Od płytowego, przez rurkę ciepła, po regeneracyjny - ciekawostki odzyskiwania ciepła i teoretyczna analiza

Transkrypt

1 Od płytowego, przez rurkę ciepła, po regeneracyjny - ciekawostki odzyskiwania ciepła i teoretyczna analiza Wzrastajgce wymagania co do komfortu użytkowanych pomieszczeń wymuszają stały rozwój infrastruktury technicznej budynku służącej kształtowaniu odpowiedniego mikroklimatu. Często działania te są związane z koniecznością dostarczenia do obiektu znacznej ilości energii pierwotnej. Do jednych z najbardziej energochłonnych procesów w większych obiektach budowlanych zaliczyć możemy obróbkę powietrza wentylacyjnego. Ze względu na fakt, iż recyrkulacja powietrza, poza uzasadnionymi sytuacjami, nie może być stosowana jako sposób na zaoszczędzenie ciepła, konieczne stało się znalezienie skutecznych metod odzyskiwania ciepła z powietrza wentylacyjnego. Na rynku można zaobserwować wyraźny rozwój techniczny urządzeń właśnie do tego przeznaczonych. Bardzo dynamicznie rozwijającą się grupą są urządzenia do wentylacji i odzysku ciepła przeznaczone do domów jednorodzinnych. Zastosowanie wentylacji mechanicznej w budownictwie jednorodzinnym wciąż jest uznawane za luksus, jednak luksus na który coraz częściej decydują się inwestorzy w celu poprawienia komfortu w budynku. Jednak zastosowanie tego typu systemu podwyższa koszty eksploatacyjne obiektu. Użycie skutecznego i wysokosprawnego układu do odzyskiwania ciepła jest w stanie w znacznym stopniu koszty te obniżyć. Duża różnorodność urządzeń służących do odzyskiwania ciepła z instalacji wentylacyjnych daje możliwości dobrania systemu adekwatnie do możliwości technicznych ich zastosowania. Fot. 1 Centrala VG-400 z rekuperacyjnym krzyżowym wymiennikiem ciepła Recyrkulacja - jeśli tak to kiedy?

2 Już od wielu lat przestała być uznawana jako sposób na odzyskiwanie ciepła z powietrza wentylacyjnego. Wentylacja mechaniczna projektowana jest na podstawie obliczeń zapotrzebowania na powietrze zewnętrzne. Duże systemy w budynkach biurowych lub mieszkalnych dostarczają jedynie higieniczne jego ilości. Ponowne użycie powietrza usuwanego z pomieszczeń w znaczącym stopniu pogarsza jakość dostarczanego do obsługiwanych pomieszczeń. Jedynie w pewnych obiektach recyrkulacja jest właściwym sposobem na odzyskanie ciepła, np. podczas wentylacji hal sportowych, basenów, czy magazynów. Prawo polskie określa warunki w jakich możliwe jest zastosowanie recyrkulacji, jednak ze względów higienicznych nie jest to rozwiązanie, które jest w stanie zapewniæ najwyższy komfort obsługiwanych pomieszczeń. Wymiennik płytowy Ze względu na najlepszy stosunek ceny do sprawności jest to obecnie najpopularniejsze urządzenie do rekuperacji ciepła. Sprawność odzysku ciepła za pomocą tego wymiennika sięga nawet około 60-70%. Tabela 1 Objętości urządzeń do odzyskiwania ciepła odniesione do strumienia przepływającego ciepła Dzięki temu możliwe jest powszechne stosowanie wentylacji mechanicznej także w obiektach o niższym standardzie. Prosta konstrukcja wymiennika, brak ruchomych części oraz wysoka trwałość sprawiają, że urządzenie to jest często stosowane. Jednak wymiennik płytowy (zwany również rekuperacyjnym), ze względu na sposób odzyskiwania ciepła, ma szereg wad. Jedną z najistotniejszych jest duży stosunek objętości urządzenia do jednostkowego strumienia powietrza. Fakt ten powoduje, że centrale wentylacyjne wyposażone w wymienniki rekuperacyjne są większe od central wyposażonych w inne urządzenia do odzyskiwania ciepła. Zestawienie stosunków objętości urządzenia do jednostkowych objętości strumienia przepływającego powietrza przedstawiono w tabeli 1. Kolejną istotną wadą wymiennika płytowego jest wysoka temperatura zamarzania kondensującej wilgoci po stronie powietrza usuwanego. Zamarzająca wilgoć powoduje wzrost oporów przepływu powietrza, a w konsekwencji spadek strumienia, wzrost zużycia energii elektrycznej przez silniki wentylatorów i spadek sprawności odzyskiwania ciepła. W sytuacjach ekstremalnych może doprowadzić do całkowitego zamarznięcia i mechanicznego uszkodzenia wymiennika ciepła.

3 W celu przeciwdziałania powyższym zjawiskom stosuje się kilka metod pozwalających na ograniczenie niekorzystnego ich wpływu. Najczęściej stosowaną metodą jest zastosowanie przepustnicy obejściowej. Zamknięcie przepływu zimnego powietrza przez wymiennik i skierowanie go przez kanał obejściowy daje możliwość rozmrożenia urządzenia, usunięcia oblodzenia i odprowadzenia kondensatu. Po rozmrożeniu wymiennika możliwa jest ponowna praca w standardowych warunkach. Inną z metod jest stosowanie przesłony zamykającej kilka szczelin wymiennika po stronie powietrza zimnego. Ostatnią możliwością jest zastosowanie trybu recyrkulacji powietrza usuwanego, które jest kierowane ponownie na wymiennik ciepła od strony powietrza nawiewanego. Bardzo ciekawy jest fakt zastosowania do budowy wymienników materiałów innych niż aluminium. Na rynku znaleźć można wymienniki ciepła wykonane z polipropylenu. Zgodnie z deklaracjami producenta zapewniają one sprawność odzyskiwania ciepła niższą zaledwie o 2-3% w porównaniu z wymiennikami aluminiowymi. Do zalet wymiennika polipropylenowego należy zaliczyć trwałość, nieaktywność chemiczną na środki chlo-ropochodne, a także wysoką gładkość, co wpływa na łatwość utrzymania takiego urządzenia w czystości. Wymiennik z czynnikiem pośredniczącym Jako jedyny z omawianych wymienników ciepła daje możliwość rozdzielenia sekcji nawiewnej i wywiewnej układu wentylacji mechanicznej. Systemem, za pomocą którego możliwe jest odzyskiwanie ciepła z powietrza wentylacyjnego w sytuacji, gdy układy nawiewny i wywiewny wentylacji mechanicznej są rozdzielone jest także układ pompy ciepła. Nie jest on jednak ujęty w niniejszym artykule. Odległość w jakiej znaleźć się mogą sekcje nawiewna i wywiewna determinuje moc pompy służącej do tłoczenia czynnika pośredniczącego, którym najczęściej jest wodny roztwór glikolu, zapewniający stabilną pracę nawet w niskiej temperaturze powietrza zewnętrznego. Niestety wraz ze wzrostem odległości pomiędzy zespołami rosną również straty ciepła instalacji do transportu czynnika pośredniczącego, co powoduje obniżenie opłacalności zastosowania tego układu. Sprawność odzyskiwania ciepła systemu z czynnikiem pośredniczącym wynosi około 50%. Należy jednak pamiętać, że w niekorzystnych sytuacjach, tzn. dla stosunku strumienia powietrza nawiewanego do usuwanego znacząco różnego od jedności i niewłaściwej izolacji cieplnej rurociągów sprawność będzie dużo niższa. W okresach przejściowych, gdy nie jest konieczne odzyskiwanie pełnego strumienia ciepła wydajność systemu może być regulowana na dwa sposoby. Pierwszy z nich to zmiana strumienia czynnika pośredniczącego poprzez regulację wydajności pompy, bądź też jej dławienie. Drugim sposobem jest układ podmieszania realizowany za pomocą zaworu trójdrogowego. Zastosowanie wyżej wspomnianych układów ma jeszcze jedno istotne zadanie. Zabezpiecza część wywiewną instalacji wentylacyjnej przed zamarznięciem.

4 Fot. 2 Wymiennik ciepła z czynnikiem pośredniczącym Rurka ciepła Jest najczęściej stosowana w wentylacji mechanicznej i klimatyzacji hal basenów. Wynika to z faktu, iż rurka ciepła charakteryzuje się niską temperaturą szronienia, co jest szczególnie istotne w przypadku odzyskiwania ciepła z powietrza o podwyższonej wilgotności. Układy odzyskiwania ciepła bazujące na rurce ciepła charakteryzują się także dość wysoką sprawnością. Wymiennik taki przez niemal cały rok pracuje w pobliżu punktu swojej maksymalnej sprawności. Nie są potrzebne specjalne układy do odszraniania w niskiej temperaturze zewnętrznej, które powodują obniżenie średniego rocznego współczynnika sprawności. Jeśli konieczna jest regulacja strumienia odzyskiwanego ciepła stosuje się przepustnice obejściowe wymiennika (tzw. by-passy). Dzięki temu w momencie wystąpienia wysokich wewnętrznych zysków ciepła, powietrze wewnętrzne jest po prostu usuwane na zewnątrz. Rurka ciepła ma jednak jedną dość istotną wadę: konieczne jest zamontowanie zespołu wentylacyjnego powietrza usuwanego poniżej zespołu powietrza nawiewanego (cecha ta wynika wprost z zasady działania rurki ciepła). Obecnie rurka ciepła jest rzadko stosowana w układach wentylacji i klimatyzacji klasycznych pomieszczeń mieszkalnych i biurowych. Wymiennik rotacyjny Działa na zasadzie regeneracji masy akumulacyjnej obracającej się i przekazującej ciepło. Wymiennik rotacyjny, nazywany również regeneracyjnym cechuje się wyższą sprawnością odzyskiwania ciepła w porównaniu z opisywanymi wcześniej układami. Ma także istotną zaletę - możliwość odzyskania wilgoci zawartej w powietrzu usuwanym.

5 Fot. 4 Centrala wentylacyjna z rotacyjnym wymiennikiem ciepła typu VR400E Zjawisko odzyskiwania masy w wymiennikach akumulacyjnych wpływa pozytywnie na jakość powietrza wentylacyjnego w okresach zimowych, gdy zawartość (bezwzględna) wilgoci w powietrzu zewnętrznym jest niewielka. Dzięki temu możliwe jest utrzymanie wyższej wartości wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu niż w przypadku zastosowania wymienników rekuperacyjnych, czy wymienników z czynnikiem pośredniczącym. Rotacyjny wymiennik ciepła charakteryzuje także niższa temperatura szronienia, niż ww. wymienniki. Jeśli wystąpi niebezpieczeństwo szronienia zmniejszają się obroty rotora i następuje odszronienie wymiennika w strumieniu ciepłego powietrza wywiewanego. Również regulacja strumienia ciepła odzyskiwanego realizowana jest w ten sposób. Wymiennik rotacyjny jest drugim, po wymiennikach płytowych, najczęściej stosowanym urządzeniem do odzyskiwania ciepła w systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Rys. 1 Nieobrotowy wymiennik regeneracyjny Rys. 2 Tryb 1 -lądowanie wymiennika nr 1 i rozładowywanie wymiennika nr 2

6 Rys. 3 Tryb 1 - rozładowanie wymiennika nr 1 i ładowanie wymiennika nr 2 Układ z nieobrotowym wymiennikiem regeneracyjnym Nieobrotowy wymiennik regeneracyjny jest urządzeniem charakteryzującym się najwyższą sprawnością spośród urządzeń oferowanych na rynku. Według danych producentów sprawność ta wynosi nawet do 95% ciepła jawnego i do 80% ciepła utajonego. Jest ona zdecydowanie wyższa od sprawności wymiennika z masą obrotową, w którym masa akumulacyjna jest mniejsza. Masa wymiennika nieobrotowego charakteryzuje się również większą pojemnością cieplną, co wpływa na jakość wymiany ciepła. Schemat działania wymiennika z masą nieobrotową przedstawiony został na rys. 2 i 3. Jeśli zastosujemy tego typu wymiennik, w pewnych sytuacjach nagrzewnica powietrza w centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej może nie być potrzebna. Tabela 2 Roczne zużycie ciepła i koszty związane z podgrzaniem powietrza wentylacyjnego mgr inż. Zenon Spik Nr 2/2006 KONTAKT Polski Instalator Tel: Adres: al. KEN Warszawa