Rekuperace tepla ve ventilačních systémech: princip činnosti a varianty provedení

Během větrání se z místnosti odvádí nejen odpadní vzduch, ale také část tepelné energie. V zimě to vede ke zvýšení účtů za energii.

Snížit neoprávněné výdaje, aniž by došlo k narušení výměny vzduchu, umožní rekuperace tepla v systémech větrání centralizovaného a lokálního typu. K regeneraci tepelné energie se používají různé druhy výměníků tepla – rekuperátory.

V článku jsou podrobně popsány modely zařízení, jejich konstrukční vlastnosti, principy činnosti, výhody a nevýhody. Uvedené informace pomohou při výběru optimální varianty pro uspořádání ventilačního systému.

Pojem rekuperace: princip činnosti výměníku tepla

V překladu z latiny znamená rekuperace náhradu nebo zpětné získání. Ve vztahu k reakcím výměny tepla je rekuperace charakterizována jako částečný návrat energie vynaložené na provedení technologické akce za účelem použití ve stejném procesu.

V ventilačním systému se princip rekuperace používá k úspoře tepelné energie.

Obdobně probíhá rekuperace chlazení v horkém počasí – teplé přiváděné hmoty ohřívají odváděný „odpadní“ vzduch a jejich teplota se snižuje.

Proces regenerace energie probíhá v rekuperačním výměníku tepla. Zařízení zahrnuje tepelný výměník a ventilátory pro čerpání protisměrných vzduchových proudů. K řízení procesu a kontrole kvality přívodu vzduchu se používá automatický systém.

Konstrukce je navržena tak, aby přiváděné a odváděné proudy byly v oddělených komorách a nemíchaly se – využití tepla probíhá přes stěny výměníku tepla.

Pochopit a porozumět tomu, co je ventilace s rekuperací, pomůže názorné schéma cirkulace vzduchu.

Přes odsávání ve vlhkých místnostech (toaleta, koupelna, kuchyně) dochází k odtoku odpadního vzduchu. Než se odstraní ven, prochází rekuperátorem a zanechává část tepla. Přiváděný vzduch se pohybuje v opačném směru, ohřívá se a vstupuje do obytných místností (+).

Účelnost rekuperátoru ve větrání

O účelnosti vybavení rekuperační ventilace lze hovořit po posouzení účinnosti systému a porovnání jeho výhod s nevýhodami.

Z odpadního odváděného vzduchu se odebírá část tepla a předává se vháněným čerstvým proudům směřujícím dovnitř místnosti. To umožňuje snížit tepelné ztráty až o 70 % (+).

Potřeba využití rekuperace tepla je nejaktuálnější v budovách s nuceným odvodem vzduchu. Zpravidla se jedná o málo setrvačné stavby postavené s využitím inovativních tepelně izolačních technologií (domy ze sendvičových panelů, plynosilikátových desek, pěnových bloků).

V takových stavbách stěny špatně akumulují teplo a přirozená výměna vzduchu je málo účinná.

Problémy s cirkulací vzduchu jsou však typické i pro „tradiční“ stavby z cihel a betonu. Přítomnost těsných tepelně-zvukově izolačních PVC oken blokuje cirkulaci s přirozeným tahem – přísun čerstvého vzduchu se zastaví a tah ve ventilačním kanále se převrací nebo se blíží nule.

Řešením problému „eurooken“ – je organizace nuceného větrání. Systém obnovuje výměnu vzduchu, ale tepelné ztráty se tím zvyšují až na 60 %. A zde se již neobejde bez tepelné rekuperace.

Účinnost výměnného procesu se vyjadřuje v procentech a ukazuje množství spotřebovaného tepla z odpadního vzduchu na ohřev čerstvého „přívodního“ vzduchu

Ukazatel účinnosti ventilační rekuperace tepla:

• 0% – otevřené okno – teplý vzduch odchází do atmosféry a studený vniká dovnitř, snižuje teplotu v místnosti;
• 100% – přívodní vzduch se ohřeje na teplotu „odpadního“ vzduchu – technicky nelze realizovat;
• 30-90% – přípustný parametr, za dobrou se považuje rekuperace s účinností 60 % a více, účinnost nad 80 % – vynikající výměna tepla.

Účinnost systému závisí na typu rekuperátoru, rozměrech místnosti a průtoku vzduchu. V každém případě je použití rekuperačního větrání i s účinností 30 % výhodnější než jeho absence. Kromě výrazné úspory energie „regenerace“ tepla zlepšuje celkové mikroklima v místnosti.

Nevýhody použití tepelného výměníku:

1. Závislost na energii. Nákup klimatizačního zařízení je oprávněný, pokud spotřeba elektřiny bude výrazně nižší než její úspora po instalaci rekuperátoru.
2. Kondenzace vlhkosti. Kvůli rozdílu teplot na stěnách výměníku může kondenzovat vlhkost. V zimě hrozí zamrzání, což může vést k rychlému poklesu účinnosti nebo k poruše rekuperátoru.
3. Hlučný provoz. Některé modely během provozu vydávají hučení. Pokud tento nedostatek není ve dne příliš znatelný, v noci hluk způsobuje nepohodlí. Rekuperátory s vylepšenou izolací pracují tiše.

Vysoké počáteční investice se často stávají hlavním argumentem proti energeticky účinnému větrání.

Je účelné investovat peníze do systému, který se zaplatí během 5-8 let. Je třeba počítat s tím, že za údržbu komplexu budete muset nést dodatečné náklady, například pravidelná výměna ventilátorů

Vlastnosti různých druhů výměníků tepla

Konstrukce rekuperátoru určuje schéma pohybu teplonosné látky, účinnost ventilačního systému, třídu spotřeby energie a cenu zařízení. Používá se pět variant výměníků tepla: deskový, rotační, tepelné trubice, komorová zařízení a modely s mezilehlou teplonosnou látkou.

Deskový rekuperátor – jednoduchost konstrukce

Základem výměníku tepla je hermetická komora s množstvím paralelních vzduchovodů. Kanály jsou odděleny přepážkami – tepelně vodivými deskami vyrobenými z oceli nebo hliníku.

Vlnité desky (60-70 kusů) jsou seskupeny v jednom bloku tak, aby vytvořené kanály byly vůči sobě umístěny křížově – vzniklá turbulence zlepšuje tepelnou výměnu (+)

Proudy plynů se pohybují proti sobě, kříží se v kazetě rekuperátoru, ale nemísí se. Tepelná výměna probíhá současným ochlazováním a ohříváním destiček z různých stran.

Výhody křížového výměníku tepla:

• jednoduchost montáže a nastavení zařízení;
• vyloučení kontaktu vzduchových hmot;
• dostupná cena a kompaktní rozměry;
• absence třecích a pohyblivých částí.

Ukazatel účinnosti se pohybuje v rozmezí 40–70 %.

Hlavní nevýhodou deskového modelu je usazování kondenzátu v odtahovém kanálu a tvorba námrazy v zimě. Pro rozmrazení jednotky je přiváděný proud přesměrován mimo výměník tepla a teplý odcházející proud roztaví led na deskách.

V režimu „rozmrazování“ nedochází k úspoře energie, pro ohřev přiváděného vzduchu se používají kalorifery o výkonu do 5 kW. Průměrná hodnota účinnosti klesá o 20 % (+)

Jsou možné dva způsoby řešení problému:

1. Předehřev přiváděného proudu vzduchu na teplotu, při které je vyloučena tvorba námrazy.
2. Rekuperátor s deskami z hygroskopické celulózy. Materiál absorbuje vlhkost z odpadních vzduchových hmot a předává ji nově přiváděným proudům.

Při výběru křížového výměníku tepla je třeba zohlednit provozní vlastnosti desek.

Jejich charakteristiky závisí na materiálu výroby:

1. Hliníková fólie – dostupná cena, ale omezený výkon v zimě. Navíc se nedoporučuje pro obytné místnosti kvůli vysoušení vzduchu. Modifikace s hliníkovou „náplní“ – optimální varianta pro sauny a bazény.
2. Plastové přepážky – cenově jsou podobné kovovým výrobkům, ale liší se zlepšenou účinností provozu.
3. Celulózový výměník tepla – brání zamrzání a udržuje normální vlhkost v místnosti.

Hygrocelulózový rekuperátor je nejúspornější a optimální pro větrání obytných budov.

Rotorový rekuperátor – vysoká účinnost systému

Tepelný výměník je tvořen válcem vyplněným vrstvami zvlněného kovu. Při otáčení bubnového zařízení do každého oddílu střídavě vstupují teplé nebo studené proudy vzduchu.

Konstrukce rotačního rekuperátoru: otočná hřídel a dva vzduchové kanály. Jeden segment rotoru je ohříván odpadním vzduchem, buben se otáčí a teplo je přesměrováno do chladných mas v sousedním kanálu (+)

Účinnost tepelné výměny závisí na rychlosti otáčení rotoru, účinnost provozu lze regulovat.

Argumenty „pro“ rotační rekuperátor:

• návrat tepla až 65-90%;
• úspornost spotřeby elektrické energie;
• částečná náhrada vlhkosti – lze se obejít bez zvlhčovače;
• doba návratnosti – až 4 roky.

Navzdory vysoké účinnosti se tepelný výměník bubnového typu nestal lídrem mezi podobnými zařízeními.

Nevýhody ventilačního systému:

1. Přimíchání znečištěného vzduchu do přívodu. Mikrokanály střídavě cirkulují odpadní a přívodní masy, takže se asi 3-8 % odpadního vzduchu vrací zpět. Bubnový výměník často přenáší pach odcházejícího vzduchu.
2. Složitost konstrukce. Rotující části rotoru vyžadují pravidelnou údržbu a periodickou výměnu. Pohyblivé prvky během provozu vydávají hluk a vibrace.
3. Vysoká cena. Cena rotačních modelů je vyšší než u deskových výrobků. Je to dáno použitím složité mechaniky v konstrukci bubnového tepelného výměníku.
4. Velké rozměry. Montáž se provádí v prostorné větrací komoře.

Kvůli své rozměrnosti se rotační jednotky používají převážně v průmyslových podnicích.

Pro minimalizaci míchání proudů vzduchu jsou rotační rekuperátory doplněny mezilehlými sektory – zde jsou mikrokanály profukovány čerstvým vzduchem, který se vrací zpět do odtahu. Nevýhodou schématu je snížení účinnosti (+)

Propojené výměníky tepla – glykolový model

Rekuperační jednotku s mezilehlým teplonosným médiem kvůli konstrukčním vlastnostem často nazývají propojené tepelné výměníky nebo glykolový agregát. Je to jeden z nejflexibilnějších systémů pro využití tepla. Jeden výměník je vložen do přívodního kanálu a druhý do odtahu.

V schématu zapojení jsou přítomny: oběhové čerpadlo, expanzní nádoba, vzduchový ventil, regulátor, teplotní čidlo, pojistný ventil, indikátor tlaku (+)

Princip činnosti. Glykolový roztok cirkuluje mezi výměníky tepla. Teplota nosiče tepla stoupá díky ohřátému odváděnému proudu, a poté se tepelná energie předává čerstvému vzduchu. Uzavřený systém vylučuje mísení protisměrných vzduchových hmot.

Zvláštnosti činnosti výměníků tepla s nosičem tepla:

• Účinnost – 45–55 %;
• regulace účinnosti pomocí čerpadla – volí se rychlost pohybu nemrznoucí kapaliny;
• možnost umístění přívodních a odvodních vzduchovodů vzdáleně od sebe (až 800 m);
• montáž rekuperátoru se provádí vertikálně nebo horizontálně;
• při silném mrazu povrch odvodního výměníku namrzá – vzniká led; použití nemrznoucí kapaliny umožňuje provozovat rekuperátor bez nutnosti odmrazování;
• doba návratnosti systému – až 2 roky;
• je přípustná kombinace 1 odtahu a několika přívodů nebo naopak.

Objem odváděného a přiváděného vzduchu musí být přibližně stejný. Takové rekuperátory se obvykle používají, pokud je přívod toxický nebo silně znečištěný, kdy je mísení proudů nepřípustné.

Komorový uzel – univerzálnost použití

Konstrukčně je komorový výměník uzavřená skříň, uvnitř rozdělená pohyblivou klapkou. Otevírací přepážka určuje schéma činnosti rekuperátoru.

Odvod prochází podél jednoho kanálu, zatímco přívod vstupuje do druhé komory. Ve výměníku ohřívají teplé hmoty stěny prvního oddílu. Po čase se klapka přesune a proudění vzduchu změní směr.

Výsledkem je, že přívod se pohybuje podél teplých stěn prvního vzduchovodu, zatímco «odpad» ohřívá povrch druhé komory. V určitém okamžiku se přepážka vrátí zpět a cyklus se opakuje.

Výhody komorového výměníkového uzlu:

• Účinnost – 80–90 %;
• v tandemu s kvalitní tepelnou izolací se náklady na vytápění minimalizují;
• jednoduchost montáže – pomoc odborníků bude potřeba při volbě parametrů ventilační jednotky;
• udržení úrovně vlhkosti;
• vyloučeno namrzání systému.

Komorový rekuperátor je skvělou volbou pro regiony, kde po dlouhou dobu v roce panuje výrazná nerovnováha mezi teplotou uvnitř místnosti a venku.

Mezi nevýhody uzlu regenerace tepla patří:

• nutnost pravidelné údržby pohyblivých prvků;
• protisměrné vzduchové proudy se částečně mísí – pachy a nečistoty se mohou vracet zpět do budovy.

Pro snížení přimíchávání je systém vybaven filtračním prvkem. Vzduch je čistší, ale účinnost rekuperátoru klesá.

Tepelné trubice – uzavřený systém výměny tepla

Rekuperátor se skládá z mnoha měděných nebo hliníkových trubic naplněných lehce se odpařující látkou, například freonem. Princip činnosti trubicového výměníku tepla je založen na fyzikálních procesech – změně skupenství látky při zahřívání.

Tepelná trubice je umístěna vertikálně – spodní konec výměníku je v odtahovém kanálu, a horní konec v přívodním potrubí. Odchozí proudy obtékají konec trubice – freon se ohřívá, vaří a odpařuje (+)

Plyn stoupá a předává tepelnou energii přívodnímu vzduchu, poté freon kondenzuje a stéká dolů rekuperátorem. Tepelný cyklus se opakuje dokola.

Technicko-provozní charakteristiky trubkového výměníku tepla:

• účinnost zařízení – až 65 %;
• bezhlučný provoz díky absenci pohyblivých částí;
• jednoduchost konstrukce a nenáročnost na údržbu;
• kompaktnost –  malé rozměry a nízká hmotnost;
• energetická nezávislost – teplonosné médium cirkuluje přirozeně;

Významnou výhodou je, že proudy přívodního a odtahového vzduchu se nemísí.

Slabé stránky tepelných trubic:

• vysoká účinnost je dosažena v úzkém teplotním rozsahu – při náhlém přehřátí se všechen freon odpaří, a při nedostatečném ohřevu se intenzita tvorby páry zpomalí;
• nízká pevnost trubic – změna tvaru nebo netěsnost snižuje provozuschopnost zařízení.

Trubkové rekuperátory se používají v soukromé výstavbě, administrativních, kancelářských budovách a malých průmyslových prostorách.

Způsoby organizace rekuperačního větrání

Rekuperace se realizuje jedním ze způsobů: centralizovaně a decentralizovaně. V prvním případě procházejí výměníkem tepla větrací proudy z celého prostoru, ve druhém – z jedné místnosti.

Centralizovaný komplex – přívodně-odvodní jednotka

Centralizovaný systém se instaluje ve fázi výstavby nebo při generální modernizaci vzduchotechniky.

Vybere se nucená přívodně-odvodní jednotka (VZT) s vestavěným rekuperátorem. Hlavním kritériem výběru je celkový výkon komplexu s ohledem na celkový objem vzduchu v budově (+).

VZT s rekuperátorem zajišťuje dostatečnou výměnu vzduchu i v domech s utěsněnými okny. Při tom se proudy vzduchu distribuují rovnoměrně, aniž by vytvářely průvan.

Komplexní přívodně-odvodní jednotky monoblokového typu jsou vybaveny:

• ventilátory – nepřetržité přivádění čistého vzduchu a odvod proudů nasycených oxidem uhličitým;
• ohřívači – předehřev přívodního vzduchu;
• filtry – zachycují prach a mikročástice;
• rekuperátorem – lze použít různé typy zařízení.

Funkce některých VZT jsou rozšířeny o časovač zpoždění chodu, regulátor výkonu, čidla vlhkosti atd.

Kryt monoblokových modelů je pokryt materiálem pohlcujícím hluk, díky čemuž je provoz VZT velmi tichý. Jsou možné vertikální, horizontální a závěsné varianty provedení ventilačních jednotek.

Dobře se osvědčily rekuperační monoblokové VZT jednotky od výrobců: «Vents» (Ukrajina), Dantherm (Dánsko), «Daikin» (Japonsko), «Dantex» (Anglie).

Lokální agregáty – doplněk ke stávajícímu ventilačnímu systému

Pro obnovení cirkulace vzduchových hmot v používané místnosti jsou vhodné decentralizované přívodní jednotky s rekuperací tepla.

Jsou zařezávány do fasády budovy nebo montovány přes okno. Jejich hlavním úkolem je zlepšení přívodního větrání v domě.

V lokálních rekuperátorech je zajištěn ventilátor a deskový výměník tepla. «Hadice» přívodní jednotky je izolována materiálem pohlcujícím hluk. Ovládací blok kompaktních ventilačních jednotek je umístěn na vnitřní stěně.

Zvláštnosti decentralizovaných ventilačních systémů s rekuperací:

• Účinnost – 60-96%;
• nízký výkon – zařízení jsou určena pro zajištění výměny vzduchu v místnostech do 20-35 m²;
• dostupná cena a široký výběr jednotek, od běžných nástěnných ventilů až po automatizované modely s vícestupňovým filtračním systémem a možností regulace vlhkosti;
• jednoduchost montáže – pro uvedení do provozu není nutné pokládání vzduchovodů, instalovat nástěnný ventil lze samostatně.

Oblíbení výrobci lokálních rekuperátorů: Prana (Ukrajina), O.Erre (Itálie), Blizzard (Německo), Vents (Ukrajina), Aerovital (Německo).

Důležitá kritéria výběru nástěnného přívodníku: přípustná tloušťka stěny, výkon, účinnost rekuperátoru, průměr vzduchového kanálu a teplota přepravovaného média

Závěry a užitečné video k tématu

Srovnání fungování přirozeného větrání a nuceného systému s rekuperací:

Princip fungování centralizovaného rekuperátoru, výpočet účinnosti:

Uspořádání a postup práce decentralizovaného výměníku tepla na příkladu nástěnného ventilu Prana:

Ventilačním systémem z místnosti odchází přibližně 25-35% tepla. Pro snížení ztrát a účinné využití tepla se používají rekuperátory. Klimatizační zařízení umožňuje využít energii odpadního vzduchu k ohřevu přiváděného vzduchu.

Máte co dodat, nebo máte dotazy k fungování různých ventilačních rekuperátorů? Zanechte prosím komentáře k publikaci, podělte se o zkušenosti s provozem takových zařízení. Kontaktní formulář se nachází v dolním bloku.