Prívodno-odvodná ventilácia s rekuperáciou tepla: princíp činnosti, prehľad výhod a nevýhod

Prívod čerstvého vzduchu v chladnom období vedie k potrebe jeho ohrevu na zabezpečenie správnej mikroklímy miestností. Na minimalizáciu nákladov na elektrickú energiu je možné použiť prívodno-odvodné vetranie s rekuperáciou tepla.

Pochopenie princípov jej fungovania umožní čo najefektívnejšie znížiť tepelné straty pri zachovaní dostatočného objemu nahradzovaného vzduchu. Pokúsme sa pochopiť túto otázku.

Energetická úspora v systémoch vetrania

V jesenno-jarnom období pri vetraní miestností je vážnym problémom veľký rozdiel teplôt prichádzajúceho a vnútorného vzduchu. Studený prúd sa rúti nadol a vytvára nepriaznivú mikroklímu v obytných domoch, kanceláriách a vo výrobe alebo neprípustný vertikálny gradient teploty v sklade.

Rozšíreným riešením problému je integrácia kaloriféra do prívodného vetrania, pomocou ktorého dochádza k ohrevu prúdu. Takýto systém vyžaduje náklady na elektrickú energiu, zatiaľ čo značný objem vychádzajúceho teplého vzduchu vedie k značným tepelným stratám.

Výstup vzduchu von s intenzívnou parou slúži ako indikátor značných tepelných strát, ktoré možno využiť na ohrev prichádzajúceho prúdu

Ak sú kanály prívodu a odvodu vzduchu umiestnené vedľa seba, je možné čiastočne preniesť teplo vychádzajúceho prúdu na prichádzajúci. To umožní znížiť spotrebu elektrickej energie kaloriférom alebo sa ho úplne vzdať. Zariadenie na zabezpečenie výmeny tepla medzi rôznymi teplotnými prúdmi plynov sa nazýva rekuperátor.

V teplom období, keď teplota vonkajšieho vzduchu výrazne presahuje izbovú, je možné použiť rekuperátor na ochladenie prichádzajúceho prúdu.

Zariadenie jednotky s rekuperátorom

Vnútorné zariadenie systémov prívodno-odvodného vetrania s integrovaným rekuperátorom je pomerne jednoduché, preto je možný ich samostatný nákup a inštalácia po jednotlivých prvkoch. V prípade, že montáž alebo samostatná inštalácia spôsobuje ťažkosti, je možné zakúpiť hotové riešenia vo forme typových monoblokových alebo individuálnych montážnych konštrukcií na objednávku.

Typická schéma zariadenia prívodno-odvodného vetracieho systému s rekuperátorom umiestneným v jednom telese môže byť doplnená o ďalšie uzly podľa uváženia používateľa

Základné prvky a ich parametre

Teleso s tepelnou a zvukovou izoláciou je zvyčajne vyrobené z plechu. V prípade montáže na stenu musí odolávať tlaku, ktorý vzniká pri penení štrbín okolo bloku, a tiež nesmie pripúšťať vibrácie od prevádzky ventilátorov.

V prípade rozptýleného odberu a prívodu vzduchu do rôznych miestností sa k telese pripája systém vzduchovodov. Je vybavený ventilmi a klapkami na distribúciu prúdenia.

Pri absencii vzduchovodov sa na prívodný otvor zo strany miestnosti inštaluje mriežka alebo difúzor na distribúciu prúdenia vzduchu. Na prívodný otvor zo strany ulice sa montuje vonkajšia nasávacia mriežka, aby sa zabránilo vniknutiu vtákov, veľkého hmyzu a nečistôt do vetracieho systému.

Pohyb vzduchu zabezpečujú dva ventilátory osového alebo radiálneho typu. Pri prítomnosti rekuperátora nie je prirodzená cirkulácia vzduchu v dostatočnom objeme možná z dôvodu aerodynamického odporu vytvoreného týmto uzlom.

Prítomnosť rekuperátora vyžaduje inštaláciu filtrov jemného čistenia na vstupe oboch prúdov. Je to potrebné na zníženie intenzity zanášania jemných kanálov výmenníka tepla prachom a mastnými usadeninami. V opačnom prípade by sa na plnohodnotné fungovanie systému musela zvýšiť frekvencia preventívnych údržieb.

Filtre jemného čistenia je potrebné pravidelne meniť alebo čistiť. V opačnom prípade zvýšený odpor prúdeniu vzduchu spôsobí poruchu ventilátorov.

Jeden alebo niekoľko rekuperátorov zaberá hlavný objem prívodno-odvodného zariadenia. Montujú sa do stredu konštrukcie.

V prípade silných mrazov typických pre dané územie a nedostatočnej účinnosti rekuperátora na ohrev vonkajšieho vzduchu je možné dodatočne nainštalovať ohrievač. Podľa potreby sa tiež montuje zvlhčovač, ionizátor a ďalšie zariadenia na vytvorenie priaznivej mikroklímy v miestnosti.

Moderné modely zahŕňajú elektronickú riadiacu jednotku. Zložité modifikácie majú funkcie programovania prevádzkových režimov v závislosti od fyzikálnych parametrov vzdušného prostredia. Vonkajšie panely majú atraktívny vzhľad, vďaka čomu môžu byť dobre začlenené do akéhokoľvek interiéru miestnosti.

Riešenie problému vzniku kondenzátu

Ochladzovanie vzduchu prichádzajúceho z miestnosti vytvára predpoklady na uvoľnenie vlhkosti a tvorbu kondenzátu. V prípade vysokej rýchlosti prúdenia sa väčšia časť nestihne nahromadiť v rekuperátore a uniká von. Pri pomalom pohybe vzduchu zostáva značná časť vody vo vnútri zariadenia. Preto je potrebné zabezpečiť zachytávanie vlhkosti a jej odvod mimo telesa prívodno-odvádzacieho systému.

Základným zariadením na zachytávanie a odvod kondenzátu je podnos umiestnený pod rekuperátorom so sklonom smerom k odtokovému otvoru

Odvod vlhkosti sa vykonáva do uzavretej nádoby. Umiestňuje sa len vnútri miestnosti, aby sa zabránilo zamrznutiu odtokových kanálov pri mínusových teplotách. Neexistuje spoľahlivý algoritmus na výpočet objemu získanej vody pri používaní systémov s rekuperátorom, preto sa určuje experimentálne.

Opätovné použitie kondenzátu na zvlhčovanie vzduchu je nežiaduce, pretože voda absorbuje mnoho znečisťujúcich látok, ako je ľudský pot, pachy atď.

Výrazne znížiť objem kondenzátu a vyhnúť sa problémom spojeným s jeho vznikom možno vytvorením samostatného odsávacieho systému z kúpeľne a kuchyne. Práve v týchto miestnostiach má vzduch najvyššiu vlhkosť. Pri viacerých odsávacích systémoch je potrebné obmedziť výmenu vzduchu medzi technickou a obytnou zónou pomocou inštalácie spätných klapiek.

V prípade ochladenia vystupujúceho prúdu vzduchu na mínusové teploty dochádza v rekuperátore k premene kondenzátu na ľad, čo spôsobuje zmenšenie priechodného prierezu prúdu a v dôsledku toho – zníženie objemu alebo úplné zastavenie vetrania.

Na pravidelné alebo jednorazové rozmrazovanie rekuperátora sa inštaluje bypass – obtokový kanál pre pohyb privádzaného vzduchu. Pri presmerovaní prúdu mimo zariadenia dôjde k zastaveniu prenosu tepla, ohrevu výmenníka tepla a premene ľadu na kvapalné skupenstvo. Voda steká do nádoby na zachytávanie kondenzátu alebo sa odparuje von.

Princíp konštrukcie bypassu je jednoduchý, preto je pri riziku tvorby ľadu vhodné takéto riešenie predvídať, pretože rozmrazovanie rekuperátora inými spôsobmi je zložité a zdĺhavé.

Pri prechode prúdu cez bypass nedochádza k ohrevu privádzaného vzduchu pomocou rekuperátora. Preto je pri aktivácii tohto režimu potrebné automatické zapnutie ohrievača.

Vlastnosti rôznych typov rekuperátorov

Existuje niekoľko konštrukčne odlišných variantov realizácie výmeny tepla medzi studeným a ohriatym prúdom vzduchu. Každý z nich má svoje charakteristické vlastnosti, ktoré určujú hlavné určenie pre každý typ rekuperátora.

Doskový krížový rekuperátor

Základom konštrukcie doskového rekuperátora sú tenkostenné panely, spojené striedavo tak, aby sa medzi nimi striedali prúdy rôznych teplôt pod uhlom 90 stupňov. Jednou z modifikácií tohto modelu je zariadenie s rebrovanými kanálmi na prechod vzduchu. Má vyšší koeficient prenosu tepla.

Striedavý prechod teplého a studeného prúdu vzduchu cez platne sa realizuje ohnutím okrajov platní a utesnením spojov polyesterovou živicou.

Teplovýmenné panely môžu byť vyrobené z rôznych materiálov:

• meď, mosadz a zliatiny na báze hliníka majú dobrú tepelnú vodivosť a nie sú náchylné na hrdzu;
• plast z polymérneho hydrofóbneho materiálu s vysokým koeficientom tepelnej vodivosti má nízku hmotnosť;
• hygroskopická celulóza umožňuje kondenzátu prenikať cez platňu a vracať sa späť do miestnosti.

Nevýhodou je možnosť tvorby kondenzátu pri nízkych teplotách. Kvôli malej vzdialenosti medzi platňami vlhkosť alebo námraza výrazne zvyšujú aerodynamický odpor. V prípade zamrznutia je potrebné uzavrieť prichádzajúci prúd vzduchu na odmrazenie platní.

Výhody doskových rekuperátorov sú nasledovné:

• nízka cena;
• dlhá životnosť;
• dlhý interval medzi preventívnou údržbou a jednoduchosť jej vykonania;
• malé rozmery a hmotnosť.

Tento typ rekuperátora je najrozšírenejší pre obytné a kancelárske priestory. Používa sa aj v niektorých technologických procesoch, napríklad na optimalizáciu spaľovania paliva pri prevádzke pecí.

Bubnový alebo rotačný typ

Princíp činnosti rotačného rekuperátora je založený na otáčaní teplovýmenníka, vo vnútri ktorého sú vrstvy zvlneného kovu s vysokou tepelnou kapacitou. V dôsledku interakcie s odchádzajúcim prúdom dochádza k ohrevu sektora bubna, ktorý následne odovzdáva teplo prichádzajúcemu vzduchu.

Teplovýmenník s jemnými okami rotačného rekuperátora je náchylný na upchávanie, preto je potrebné venovať osobitnú pozornosť kvalitnej práci filtrov jemného čistenia.

Výhody rotačných rekuperátorov sú nasledovné:

• pomerne vysoká účinnosť v porovnaní s konkurenčnými typmi;
• návrat veľkého množstva vlhkosti, ktorá vo forme kondenzátu zostáva na bubne a odparuje sa pri kontakte s prichádzajúcim suchým vzduchom.

Tento typ rekuperátora sa používa menej často pre obytné budovy pri bytovej alebo chatovej ventilácii. Často sa používa vo veľkých kotolniach na návrat tepla k peciam alebo pre rozsiahle priestory priemyselného alebo obchodno-zábavného účelu.

Avšak tento typ zariadení má podstatné nedostatky:

• pomerne zložitá konštrukcia s prítomnosťou pohyblivých častí, zahŕňajúca elektromotor, bubon a remeňový pohon, čo vyžaduje neustálu údržbu;
• zvýšená hladina hluku.

Niekedy pre zariadenia tohto typu možno stretnúť termín “regeneratívny výmenník tepla”, čo je správnejšie ako “rekuperátor”. Ide o to, že nepatrná časť vychádzajúceho vzduchu sa vracia späť kvôli nedostatočnému priliehaniu bubna k telesu konštrukcie.

To kladie ďalšie obmedzenia na možnosť používania zariadení tohto typu. Napríklad ako teplonosné médium nemožno použiť znečistený vzduch z vykurovacích pecí.

Systém založený na rúrkach a plášti

Rekuperátor rúrkového typu pozostáva zo systému tenkostenných rúrok malého priemeru umiestnených v zateplenom plášti, cez ktoré dochádza k prítoku vonkajšieho vzduchu. Cez plášť sa odvádza teplá vzduchová hmota z miestnosti, ktorá ohrieva vstupujúci prúd.

Odvod teplého vzduchu je potrebné uskutočňovať práve cez plášť, a nie cez systém rúrok, pretože odstrániť kondenzát z nich nie je možné.

Hlavné výhody rúrkových rekuperátorov sú nasledovné:

• vysoká účinnosť vďaka protiprúdnemu princípu pohybu teplonosného média a privádzaného vzduchu;
• jednoduchosť konštrukcie a absencia pohyblivých častí zabezpečuje nízku hladinu hluku a zriedkavo vznikajúcu potrebu údržby;
• dlhá životnosť;
• najmenší prierez spomedzi všetkých typov rekuperačných zariadení.

Rúrky pre zariadenie tohto typu sú buď kovové z ľahkých zliatin, alebo, čo je zriedkavejšie, polymérové. Tieto materiály nie sú hygroskopické, preto pri výraznom rozdiele teplôt prúdov môže dôjsť k vzniku intenzívneho kondenzátu v plášti, čo si vyžaduje konštrukčné riešenie na jeho odstránenie. Ďalším nedostatkom je to, že kovová náplň má značnú hmotnosť, napriek malým rozmerom.

Jednoduchosť konštrukcie rúrkového rekuperátora robí tento typ zariadení populárnym pre vlastnú výrobu. Ako vonkajší plášť sa zvyčajne používajú plastové rúry pre vzduchovody, zateplené polyuretánovou škrupinou.

Zariadenie s medziľahlým teplonosným médiom

Niekedy sú prívodné a odsávacie vzduchovody umiestnené v určitej vzdialenosti od seba. Takáto situácia môže nastať z dôvodu technologických osobitostí budovy alebo hygienických požiadaviek na spoľahlivé oddelenie prúdov vzduchu.

V tomto prípade sa používa prechodné teplonosné médium, cirkulujúce medzi vzduchovodmi cez izolované potrubie. Ako médium na prenos tepelnej energie sa používa voda alebo voda-glykolový roztok, ktorého cirkuláciu zabezpečuje činnosť tepelného čerpadla.

Rekuperátor s prechodným teplonosným médiom je objemné a drahé zariadenie, ktorého použitie je ekonomicky opodstatnené pre priestory s veľkými plochami.

V prípade, že existuje možnosť použiť iný typ rekuperátora, je lepšie nepoužívať systém s prechodným teplonosným médiom, pretože má nasledujúce podstatné nevýhody:

• nízka účinnosť v porovnaní s inými typmi zariadení, preto sa pre malé miestnosti s malým prietokom vzduchu takéto zariadenia nepoužívajú;
• značný objem a hmotnosť celého systému;
• potreba dodatočného elektrického čerpadla na cirkuláciu kvapaliny;
• zvýšený hluk z prevádzky čerpadla.

Existuje modifikácia tohto systému, keď sa namiesto nútenej cirkulácie teplonosnej kvapaliny používa médium s nízkym bodom varu, napríklad freón. V tomto prípade je pohyb v okruhu možný prirodzeným spôsobom, ale iba vtedy, ak je prívodný vzduchovod umiestnený nad odvodným.

Takýto systém nevyžaduje dodatočné náklady na elektrickú energiu, ale funguje na vykurovanie len pri výraznom teplotnom rozdiele. Okrem toho je potrebné presné nastavenie bodu zmeny skupenstva teplonosnej kvapaliny, ktoré možno dosiahnuť vytvorením potrebného tlaku alebo určitého chemického zloženia.

Základné technické parametre

So znalosťou požadovaného výkonu ventilačného systému a účinnosti výmeny tepla rekuperátora je ľahké vypočítať úsporu na ohreve vzduchu pre miestnosť v konkrétnych klimatických podmienkach. Porovnaním potenciálneho prínosu s nákladmi na nákup a údržbu systému je možné odôvodnene urobiť výber v prospech rekuperátora alebo štandardného ohrievača.

Výrobcovia zariadení často ponúkajú modelový rad, v ktorom sa ventilačné bloky s podobnou funkcionalitou líšia objemom výmeny vzduchu. Pre obytné miestnosti je potrebné tento parameter vypočítať podľa tabuľky 9.1. SP 54.13330.2016

Účinnosť

Pod koeficientom užitočného pôsobenia rekuperátora sa rozumie účinnosť prenosu tepla, ktorá sa vypočíta podľa nasledujúceho vzorca:

K = (T_p – T_n) / (T_v – T_n)

V ktorom:

• T_p – teplota prívodného vzduchu do miestnosti;
• T_n – teplota vonkajšieho vzduchu;
• T_v – teplota vzduchu v miestnosti.

Maximálna hodnota účinnosti pri štandardnej rýchlosti prúdenia vzduchu a určitom teplotnom režime je uvedená v technickej dokumentácii zariadenia. Jeho skutočná hodnota bude o niečo nižšia.

V prípade samostatnej výroby doskového alebo rúrkového rekuperátora je na dosiahnutie maximálnej účinnosti prenosu tepla potrebné dodržiavať nasledujúce pravidlá:

• Najlepší prenos tepla zabezpečujú protiprúdové zariadenia, potom krížoprúdové a najmenší – s jednosmerným pohybom oboch prúdov.
• Intenzita prenosu tepla závisí od materiálu a hrúbky stien oddeľujúcich prúdy, ako aj od doby zotrvania vzduchu vo vnútri zariadenia.

Pri znalosti účinnosti rekuperátora je možné vypočítať jeho energetickú účinnosť pri rôznych teplotách vonkajšieho a vnútorného vzduchu:

E (W) = 0,36 x P x K x (T_v – T_n)

kde P (m³/h) – prietok vzduchu.

Výpočet efektívnosti rekuperátora v peňažnom vyjadrení a porovnanie s nákladmi na jeho obstaranie a montáž pre dvojpodlažnú vilu s celkovou plochou 270 m2 ukazuje účelnosť inštalácie takéhoto systému

Cena rekuperátorov s vysokou účinnosťou je pomerne vysoká, majú zložitú konštrukciu a značné rozmery. Niekedy je možné tieto problémy obísť inštaláciou niekoľkých jednoduchších zariadení tak, aby prichádzajúci vzduch prechádzal postupne cez ne.

Výkon vetracieho systému

Objem prepúšťaného vzduchu je určený statickým tlakom, ktorý závisí od výkonu ventilátora a hlavných komponentov vytvárajúcich aerodynamický odpor. Spravidla nie je možný jeho presný výpočet kvôli zložitosti matematického modelu, preto sa pre typické monoblokové konštrukcie vykonávajú experimentálne štúdie a pre individuálne zariadenia sa vykonáva výber komponentov.

Výkon ventilátora je potrebné zvoliť s ohľadom na priepustnosť inštalovaných rekuperátorov akéhokoľvek typu, ktorá je v technickej dokumentácii uvedená ako odporúčaná rýchlosť prúdenia alebo objem vzduchu prepúšťaného zariadením za jednotku času. Spravidla prípustná rýchlosť vzduchu vo vnútri zariadenia nepresahuje hodnotu 2 m/s.

V opačnom prípade pri vysokých rýchlostiach v úzkych prvkoch rekuperátora dochádza k prudkému nárastu aerodynamického odporu. To vedie k zbytočným nákladom na elektrickú energiu, neefektívnemu ohrevu vonkajšieho vzduchu a skráteniu životnosti ventilátorov.

Graf závislosti tlakovej straty od rýchlosti prúdenia vzduchu pre niekoľko modelov vysokovýkonných rekuperátorov ukazuje nelineárny nárast odporu, preto je potrebné dodržiavať požiadavky na odporúčaný objem výmeny vzduchu uvedené v technickej dokumentácii zariadenia.

Zmena smeru prúdenia vzduchu vytvára dodatočný aerodynamický odpor. Preto je pri modelovaní geometrie vzduchovodu v interiéri žiaduce minimalizovať počet ohybov potrubia o 90 stupňov. Difúzory na rozptyľovanie vzduchu tiež zvyšujú odpor, preto je žiaduce nepoužívať prvky so zložitým vzorom.

Znečistené filtre a mriežky vytvárajú značné prekážky pohybu prúdenia, preto je potrebné ich pravidelne čistiť alebo meniť. Jedným z účinných spôsobov hodnotenia zanesenia je inštalácia senzorov, ktoré sledujú tlakový rozdiel na úsekoch pred filtrom a za ním.

Závery a užitočné video k téme

Princíp činnosti rotačného a doskového rekuperátora:

Meranie účinnosti rekuperátora doskového typu:

Domáce a priemyselné vetracie systémy s integrovaným rekuperátorom preukázali svoju energetickú účinnosť pri udržiavaní tepla v interiéri. V súčasnosti existuje množstvo ponúk na predaj a inštaláciu takýchto zariadení, a to ako v podobe hotových a vyskúšaných modelov, tak aj na individuálnu objednávku. Výpočet potrebných parametrov a montáž je možné vykonať svojpomocne.

Ak sa pri oboznamovaní s informáciami vyskytli otázky alebo ste našli nepresnosti v našom materiáli, zanechajte svoje komentáre v bloku umiestnenom nižšie.