej obudowie. Stanowią one przepony oddzielające strumienie powietrza wymieniające ciepło w przepływie przeciwprądowym. Dla wydłużenia czasu kontaktu powietrza z przeponą, oba strumienie są zawirowane.

Wymienniki regeneracyjne

Działanie regeneracyjnych wymienników ciepła opiera się na cyklicznym omywaniu tej samej powierzchni naprzemiennie przez dwa strumienie powietrza o różnym stanie termodynamicznym. Jeden z nich oddaje ciepło do materiału akumulacyjnego regeneratora, w wyniku czego spada temperatura powietrza, a temperatura wypełnienia wymiennika wzrasta. Następnie drugi strumień powietrza przejmuje to ciepło, skutkiem czego wzrasta jego temperatura, a wypełnienie regeneratora ochładza się.

Ponieważ oba strumienie powietrza kontaktują się z tą samą powierzchnią wymiany ciepła, możliwe staje się także przekazywanie między nimi wilgoci. Jeśli jeden ze strumieni zdeponuje część zawartej w nim pary wodnej na powierzchni wypełnienia regeneratora, drugi strumień może ją przejąć. Osadzanie wilgoci na powierzchni wymiennika może następować na skutek wykraplania, gdy temperatura wypełnienia akumulacyjnego jest niższa od temperatury punktu rosy przepływającego powietrza, bądź na skutek absorpcji, w przypadku regeneratorów z pokryciem higroskopijnym.

W celu zapewnienia jak najlepszych warunków wymiany ciepła, powierzchnia kontaktu powietrza z wypełnieniem akumulacyjnym powinna być jak największa. Z tego względu wymienniki regeneracyjne, wykorzystywane w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, wykonuje się najczęściej w postaci pakietu profilowanych blach aluminiowych lub stalowych, rzadziej w formie warstw siatki z drutu stalowego. W ten sposób powstaje duża liczba małych kanalików, którymi przepływa powietrze, a pole powierzchni wymiany ciepła sięga nawet 3000 m2 w 1 m3 wypełnienia [10]. Dalszą poprawę warunków przejmowania ciepła można uzyskać dzięki wykonaniu przetłoczeń turbulizujących przepływ powietrza. Korzyść ta jest okupiona zwiększonym oporem przepływu powietrza przez wymiennik oraz większą podatnością na odkładanie się zanieczyszczeń. Zadanie zapewnienia naprzemiennego kontaktu powierzchni wymiany ciepła z dwoma strumieniami powietrza można rozwiązać dwojako:

budując wymiennik z ruchomym (obrotowym) wypełnieniem akumulacyjnym, którego segmenty przemieszczają się pomiędzy kanałem powietrza wywiewanego i nawiewanego;
organizując cyklicznie zmienny przepływ obu strumieni przez nieruchome bloki wypełnienia regeneratora.

W układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych najbardziej rozpowszechnionym regeneratorem jest obrotowy wymiennik ciepła. Jego zasadniczym elementem jest wypełnienie akumulacyjne zbudowane w formie wirnika (rys. 8a). Bęben ten jest osadzony w łożyskach kulkowych i zamknięty w blaszanej obudowie, stanowiącej sekcję odzysku ciepła (rys. 8b). Jedną częścią jej przekroju (np. górną) płynie powietrze nawiewane, zaś drugą powietrze wywiewane. Przeciekom powietrza zapobiegają uszczelnienia szczoteczkowe lub filcowe wkładki.

Wirnik jest napędzany silnikiem elektrycznym o stałej lub zmiennej prędkości obrotowej, za pośrednictwem przekładni pasowej (rys. 8c). Typowy zakres prędkości rotora sięga od 10 do 20 obr/min. Zmiana prędkości obrotowej wirnika jest jedną z metod regulacji temperatury powietrza nawiewanego oraz sposobem zapobiegania jego zaszronieniu. Na rynku oferowane są najczęściej regeneracyjne obrotowe wymienniki ciepła o średnicy od 500 do 2500 mm, o grubości od 200 do ok. 300 mm, charakteryzujące się spadkiem ciśnienia powietrza w granicach od 100 do 300 Pa.

Regeneracyjny wymiennik ciepła nie zapewnia oddzielenia strumienia powietrza nawiewanego i wywiewanego. Oprócz przecieków przez uszczelnienia wirnika w obudowie, główny problem stanowi zużyte powietrze uwięzione w kanalikach wirnika przemieszczających się do strefy strumienia nawiewanego i następnie porywane przez świeże powietrze z powrotem do pomieszczenia wentylowanego. Rozporządzenie [27] ogranicza w regeneratorach obrotowych dopuszczalne przecieki powietrza wywiewanego do nawiewanego do 5% przy różnicy ciśnienia obu strumieni na poziomie 400 Pa.

Przecieki powietrza zużytego do strumienia powietrza nawiewanego można zmniejszyć dzięki zainstalowaniu sekcji czyszczącej (rys. 9). Następuje w niej przepłukiwanie kanalików wirnika przez część strumienia świeżego powietrza, która odprowadzana jest na zewnątrz wraz z powietrzem usuwanym. W efekcie kanaliki opuszczające sekcję czyszczącą pozbawione są powietrza wywiewanego, a wypełnia je świeże powietrze zewnętrzne.

Zalety regeneracyjnego obrotowego wymiennika ciepła, to:

wysoka sprawność odzysku ciepła, w typowych warunkach roboczych nawet przewyższająca 80%;
zwartość konstrukcji i mniejsze gabaryty w porównaniu z rekuperatorami;
mniejsze niebezpieczeństwo szronienia niż dla wymiennika krzyżowopłytowego, któremu można przeciwdziałać przez regulację prędkości obrotowej wirnika;
możliwość regulacji wydajności wymiennika dzięki skokowej lub płynnej zmianie prędkości obrotowej wirnika, aż do „wyłączenia” regeneratora przy wyłączonym napędzie (rys. 10);
możliwość odzysku zarówno ciepła, jak i wilgoci.

Natomiast wadami tego wymiennika są:

konieczność ciągłego doprowadzania mocy do napędu wirnika (zwykle ok. 70 W);
brak szczelności, a zatem możliwość przenikania zapachów i zanieczyszczeń ze strumienia powietrza usuwanego z pomieszczenia do powietrza nawiewanego;
potencjalnie większe ryzyko awarii w porównaniu do rekuperatorów, z uwagi na występowanie części ruchomych.

Oprócz najpopularniejszych regeneratorów obrotowych, do odzysku ciepła w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych proponuje się także wymienniki regeneracyjne nieobrotowe, odznaczające się jeszcze wyższą sprawnością, którą producenci podają na poziomie od 85 do 95% [16,22]. Zasadniczymi elementami konstrukcyjnymi takiego regeneratora ciepła są dwa bloki akumulacyjne wykonane z profilowanych blach aluminiowych, zespół przepustnic powietrza wraz z mechanizmem napędowym oraz obudowa pokazane na rys. 11.

Zasada działania wymiennika polega na naprzemiennym przepływie strumieni powietrza wywiewanego i zewnętrznego przez oba bloki regeneratora. W tym czasie wypełnienie akumulacyjne jednego bloku odbiera ciepło od strumienia powietrza o wyższej temperaturze, a w drugiej części wymiennika następuje oddawanie zakumulowanego w poprzednim cyklu ciepła do strumienia powietrza o temperaturze niższej. Zmianie ulega również temperatura obu bloków regeneratora, wobec czego zachodzi konieczność cyklicznej zamiany strumieni powietrza. Odbywa się to dzięki przesterowaniu zespołu przepustnic. Typowy czas pomiędzy przełączeniami, zdeterminowany nastawą programatora, wynosi od 20 sekund [16] do 1 minuty [22].

Wymiennik typu rurka ciepła

Rurka ciepła (termosyfon, „heat pipe”), to w najprostszej postaci ustawiona pionowo, szczelnie zamknięta rurka, wypełniona płynem niskowrzącym w takiej ilości, że w warunkach roboczych częściowo znajduje się on w stanie ciekłym. Jeśli dolna część rurki będzie ogrzewana, a górna chłodzona (np. przepływającym powietrzem), to w dolnej strefie dojdzie do wrzenia cieczy, a w górnej do skraplania pary. Różnica gęstości obu faz jest przyczyną cyrkulacji płynu wewnątrz rurki i przenoszenia wraz z nim energii cieplnej od płynącego dołem strumienia powietrza o wyższej temperaturze do powietrza zimniejszego.

Ponieważ krążenie płynu w rurce ciepła wymusza siła grawitacji, to wymiennik ten musi pracować w pozycji pionowej, bądź ukośnej i w związku z tym może transportować ciepło tylko w jednym kierunku. Zatem, w przypadku układu do odzysku ciepła zimą za pomocą rurki ciepła, nie ma możliwości „odzysku chłodu” w okresie letnim.

Wady tej nie mają rurki ciepła z pokryciem kapilarno-porowatym na powierzchni wewnętrznej. Powrót cieczy do strefy odparowania następuje w niej nie pod wpływem grawitacji, lecz pod działaniem sił kapilarnych, w związku z czym wymiennik ten może pracować w pozycji poziomej i przenosić ciepło w obu kierunkach.

Rurki ciepła wykonuje się z aluminium lub z miedzi. W celu poprawy warunków wymiany ciepła, osadza się na nich aluminiowe lamele, a w przypadku rurek bez pokrycia porowatego, na powierzchni wewnętrznej nacina się niekiedy drobny gwint. Pojedyncze rurki ciepła zestawia się po kilka lub więcej sztuk we wspólnym bloku lamelowym, w jednym lub w kilku rzędach. Poszczególne termosyfony stanowią wtedy osobne elementy, albo proste odcinki jednej wężownicy. Na przykład, firma KLIMOR wykonuje wężownice o 4 do 12 odcinkach termosyfonowych f16×0,8 łączonych w bloku lamelowym w 4 lub 6 rzędów z rozstawem 30×30 mm [20]. Prawność odzysku ciepła w wymiennikach zbudowanych z rurek ciepła wynosi od ok. 50% do ponad 70% w przypadku dużej ilości rzędów termosyfonów [20,26]. Zapobieganie szronieniu, odszranianie i ewentualna regulacja wydajności układu odbywa się podobnie jak w przypadku wymiennika krzyżowo-płytowego – z wykorzystaniem kanału obejściowego („by-passu”).

Zaletami rurek ciepła jako elementów do odzysku ciepła w układach wentylacji i klimatyzacji są:

niezawodność wynikająca z braku części ruchomych;
brak konieczności doprowadzania energii napędowej (nie licząc przepustnic „by-passu”);
stosunkowo niska temperatura początku szronienia wymiennika (ok. -18°C);
łatwość czyszczenia bloku lamelowego;
możliwość wyeliminowania przecieków powietrza wywiewanego do strumienia powietrza nawiewanego.

Z kolei do wad można zaliczyć:

konieczność usytuowania kanału powietrza nawiewanego nad kanałem wywiewnym i jeden możliwy kierunek przekazywania ciepła w przypadku rurki ciepła pracującej w układzie grawitacyjnym;
konieczność usytuowania kanału nawiewnego i wywiewnego obok siebie w przypadku dwukierunkowego przekazywania ciepła za pomocą rurek ciepła z wewnętrznym pokryciem kapilarno-porowatym;
stosunkowo duży koszt wymiennika.

Układ z cieczą pośredniczącą

Układ odzysku ciepła z cieczą pośredniczącą jest zbudowany z dwóch wymienników ciepła, łączących je przewodów oraz pompy cyrkulacyjnej. Wymienniki ciepła mają formę lamelowanych wężownic, które z zewnątrz omywane są strumieniem powietrza, a wewnątrz ich rurek płynie nośnik ciepła, którym może być woda lub wodny roztwór glikolu – w przypadku niskiej temperatury powietrza nawiewanego i ryzyka zamarznięcia cieczy.

Jeden z wymienników umieszczony jest w kanale powietrza nawiewanego, a drugi w kanale powietrza usuwanego. Strumień powietrza o wyższej temperaturze przekazuje ciepło do cieczy pośredniczącej, która po przetłoczeniu do drugiego wymiennika oddaje to ciepło do strumienia powietrza o temperaturze niższej. Możliwy jest zatem odzysk ciepła w zimie oraz chłodzenie powietrza nawiewanego latem za pomocą tego samego układu.

Sprawność odzysku ciepła układów z cieczą pośredniczącą w typowych warunkach roboczych kształtuje się na poziomie ok. 50%. Wydajność układu można regulować za pomocą zaworu upustowego lub redukując wydatek pompy o zmiennej prędkości obrotowej. W ten sam sposób zapobiega się zaszronieniu wymiennika chłodzącego strumień powietrza zewnętrznego.

Pośród zalet układów odzysku ciepła z cieczą pośredniczącą należy wymienić:

brak przecieków powietrza wywiewanego do strumienia powietrza nawiewanego;
możliwość znacznego oddalenia kanału nawiewnego od wywiewnego;
stosunkowo niską temperaturę początku szronienia chłodnicy powietrza zewnętrznego.

Natomiast do wad należą:

konieczność ciągłego doprowadzania energii napędowej;
stosunkowo niska sprawność odzysku ciepła, która może jeszcze zostać obniżona na skutek strat ciepła podczas przepływu cieczy pośredniczącej przez przewody łączące oba bloki lamelowe;
stosunkowo duży koszt;
zagrożenie dla środowiska w przypadku wykorzystania w charakterze cieczy pośredniczącej substancji nie przeznaczonej do tego celu.

Pompa ciepła

Do odzysku ciepła w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych wykorzystuje się praktycznie tylko sprężarkowe pompy ciepła. Budowa i zasada działania tego urządzenia jest analogiczna, jak w przypadku sprężarkowego parowego urządzenia chłodniczego. Parownik i skraplacz zainstalowane są w kanałach powietrza wywiewanego i zewnętrznego, dzięki czemu następuje przekazywanie ciepła pomiędzy tymi strumieniami. Powietrze o wyższej temperaturze, omywające parownik jest chłodzone, a strumień o niższej temperaturze, płynący przez skraplacz jest ogrzewany, przy czym wydajność cieplna skraplacza jest wyższa od wydajności chłodniczej parownika o wartość mocy napędowej sprężarki.

Warto zauważyć, że w tym zastosowaniu pompa ciepła pracuje w nietypowej dla siebie konfiguracji, gdyż przekazuje ciepło z powietrza o wyższej temperaturze do strumienia o temperaturze niższej. Jest więc elementem intensyfikującym wymianę ciepła między powietrzem nawiewanym i usuwanym. W spotykanych warunkach pracy zapewnia ona sprawność odzysku ciepła powyżej 60%. Jej regulacja oraz przeciwdziałanie zaszronieniu parownika odbywa się poprzez redukcję wydajności chłodniczej metodami typowymi dla urządzeń chłodniczych (np. dzięki regulacji wydajności sprężarki).

Pośród zalet pomp ciepła na uwagę zasługują:

możliwość szczelnego odseparowania strumienia powietrza zewnętrznego i powietrza wywiewanego;
możliwość zmiany kierunku przekazywania ciepła – w przypadku urządzeń rewersyjnych;
skokowa lub ciągła regulacja wydajności – w zależności od przyjętych rozwiązań;
wydajność cieplna skraplacza powiększona w porównaniu do wydajności chłodniczej parownika o wartość mocy napędowej sprężarki.

Natomiast wady stanowią:

konieczność ciągłego doprowadzania energii napędowej;
wysoki koszt.

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] Joniec 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

Akty prawne i normatywne:

[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

Źródło: www.energiaibudynek.pl (05/09)