Větrání s rekuperací tepla: princip fungování, přehled výhod a nevýhod

Přívod čerstvého vzduchu v chladném období vyvolává potřebu jeho ohřevu pro zajištění správného mikroklimatu místností. Pro minimalizaci nákladů na elektrickou energii lze použít přívodní a odvodní větrání s rekuperací tepla.

Porozumění principům jejího fungování umožní co nejefektivněji snížit tepelné ztráty při zachování dostatečného objemu vyměňovaného vzduchu. Zkusme se v této otázce zorientovat.

Úspora energie ve ventilačních systémech

V období podzim-jaro je při větrání místností vážným problémem velký rozdíl teplot přiváděného a vnitřního vzduchu. Studený proud se řítí dolů a vytváří nepříznivé mikroklima v obytných domech, kancelářích a ve výrobě nebo nepřípustný vertikální teplotní gradient ve skladu.

Běžným řešením problému je integrace kaloriferu do přívodního větrání, pomocí kterého dochází k ohřevu proudu. Takový systém vyžaduje náklady na elektrickou energii, zatímco značný objem odcházejícího teplého vzduchu vede k výrazným tepelným ztrátám.

Odvod vzduchu ven s intenzivní párou slouží jako indikátor značných tepelných ztrát, které lze využít k ohřevu vstupujícího proudu

Jsou-li kanály přívodu a odvodu vzduchu umístěny vedle sebe, lze částečně přenést teplo odcházejícího proudu na přiváděný. To umožní snížit spotřebu elektrické energie kaloriferu nebo se ho úplně zříci. Zařízení pro zajištění výměny tepla mezi proudy plynů o různých teplotách se nazývá rekuperátor.

V teplém období, kdy teplota venkovního vzduchu výrazně převyšuje pokojovou, lze použít rekuperátor k ochlazení vstupujícího proudu.

Zařízení bloku s rekuperátorem

Vnitřní uspořádání systémů přívodního a odvodního větrání s integrovaným rekuperátorem je poměrně jednoduché, a proto je možný jejich samostatný nákup po prvcích a instalace. Pokud montáž nebo vlastní instalace činí potíže, lze zakoupit hotová řešení ve formě typových monoblokových nebo individuálních montovaných konstrukcí na zakázku.

Typové schéma zařízení přívodní a odvodní ventilační soustavy s rekuperátorem umístěným v jednotném tělese může být doplněno o další prvky podle uvážení uživatele

Základní prvky a jejich parametry

Těleso s tepelnou a zvukovou izolací se obvykle vyrábí z plechu. V případě nástěnné montáže musí odolávat tlaku, který vzniká při pěnění mezer kolem jednotky, a také zabraňovat vibracím od chodu ventilátorů.

V případě rozptýleného odběru a přívodu vzduchu do různých místností se k tělesu připojuje systém vzduchovodů. Ten je vybaven ventily a klapkami pro rozložení proudů.

Při absenci vzduchovodů se na přívodní otvor ze strany místnosti instaluje mřížka nebo difuzér pro rozložení proudu vzduchu. Na přívodní otvor ze strany ulice se montuje venkovní sací mřížka, aby se do ventilačního systému nedostali ptáci, velký hmyz a nečistoty.

Pohyb vzduchu zajišťují dva ventilátory axiálního nebo odstředivého typu. V přítomnosti rekuperátoru není přirozená cirkulace vzduchu v dostatečném objemu možná kvůli aerodynamickému odporu, který tento prvek vytváří.

Přítomnost rekuperátoru předpokládá instalaci jemných filtrů na vstupu obou proudů. To je nutné ke snížení intenzity znečišťování prachem a mastnotou tenkých kanálků výměníku tepla. V opačném případě bude pro plnohodnotné fungování systému nutné zvýšit četnost provádění preventivních údržbových prací.

Jemné filtry je nutné pravidelně měnit nebo čistit. V opačném případě zvýšený odpor proudu vzduchu způsobí poruchu ventilátorů.

Jeden nebo několik rekuperátorů zabírá hlavní objem přívodního a odvodního zařízení. Montují se do středu konstrukce.

V případě typických silných mrazů na daném území a nedostatečné účinnosti rekuperátoru pro ohřev venkovního vzduchu lze dodatečně nainstalovat kalorifer. Dále se podle potřeby montuje zvlhčovač, ionizátor a další zařízení pro vytvoření příznivého mikroklimatu v místnosti.

Moderní modely počítají s přítomností elektronické řídicí jednotky. Složité modifikace mají funkce programování provozních režimů v závislosti na fyzikálních parametrech vzdušného prostředí. Vnější panely mají atraktivní vzhled, díky čemuž mohou být dobře začleněny do jakéhokoli interiéru místnosti.

Řešení problému vzniku kondenzátu

Chlazení vzduchu přicházejícího z místnosti vytváří předpoklady pro uvolňování vlhkosti a tvorbu kondenzátu. Při vysoké rychlosti proudění se větší část nestihne hromadit v rekuperátoru a vychází ven. Při pomalém pohybu vzduchu zůstává významná část vody uvnitř zařízení. Proto je nutné zajistit sběr vlhkosti a její odvod mimo tělo přívodně-odtahového systému.

Základním zařízením pro sběr a odvod kondenzátu je vanička umístěná pod rekuperátorem se sklonem směrem k odtokovému otvoru.

Odvod vlhkosti se provádí do uzavřené nádoby. Ta se umísťuje pouze uvnitř místnosti, aby nedošlo k zamrznutí odtokových kanálů při záporných teplotách. Neexistuje spolehlivý algoritmus pro výpočet objemu získané vody při použití systémů s rekuperátorem, proto se stanovuje experimentálně.

Opětovné použití kondenzátu pro zvlhčování vzduchu je nežádoucí, protože voda pohlcuje mnoho znečišťujících látek, jako je lidský pot, pachy atd.

Významně snížit objem kondenzátu a vyhnout se problémům spojeným s jeho výskytem lze zorganizováním samostatného odtahového systému z koupelny a kuchyně. Právě v těchto místnostech má vzduch nejvyšší vlhkost. Při existenci několika odtahových systémů je nutné omezit výměnu vzduchu mezi technickou a obytnou zónou instalací zpětných klapek.

V případě ochlazení výstupního proudu vzduchu na záporné teploty uvnitř rekuperátoru dochází k přeměně kondenzátu na námrazu, což způsobuje zmenšení volného průřezu proudu a v důsledku toho snížení objemu nebo úplné zastavení větrání.

Pro periodické nebo jednorázové odmrazování rekuperátoru se instaluje bypass – obtokový kanál pro pohyb přívodního vzduchu. Při průchodu proudu mimo zařízení dochází k zastavení přenosu tepla, ohřevu tepelného výměníku a přeměně námrazy na kapalné skupenství. Voda odtéká do nádoby na sběr kondenzátu nebo se odpařuje ven.

Princip zařízení bypassu není složitý, proto je při riziku tvorby námrazy vhodné takové řešení předvídat, protože ohřev rekuperátoru jinými způsoby je složitý a zdlouhavý.

Při průchodu proudu přes bypass chybí ohřev přívodního vzduchu pomocí rekuperátoru. Proto je při aktivaci tohoto režimu nutné automatické zapnutí ohřívače.

Vlastnosti různých typů rekuperátorů

Existuje několik konstrukčně odlišných variant realizace výměny tepla mezi studeným a ohřátým vzdušným prouděním. Každá z nich má své vlastní odlišné charakteristiky, které určují hlavní účel pro každý typ rekuperátoru.

Deskový křížový rekuperátor

Základ konstrukce deskového rekuperátoru tvoří tenkostěnné panely spojené střídavě tak, aby se mezi nimi střídavě propouštěly proudy různé teploty pod úhlem 90 stupňů. Jednou z modifikací tohoto modelu je zařízení s žebrovanými kanály pro průchod vzduchu. Má vyšší součinitel přestupu tepla.

Střídavý průchod teplého a studeného vzduchu deskami je realizován ohnutím okrajů desek a utěsněním spojů polyesterovou pryskyřicí

Teplosměnné panely mohou být vyrobeny z různých materiálů:

• měď, mosaz a slitiny na bázi hliníku mají dobrou tepelnou vodivost a nejsou náchylné ke korozi;
• plast z polymerního hydrofobního materiálu s vysokým součinitelem tepelné vodivosti má nízkou hmotnost;
• hygroskopická celulóza umožňuje kondenzátu pronikat deskou a vracet se zpět do místnosti.

Nevýhodou je možnost tvorby kondenzátu při nízkých teplotách. Kvůli malé vzdálenosti mezi deskami vlhkost nebo námraza výrazně zvyšují aerodynamický odpor. V případě zamrznutí je nutné uzavřít přiváděný proud vzduchu pro ohřátí desek.

Výhody deskových rekuperátorů jsou následující:

• nízká cena;
• Dlouhá životnost;
• dlouhá doba mezi preventivní údržbou a jednoduchost jejího provedení;
• malé rozměry a hmotnost.

Tento typ rekuperátoru je nejrozšířenější pro obytné a kancelářské prostory. Používá se také v některých technologických procesech, například pro optimalizaci spalování paliva při provozu pecí.

Bubnový nebo rotační typ

Princip činnosti rotačního rekuperátoru je založen na otáčení teplosměnníku, uvnitř kterého jsou vrstvy žebrovaného kovu s vysokou tepelnou kapacitou. Působením odcházejícího proudu dochází k ohřevu sektoru bubnu, který následně předává teplo přiváděnému vzduchu.

Jemnozrnný teplosměnník rotačního rekuperátoru je náchylný k zanášení, proto je třeba věnovat zvláštní pozornost kvalitnímu provozu filtrů jemného čištění

Výhody rotačních rekuperátorů jsou následující:

• poměrně vysoká účinnost ve srovnání s konkurenčními typy;
• vracení velkého množství vlhkosti, která ve formě kondenzátu zůstává na bubnu a odpařuje se při kontaktu s přiváděným suchým vzduchem.

Tento typ rekuperátoru se méně často používá pro obytné budovy v případě bytového nebo rodinného větrání. Často se používá ve velkých kotelnách pro zpětné získávání tepla pro pece nebo pro rozsáhlé prostory průmyslové nebo obchodně-zábavní povahy.

Tento typ zařízení má však značné nevýhody:

• poměrně složitá konstrukce s pohyblivými částmi, zahrnující elektromotor, buben a řemenový pohon, což vyžaduje neustálou údržbu;
• zvýšená hlučnost.

Někdy se u zařízení tohoto typu můžete setkat s termínem “regenerativní výměník tepla”, což je správnější než “rekuperátor”. Je to proto, že malá část odcházejícího vzduchu se vrací zpět kvůli nedokonalému přiléhání bubnu k tělesu konstrukce.

To klade další omezení na možnost použití zařízení tohoto typu. Například jako teplonosné médium nelze použít znečištěný vzduch z topných pecí.

Systém založený na trubkách a plášti

Rekuperátor trubkového typu se skládá ze systému tenkostěnných trubic malého průměru umístěných v izolovaném plášti, kterými přitéká venkovní vzduch. Pláštěm je odváděna teplá vzduchová hmota z místnosti, která ohřívá přiváděný proud.

Odvádění teplého vzduchu musí probíhat právě pláštěm, nikoli systémem trubic, protože nelze odstranit kondenzát z nich.

Hlavní výhody trubkových rekuperátorů jsou následující:

• vysoká účinnost díky protiproudému principu pohybu teplonosného média a přiváděného vzduchu;
• jednoduchost konstrukce a absence pohyblivých částí zajišťuje nízkou hlučnost a málokdy vznikající potřebu údržby;
• Dlouhá životnost;
• nejmenší průřez ze všech typů rekuperačních zařízení.

Trubice pro zařízení tohoto typu jsou buď z lehkých slitin kovů, nebo méně často z polymerů. Tyto materiály nejsou hygroskopické, a proto může při značném rozdílu teplot proudů dojít k intenzivní tvorbě kondenzátu v plášti, což vyžaduje konstrukční řešení pro jeho odstranění. Další nevýhodou je, že kovová náplň má značnou hmotnost, navzdory malým rozměrům.

Jednoduchost konstrukce trubkového rekuperátoru činí tento typ zařízení oblíbeným pro vlastní výrobu. Jako vnější plášť se obvykle používají plastové trubky pro vzduchovody izolované polyuretanovou pěnovou skořepinou.

Zařízení s mezilehlým teplonosným médiem

Někdy jsou přívodní a odtahové vzduchovody umístěny v určité vzdálenosti od sebe. Tato situace může nastat kvůli technologickým vlastnostem budovy nebo hygienickým požadavkům na spolehlivé oddělení vzduchových proudů.

V tomto případě se používá mezilehlá teplonosná látka, cirkulující mezi vzduchovody prostřednictvím izolovaného potrubí. Jako médium pro přenos tepelné energie se používá voda nebo vodně-glykolový roztok, jehož cirkulaci zajišťuje provoz tepelného čerpadla.

Rekuperátor s mezilehlým teplonosným médiem je objemné a drahé zařízení, jehož použití je ekonomicky opodstatněné pro prostory s velkými plochami.

V případě, že je možné použít jiný typ rekuperátoru, je lepší nepoužívat systém s mezilehlým teplonosným médiem, protože má následující závažné nedostatky:

• nízká účinnost ve srovnání s jinými typy zařízení, proto se pro malé místnosti s nízkým průtokem vzduchu tato zařízení nepoužívají;
• významný objem a hmotnost celého systému;
• nutnost přídavného elektrického čerpadla pro cirkulaci kapaliny;
• zvýšený hluk z provozu čerpadla.

Existuje modifikace tohoto systému, kdy se namísto nucené cirkulace teplosměnné kapaliny používá médium s nízkým bodem varu, například freon. V tomto případě je pohyb v okruhu možný přirozeně, ale pouze v případě, že přívodní vzduchovod je umístěn nad odtahovým.

Takový systém nevyžaduje dodatečné náklady na elektřinu, ale funguje na vytápění pouze při výrazném teplotním rozdílu. Kromě toho je nutné přesné nastavení bodu změny skupenství teplosměnné kapaliny, které lze realizovat metodou vytvoření potřebného tlaku nebo určitého chemického složení.

Základní technické parametry

Při znalosti požadovaného výkonu ventilačního systému a účinnosti rekuperátoru je snadné vypočítat úsporu na vytápění vzduchu v místnosti za konkrétních klimatických podmínek. Porovnáním potenciálního přínosu s náklady na nákup a údržbu systému lze důvodně zvolit rekuperátor nebo standardní kalorifer.

Často výrobci zařízení nabízejí modelovou řadu, ve které se ventilační bloky s podobnou funkcí liší objemem výměny vzduchu. Pro obytné prostory je nutné tento parametr vypočítat podle tabulky 9.1. SP 54.13330.2016

Koeficient účinnosti

Pod koeficientem užitečného účinku rekuperátoru se rozumí účinnost přenosu tepla, která se vypočítá podle následujícího vzorce:

K = (T_p – T_n) / (T_v – T_n)

Kde:

• T_p – teplota přiváděného vzduchu do místnosti;
• T_n – teplota venkovního vzduchu;
• T_v – teplota vzduchu v místnosti.

Maximální hodnota účinnosti při standardní rychlosti proudění vzduchu a určitém teplotním režimu je uvedena v technické dokumentaci zařízení. Jeho skutečná hodnota bude o něco nižší.

V případě vlastní výroby deskového nebo trubkového rekuperátoru je pro dosažení maximální účinnosti přenosu tepla nutné dodržovat následující pravidla:

• Nejlepší výměnu tepla zajišťují protiproudá zařízení, poté křížová a nejmenší pak zařízení s jednosměrným pohybem obou proudů.
• Intenzita přenosu tepla závisí na materiálu a tloušťce stěn oddělujících proudy a také na délce pobytu vzduchu uvnitř zařízení.

Při znalosti účinnosti rekuperátoru lze vypočítat jeho energetickou účinnost při různých teplotách venkovního a vnitřního vzduchu:

E (W) = 0,36 × P × K × (T_v – T_n)

kde P (m³/h) – průtok vzduchu.

Výpočet účinnosti rekuperátoru v peněžním vyjádření a srovnání s náklady na jeho pořízení a montáž pro dvoupatrový dům o celkové ploše 270 m² ukazuje vhodnost instalace takového systému

Cena rekuperátorů s vysokou účinností je poměrně vysoká, mají složitou konstrukci a značné rozměry. Někdy lze tyto problémy obejít instalací několika jednodušších zařízení tak, aby přiváděný vzduch procházel postupně přes ně.

Výkon ventilačního systému

Objem procházejícího vzduchu je určen statickým tlakem, který závisí na výkonu ventilátoru a hlavních částech vytvářejících aerodynamický odpor. Zpravidla není možný přesný výpočet kvůli složitosti matematického modelu, proto se u typických monoblokových konstrukcí provádějí experimentální měření a u individuálních zařízení se provádí výběr součástí.

Výkon ventilátoru je nutné volit s ohledem na propustnost instalovaných rekuperátorů všech typů, která je v technické dokumentaci uvedena jako doporučená rychlost proudění nebo objem vzduchu procházejícího zařízením za jednotku času. Zpravidla povolená rychlost vzduchu uvnitř zařízení nepřesahuje hodnotu 2 m/s.

V opačném případě při vysokých rychlostech v úzkých prvcích rekuperátoru dochází k prudkému nárůstu aerodynamického odporu. To vede k nadměrné spotřebě elektrické energie, neefektivnímu ohřevu venkovního vzduchu a zkrácení životnosti ventilátorů.

Graf závislosti tlakové ztráty na rychlosti proudění vzduchu u několika modelů vysoce výkonných rekuperátorů ukazuje nelineární nárůst odporu, proto je nutné dodržovat požadavky na doporučený objem výměny vzduchu uvedené v technické dokumentaci zařízení.

Změna směru proudění vzduchu vytváří dodatečný aerodynamický odpor. Proto je při modelování geometrie vzduchovodu uvnitř místnosti žádoucí minimalizovat počet ohybů trubek o 90 stupňů. Difuzéry pro rozptyl vzduchu také zvyšují odpor, proto je vhodné nepoužívat prvky se složitým vzorem.

Znečištěné filtry a mřížky vytvářejí významné překážky proudění, proto je nutné je pravidelně čistit nebo měnit. Jedním z účinných způsobů hodnocení zanesení je instalace senzorů, které sledují tlakový rozdíl na úsecích před filtrem a za ním.

Závěry a užitečné video k tématu

Princip činnosti rotačního a deskového rekuperátoru:

Měření účinnosti rekuperátoru deskového typu:

Domácí i průmyslové ventilační systémy s integrovaným rekuperátorem prokázaly svou energetickou účinnost při uchovávání tepla v místnostech. V současné době existuje mnoho nabídek na prodej a instalaci těchto zařízení, a to jak ve formě hotových a osvědčených modelů, tak i na individuální objednávku. Výpočet potřebných parametrů a montáž lze provést svépomocí.

Pokud se při seznamování s informacemi objevily dotazy nebo jste našli nepřesnosti v našem materiálu, zanechte prosím své komentáře v bloku umístěném níže.