Rekuperácia tepla vo vetracích systémoch: princíp fungovania a varianty prevedenia

Počas vetrania sa z miestnosti odvádza nielen odpadový vzduch, ale aj časť tepelnej energie. V zime to vedie k zvýšeniu účtov za energiu.

Znížiť neopodstatnené náklady bez narušenia výmeny vzduchu umožní rekuperácia tepla vo ventilačných systémoch centralizovaného a lokálneho typu. Na regeneráciu tepelnej energie sa používajú rôzne typy výmenníkov tepla – rekuperátory.

V článku sú podrobne opísané modely zariadení, ich konštrukčné vlastnosti, princípy fungovania, výhody a nevýhody. Uvedené informácie pomôžu pri výbere optimálneho variantu na vybavenie ventilačného systému.

Pojem rekuperácie: princíp činnosti výmenníka tepla

V preklade z latinčiny rekuperácia znamená náhradu alebo spätné získanie. Pokiaľ ide o výmenné reakcie tepla, rekuperácia je charakterizovaná ako čiastočný návrat energie vynaloženej na vykonanie technologického úkonu s cieľom použitia v tom istom procese.

Vo ventilačnom systéme sa princíp rekuperácie používa na úsporu tepelnej energie.

Analogicky dochádza k rekuperácii chladenia v horúcom počasí – teplé prívodné hmoty ohrievajú odvádzaný „odpadový“ vzduch a ich teplota klesá.

Proces regenerácie energie sa uskutočňuje v rekuperačnom výmenníku tepla. Zariadenie zahŕňa prítomnosť teplovýmenného prvku a ventilátorov na prečerpávanie rôznosmerných prúdov vzduchu. Na riadenie procesu a kontrolu kvality prívodu vzduchu sa používa automatický systém.

Konštrukcia je navrhnutá tak, aby sa privádzané a odvádzané prúdy nachádzali v oddelených sekciách a nemiešali sa – využitie tepla prebieha cez steny výmenníka.

Rozobrať a pochopiť, čo je vetranie s rekuperáciou, pomôže názorná schéma cirkulácie vzduchu.

Cez odsávače vo vlhkých miestnostiach (toaleta, kúpeľňa, kuchyňa) dochádza k odtoku odpadového vzduchu. Skôr ako sa odstráni von, prechádza cez rekuperátor a zanecháva časť tepla. Privádzaný vzduch sa pohybuje v opačnom smere, ohrieva sa a vstupuje do obytných miestností (+)

Opodstatnenosť rekuperátora vo vetraní

O účelnosti zriadenia rekuperačného vetrania sa dá hovoriť po zhodnotení účinnosti systému a porovnaní jeho výhod s nevýhodami.

Z odpadového vzduchu odvádzaného von sa odoberá časť tepla a odovzdáva sa vháňaným čerstvým prúdom smerujúcim dovnútra miestnosti. To umožňuje znížiť tepelné straty až o 70% (+)

Potreba využitia rekuperácie tepla je najaktuálnejšia v budovách s núteným odvodom vzduchu. Spravidla ide o málo inerčné stavby postavené s použitím inovatívnych technológií tepelnej izolácie (domy zo sendvičových panelov, plynosilikátových dosiek, penových blokov).

V takýchto stavbách steny zle akumulujú teplo a prirodzená výmena vzduchu je málo účinná.

Avšak problémy s cirkuláciou vzduchu sú typické aj pre „tradičné“ stavby z tehly a betónu. Prítomnosť vzduchotesných tepelno-akustických izolačných PVC okien blokuje cirkuláciu s prirodzeným podnetom – prítok čerstvého vzduchu sa zastaví a ťah vo vetracom kanáli sa prevracia alebo sa blíži k nule.

Riešenie problému „eurookien“ – organizácia núteného vetrania. Systém obnovuje výmenu vzduchu, ale zároveň sa tepelné straty zvyšujú až o 60%. A tu sa už nezaobídeme bez tepelnej rekuperácie.

Účinnosť výmenného procesu sa vyjadruje v percentách a ukazuje množstvo spotrebovaného tepla z odpadového vzduchu na ohrev čerstvého „prívodného“ vzduchu.

Ukazovateľ účinnosti ventilačnej rekuperácie tepla:

• 0% – otvorené okno – teplý vzduch sa odvádza do atmosféry a studený sa dostáva dnu, čím znižuje teplotu v miestnosti;
• 100% – prívodný vzduch sa zohreje na teplotu „odpadového“ vzduchu – technicky nie je možné realizovať;
• 30-90% – prípustný parameter, za dobrú sa považuje rekuperácia s účinnosťou 60% a viac, účinnosť nad 80% – vynikajúca výmena tepla.

Účinnosť systému závisí od typu rekuperátora, rozmerov miestnosti a prietoku vzduchu. V každom prípade je použitie rekuperačného vetrania aj s účinnosťou 30% výhodnejšie ako jeho absencia. Okrem výraznej úspory energetických zdrojov „regenerácia“ tepla zlepšuje celkovú mikroklímu v miestnosti.

Nevýhody používania tepelného výmenníka:

1. Závislosť na energii. Nákup klimatizačného zariadenia je opodstatnený, ak spotreba elektrickej energie bude výrazne nižšia ako jej úspora po inštalácii rekuperátora.
2. Kondenzácia vlhkosti. V dôsledku rozdielu teplôt na stenách tepelného výmenníka môže dochádzať ku kondenzácii vlhkosti. V zime existuje riziko namŕzania, čo hrozí prudkým poklesom účinnosti alebo poruchou rekuperátora.
3. Hlučná prevádzka. Niektoré modely počas prevádzky vydávajú bzukot. Ak je cez deň táto nevýhoda menej citeľná, v noci hluk spôsobuje nepohodlie. Rekuperátory so zlepšenou izoláciou pracujú ticho.

Vysoké počiatočné investície sa často stávajú hlavným argumentom proti energeticky efektívnemu vetraniu.

Je výhodné investovať peniaze do systému, ktorý sa zaplatí do 5-8 rokov. Treba vziať do úvahy, že na údržbu komplexu bude potrebné vynaložiť dodatočné náklady, napríklad periodická výmena ventilátorov.

Vlastnosti rôznych typov výmenníkov tepla

Konštrukcia rekuperátora určuje schému pohybu teplonosného média, účinnosť ventilačného systému, triedu energetickej spotreby a cenu zariadenia. Používa sa päť variantov výmenníkov tepla: doskový, rotačný, tepelné trubice, komorové zariadenia a modely s medziproduktovým teplonosným médiom.

Doskový rekuperátor – jednoduchosť konštrukcie

Základom výmenníka tepla je hermetická komora s množstvom paralelných vzduchovodov. Kanály sú oddelené prepážkami – teplovodivými platňami vyrobenými z ocele alebo hliníka.

Vlnité platne (60 – 70 ks) sú zoskupené v jednom bloku tak, aby vytvorené kanály boli navzájom krížovo usporiadané – vytvorená turbulencia zlepšuje prenos tepla (+)

Prúdy plynov sa pohybujú oproti sebe, pretínajú sa v kazete rekuperátora, ale nemiešajú sa. K tepelnej výmene dochádza súčasným ochladzovaním a ohrievaním platní z rôznych strán.

Výhody krížového výmenníka tepla:

• jednoduchosť montáže a nastavenia zariadenia;
• vylúčenie kontaktu vzduchových hmôt;
• dostupná cena a kompaktné rozmery;
• neprítomnosť trecích a pohyblivých častí.

Ukazovateľ účinnosti sa pohybuje v rozmedzí 40 – 70 %.

Hlavnou nevýhodou doskového modelu je usadzovanie kondenzátu v odvodnom kanáli a tvorba námrazy v zime. Na rozmrazenie agregátu je prichádzajúci prúd presmerovaný mimo výmenníka tepla a teplý odchádzajúci prúd roztápa ľad na platniach.

V režime «rozmrazovania» k úspore energie nedochádza, na ohrev prichádzajúceho vzduchu sa používajú kalorifery s výkonom do 5 kW. Priemerná hodnota účinnosti klesá o 20 % (+)

Možné sú dve cesty riešenia problému:

1. Predbežný ohrev prichádzajúceho prúdu vzduchu na teplotu, pri ktorej je tvorba námrazy vylúčená.
2. Rekuperátor s platňami z hygroskopickej celulózy. Materiál absorbuje vlhkosť z odpadového vzduchu a odovzdáva ju novo prichádzajúcim prúdom.

Pri výbere krížového výmenníka tepla je potrebné zohľadniť prevádzkové vlastnosti platní.

Ich vlastnosti závisia od materiálu výroby:

1. Hliníková fólia – dostupná cena, ale obmedzený výkon v zime. Okrem toho sa neodporúča pre obytné priestory kvôli vysúšaniu vzduchu. Modifikácie s hliníkovou «náplňou» – optimálna možnosť pre sauny a bazény.
2. Plastové priečky – cenovo sú podobné kovovým výrobkom, ale líšia sa zlepšenou účinnosťou prevádzky.
3. Celulózový výmenník tepla – bránia zamŕzaniu a udržiavajú normálnu vlhkosť v interiéri.

Hygrocelulózový rekuperátor je najúspornejší a optimálny pre vetranie obytných budov.

Rotorový rekuperátor – vysoká účinnosť systému

Teplovýmenník je prezentovaný vo forme valca naplneného vrstvami vlnitého kovu. Počas otáčania bubnovej jednotky do každého oddelenia postupne vstupujú teplé alebo studené prúdy vzduchu.

Konštrukcia rotorového rekuperátora: hriadeľ otáčania a dva vzduchové kanály. Jedna časť rotora sa ohrieva „odpadovým“ vzduchom, bubon sa otáča a teplo sa presmeruje studeným masám sústredeným v susednom kanáli (+)

Účinnosť prenosu tepla je určená rýchlosťou otáčania rotora, účinnosť práce je možné regulovať.

Argumenty „za“ rotorový rekuperátor:

• návrat tepla až 65-90%;
• hospodárnosť spotreby elektrickej energie;
• čiastočná náhrada vlhkosti – možno sa zaobísť bez zvlhčovača;
• doba návratnosti – až 4 roky.

Napriek vysokej účinnosti sa teplovýmenník bubnového typu nestal lídrom medzi podobnými zariadeniami.

Nevýhody ventilačného systému:

1. Primiešavanie znečisteného vzduchu do prívodu. Cez mikrokanály postupne cirkulujú odsávacie a prívodné masy, preto sa asi 3-8% „odpadového“ vzduchu vracia späť. Bubon často prenáša zápach odchádzajúceho vzduchu.
2. Zložitosť konštrukcie. Otočné časti rotora potrebujú pravidelnú údržbu a periodickú výmenu. Pohybujúce sa prvky počas práce vydávajú hluk a vibrácie.
3. Vysoká cena. Cena rotorových modelov je vyššia ako cena doskových výrobkov. Je to spôsobené použitím zložitej mechaniky v konštrukcii bubnového teplovýmenníka.
4. Veľké rozmery. Montáž sa vykonáva v priestrannej vetracej komore.

Kvôli rozmernosti sa rotorové zariadenia používajú prevažne v priemyselných podnikoch.

Pre minimalizáciu miešania prúdov vzduchu sú rotorové rekuperátory doplnené medziľahlými sektormi – tu sú mikrokanály prefukované čerstvým vzduchom, ktorý prúdi späť do odsávania. Nevýhoda schémy – zníženie účinnosti (+).

Prepojené výmenníky tepla – glykolový model

Rekuperačné zariadenie s medziľahlým teplonosným médiom sa kvôli konštrukčným vlastnostiam často nazýva prepojené teplovýmenníky alebo glykolový agregát. Je to jeden z najflexibilnejších systémov využitia tepla. Jeden teplovýmenník je vložený do prívodného kanála a druhý do odsávacieho.

V schéme zapojenia sú prítomné: obehové čerpadlo, expanzná nádoba, vzduchový ventil, regulátor, teplotný senzor, poistný ventil, indikátor tlaku (+).

Princíp činnosti. Glykolová zmes cirkuluje medzi výmenníkmi tepla. Teplota nosiča tepla stúpa vďaka ohriatemu odvádzanému prúdu a potom sa tepelná energia odovzdáva čerstvému vzduchu. Uzavretý systém vylučuje miešanie protiidúcich vzdušných más.

Vlastnosti činnosti výmenníkov tepla s nosičom tepla:

• Účinnosť – 45-55%;
• Regulácia účinnosti pomocou čerpadla – volí sa rýchlosť pohybu nemrznúcej zmesi;
• Možnosť umiestnenia prívodných a odvodných vzduchovodov vzdialene od seba (až 800 m);
• Montáž rekuperátora sa vykonáva vertikálne alebo horizontálne;
• Pri silnom mraze povrch odvodného výmenníka tepla zamŕza – vytvára sa ľad; použitie nemrznúcej zmesi umožňuje prevádzkovať rekuperátor bez potreby odmrazovania;
• Doba návratnosti systému – až 2 roky;
• Je prípustná kombinácia 1 odvodu a niekoľkých prívodov alebo naopak.

Objem odvádzaného a privádzaného vzduchu by mal byť približne rovnaký. Takéto rekuperátory sa zvyčajne používajú, ak je prívod toxický alebo silne znečistený, keď je miešanie prúdov neprípustné.

Komorový uzol – univerzálnosť použitia

Konštrukčne je komorový výmenník tepla uzavretá skriňa rozdelená vo vnútri pohyblivou klapkou. Otváracia prepážka určuje schému činnosti rekuperátora.

Odvod prechádza pozdĺž jedného kanála a prívod vstupuje do druhej komory. Vo výmenníku tepla ohrievajú teplé hmoty steny prvého oddelenia. Po čase sa klapka presunie a prúd vzduchu zmení smer.

V dôsledku toho sa prívod pohybuje pozdĺž teplých stien prvého vzduchovodu a „odvádzaný vzduch“ ohrieva povrch druhej komory. V určitom okamihu sa prepážka vráti späť a cyklus sa opakuje.

Výhody komorového výmenníka tepla:

• Účinnosť – 80-90%;
• V tandeme s kvalitnou tepelnou izoláciou sa náklady na kúrenie minimalizujú;
• Jednoduchosť montáže – pomoc odborníkov bude potrebná pri výbere parametrov vetracej jednotky;
• Zachovanie úrovne vlhkosti;
• Je vylúčené zamŕzanie systému.

Komorový rekuperátor je výbornou voľbou pre regióny, kde počas roka dlhé obdobie dochádza k výraznej nerovnováhe medzi teplotou v interiéri a vonku.

K nevýhodám jednotky regenerácie tepla patria:

• Potreba pravidelnej údržby pohyblivých častí;
• Protiidúce prúdy vzduchu sa čiastočne miešajú – pachy a nečistoty sa môžu vracať späť do budovy.

Na zníženie primiešavania je systém vybavený filtračným prvkom. Vzduch sa stáva čistejším, ale účinnosť rekuperátora klesá.

Tepelné trubice – uzavretý systém výmeny tepla

Rekuperátor pozostáva z množstva medených alebo hliníkových trubíc naplnených ľahko sa odparujúcou látkou, napríklad freónom. Princíp fungovania rúrkového výmenníka tepla je založený na fyzikálnych procesoch – zmene skupenstva látky pri zahrievaní.

Termotrubica je umiestnená vertikálne – dolný koniec výmenníka tepla v odvodnom kanáli a horný v prívodnom vzduchovode. Odchádzajúce prúdy obchádzajú koniec trubice – freón sa zahrieva, vrie a vyparuje (+)

Plyn stúpa a odovzdáva tepelnú energiu prívodu, potom sa freón kondenzuje a steká dole rekuperátorom. Termický cyklus sa opakuje dokola.

Technicko-prevádzkové charakteristiky rúrkového výmenníka tepla:

• účinnosť zariadenia – do 65%;
• tichá prevádzka vďaka absencii pohyblivých častí;
• jednoduchosť konštrukcie a nenáročnosť na údržbu;
• kompaktnosť – malé rozmery a nízka hmotnosť;
• energetická nezávislosť – teplonosné médium cirkuluje prirodzenou cestou;

Významnou výhodou je, že prúdy vzduchu z prívodu a odvodu sa nemiešajú.

Slabé stránky tepelných trubíc:

• vysoká úroveň účinnosti sa dosahuje v úzkom teplotnom rozsahu – pri prudkom prehriatí sa všetok freón vyparí a pri nedostatočnom zahriatí sa intenzita vyparovania spomalí;
• nízka pevnosť trubíc – zmena tvaru alebo strata tesnosti znižuje funkčnosť zariadenia.

Rúrkové rekuperátory sa používajú v súkromnej výstavbe, v administratívnych, kancelárskych budovách a malých priemyselných priestoroch.

Spôsoby organizácie rekuperačného vetrania

Rekuperácia sa zriaďuje jedným zo spôsobov: centrálne a decentralizovane. V prvom prípade prechádzajú vetracie prúdy z celého priestoru cez výmenník tepla, v druhom – z jednej miestnosti.

Centralizovaný komplex – prívodno-odvodná jednotka

Centrálny systém sa zriaďuje vo fáze výstavby alebo komplexnej modernizácie vetracieho systému.

Vyberá sa nútená prívodno-odvodná jednotka (POU) so zabudovaným rekuperátorom. Hlavným kritériom výberu je celkový výkon komplexu vypočítaný na celý objem vzduchu v stavbe (+)

POU s rekuperátorom zabezpečuje dostatočnú výmenu vzduchu aj v domoch s tesnými oknami. Pričom prúdy vzduchu sa rozdeľujú rovnomerne, bez vytvárania prievanu.

Komplexné prívodno-odvodné jednotky monoblokového typu sú vybavené:

• ventilátormi – nepretržitý prívod čistého vzduchu a odvod prúdov nasýtených oxidom uhličitým;
• ohrievačmi – predohrev prívodu;
• filtrami – zachytávajú prach a mikročastice;
• rekuperátorom – môžu sa použiť rôzne typy zariadení.

Funkcionalita niektorých POU je rozšírená o časovač oneskorenej prevádzky, regulátor výkonu, snímače vlhkosti atď.

Telo monoblokových modelov je pokryté materiálom pohlcujúcim hluk, vďaka čomu je činnosť vetracej jednotky veľmi tichá. Možné sú vertikálne, horizontálne a závesné varianty prevedenia vetracích jednotiek.

Dobre sa osvedčili rekuperačné monoblokové vetracie jednotky od výrobcov: «Vents» (Ukrajina), Dantherm (Dánsko), «Daikin» (Japonsko), «Dantex» (Anglicko).

Lokálne zariadenia – doplnenie k existujúcemu ventilačnému systému

Na obnovenie cirkulácie vzduchových más v prevádzkovanej miestnosti sú vhodné decentralizované prívodné jednotky s rekuperáciou tepla.

Zarezávajú sa do fasády budovy alebo sa montujú cez okno. Ich hlavnou úlohou je zlepšenie prívodného vetrania v dome.

V lokálnych rekuperátoroch je zabudovaný ventilátor a doskový výmenník tepla. «Rukáv» prívodnej jednotky je izolovaný materiálom pohlcujúcim hluk. Riadiaca jednotka kompaktných vetracích jednotiek je umiestnená na vnútornej stene.

Vlastnosti decentralizovaných vetracích systémov s rekuperáciou:

• Účinnosť – 60-96%;
• nízky výkon – zariadenia sú navrhnuté na zabezpečenie výmeny vzduchu v miestnostiach do 20-35 m²;
• dostupná cena a široký výber jednotiek, od bežných nástenných ventilov až po automatizované modely s viacstupňovým filtračným systémom a možnosťou regulácie vlhkosti;
• jednoduchá montáž – na uvedenie do prevádzky nie je potrebné kladenie vzduchovodov, nainštalovať nástenný ventil je možné samostatne.

Populárni výrobcovia lokálnych rekuperátorov: Prana (Ukrajina), O.Erre (Taliansko), Blizzard (Nemecko), Vents (Ukrajina), Aerovital (Nemecko).

Dôležité kritériá výberu nástenného prívodníka: prípustná hrúbka steny, výkon, účinnosť rekuperátora, priemer vzduchového kanála a teplota prepravovaného média.

Závery a užitočné video k téme

Porovnanie činnosti prirodzeného vetrania a núteného systému s rekuperáciou:

Princíp fungovania centralizovaného rekuperátora, výpočet účinnosti:

Zariadenie a postup práce decentralizovaného výmenníka tepla na príklade nástenného ventilu Prana:

Cez vetraciu sústavu z miestnosti odchádza približne 25-35% tepla. Na zníženie strát a efektívne využitie tepla sa používajú rekuperátory. Klimatizačné zariadenie umožňuje využiť energiu odpadových más na ohrev prichádzajúceho vzduchu.

Máte čo doplniť, alebo máte otázky týkajúce sa fungovania rôznych ventilačných rekuperátorov? Zanechajte, prosím, komentáre k príspevku, podeľte sa o skúsenosti s prevádzkou takýchto zariadení. Kontaktný formulár sa nachádza v spodnom bloku.