Rekuperacija toplote v prezračevalnih sistemih: načelo delovanja in možnosti izvedbe

Med prezračevanjem se iz prostora odstrani ne le izrabljen zrak, ampak tudi del toplotne energije. Pozimi to povzroči povečanje računov za energetske vire.

Zmanjšanje neupravičenih stroškov, ne da bi pri tem ogrozili izmenjavo zraka, bo omogočila rekuperacija toplote v prezračevalnih sistemih centraliziranega in lokalnega tipa. Za regeneracijo toplotne energije se uporabljajo različne vrste toplotnih izmenjevalcev – rekuperatorji.

V članku so podrobno opisani modeli naprav, njihove konstrukcijske značilnosti, principi delovanja, prednosti in pomanjkljivosti. Predstavljene informacije bodo pomagale pri izbiri optimalne možnosti za ureditev prezračevalnega sistema.

Pojem rekuperacije: princip delovanja toplotnega izmenjevalca

V prevodu iz latinščine rekuperacija pomeni povračilo ali ponovno pridobitev. V zvezi s toplotno izmenjevalnimi reakcijami je rekuperacija označena kot delna vrnitev energije, porabljene za izvedbo tehnološkega dejanja, z namenom uporabe v istem procesu.

V prezračevalnem sistemu se princip rekuperacije uporablja za prihranek toplotne energije.

Po analogiji poteka rekuperacija hlajenja v vročem vremenu – tople dovodne mase segrejejo izpuščeni »odpadni« zrak in njihova temperatura se zniža.

Proces regeneracije energije poteka v rekuperacijskem toplotnem izmenjevalniku. Naprava vključuje toplotno izmenjevalni element in ventilatorje za črpanje zračnih tokov v različnih smereh. Za upravljanje procesa in nadzor kakovosti dovedenega zraka se uporablja avtomatski sistem.

Konstrukcija je zasnovana tako, da sta dovodni in odvodni tok v ločenih predelih in se ne mešata – izraba toplote poteka skozi stene toplotnega izmenjevalnika.

Da bi razumeli in dojeli, kaj je prezračevanje z rekuperacijo, vam bo pomagala nazorna shema kroženja zraka.

Skozi odvode v vlažnih prostorih (stranišče, kopalnica, kuhinja) poteka odtok odpadnega zraka. Preden se odstrani ven, gre skozi rekuperator in pusti del toplote. Dovodni zrak se giblje v nasprotni smeri, se segreje in vstopa v bivalne prostore (+).

Smotrnost rekuperatorja v prezračevanju

O smiselnosti ureditve rekuperativnega prezračevanja lahko govorimo, če ocenimo učinkovitost sistema in primerjamo njegove prednosti s pomanjkljivostmi.

Od odpadnega zraka, ki se odvaja ven, se vzame del toplote in prenese na dovedene sveže tokove, usmerjene v notranjost prostora. To omogoča zmanjšanje toplotnih izgub do 70% (+).

Potreba po uporabi rekuperacije toplote je najbolj aktualna v stavbah s prisilnim odvodom zraka. Praviloma so to nizkoinercijske zgradbe, zgrajene z uporabo inovativnih tehnologij toplotne izolacije (hiše iz sendvič plošč, gazosilikatnih plošč, penastih blokov).

V takšnih zgradbah stene slabo akumulirajo toploto, naravna izmenjava zraka pa je neučinkovita.

Vendar so težave s kroženjem zraka značilne tudi za »tradicionalne« zgradbe iz opeke in betona. Prisotnost tesnih, toplotno- in zvočnoizolacijskih PVC-oken blokira naravno kroženje – dotok svežega zraka se ustavi, vlek v prezračevalnem kanalu pa se obrne ali pade na nič.

Rešitev težave »evropskih oken« je organizacija prisilnega prezračevanja. Sistem obnovi izmenjavo zraka, vendar se toplotne izgube povečajo do 60 %. In tu ne gre več brez toplotne rekuperacije.

Učinkovitost izmenjevalnega procesa je izražena v odstotkih in prikazuje količino porabljene toplote iz odpadnega zraka za ogrevanje svežega dovodnega zraka.

Kazalnik izkoristka toplotne rekuperacije pri prezračevanju:

• 0% – odprto okno – topel zrak se odvaja v ozračje, hladen pa vstopa v notranjost, s čimer znižuje temperaturo v prostoru;
• 100% – dovodni zrak se segreje do temperature odpadnega zraka – tega tehnično ni mogoče doseči;
• 30–90% – dopusten parameter; rekuperacija z učinkovitostjo 60 % in več velja za dobro, izkoristek nad 80 % pa za odlično izmenjavo toplote.

Učinkovitost sistema je odvisna od vrste rekuperatorja, velikosti prostora in pretoka zraka. V vsakem primeru je uporaba rekuperacijskega prezračevanja tudi z izkoristkom 30 % bolj ugodna kot njegova odsotnost. Poleg znatnega prihranka pri energetskih virih »regeneracija« toplote izboljša celotno mikroklimo v prostoru.

Slabosti uporabe toplotnega izmenjevalnika:

1. Odvisnost od energije. Nakup klimatske opreme je upravičen, če bo poraba električne energije bistveno manjša od prihrankov po namestitvi rekuperatorja.
2. Izločanje kondenzata. Zaradi temperaturne razlike na stenah toplotnega izmenjevalnika lahko kondenzira vlaga. Pozimi obstaja nevarnost poledenitve, kar lahko povzroči hitro zmanjšanje izkoristka ali okvaro rekuperatorja.
3. Hrupno delovanje. Nekateri modeli med uporabo povzročajo brnenje. Če podnevi ta pomanjkljivost ni posebej opazna, ponoči hrup povzroča nelagodje. Rekuperatorji z izboljšano izolacijo delujejo tiho.

Visoke začetne naložbe so pogosto glavni argument proti energetsko učinkovitemu prezračevanju.

Smiselno je vlagati denar v tisti sistem, ki se bo povrnil v 5–8 letih. Upoštevati je treba, da bo treba za vzdrževanje kompleksa nositi dodatne stroške, na primer občasno zamenjavo ventilatorjev.

Značilnosti različnih vrst toplotnih izmenjevalcev

Zgradba rekuperatorja določa shemo gibanja toplotnega nosilca, učinkovitost prezračevalnega sistema, razred porabe energije in stroške opreme. Uporablja se pet variant toplotnih izmenjevalcev: ploščasti, rotacijski, toplotne cevi, komorne naprave in modeli z vmesnim toplotnim nosilcem.

Ploščni rekuperator – enostavnost konstrukcije

Osnova toplotnega izmenjevalca je nepredušna komora z množico vzporednih zračnih kanalov. Kanali so ločeni s pregradami – toplotno prevodnimi ploščami iz jekla ali aluminija.

Valovite plošče (60–70 kosov) so združene v enem bloku tako, da so nastali kanali nameščeni prekrižno drug proti drugemu – ustvarjena turbulenca izboljša izmenjavo toplote (+)

Tokovi plinov se premikajo drug drugemu nasproti, se križajo v kaseti rekuperatorja, vendar se ne mešajo. Toplotna izmenjava poteka s hkratnim ohlajanjem in segrevanjem ploščic z različnih strani.

Prednosti prekrižnega toplotnega izmenjevalca:

• enostavnost namestitve in nastavitve opreme;
• izključitev stika zračnih mas;
• dostopna cena in kompaktne mere;
• odsotnost drgnjenih in gibljivih delov.

Kazalnik učinkovitosti se giblje v območju 40–70 %.

Glavna pomanjkljivost ploščastega modela je usedanje kondenzata v odvodnem kanalu in nastajanje ledu pozimi. Za odmrzovanje enote se dovodni tok preusmeri mimo toplotnega izmenjevalca, topel izhodni tok pa stopi led na ploščah.

V načinu »odmrzovanja« do prihranka energije ne pride, za ogrevanje vstopnega zraka se uporabljajo grelniki z močjo do 5 kW. Povprečna vrednost izkoristka pade za 20 % (+)

Možni sta dve poti rešitve problema:

1. Predhodno ogrevanje vstopnega zračnega toka do temperature, pri kateri je nastajanje ledu izključeno.
2. Rekuperator s ploščami iz higroskopne celuloze. Material vpija vlago iz odpadnih zračnih mas in jo prenaša ponovno vstopajočim tokovom.

Pri izbiri prekrižnega toplotnega izmenjevalca je treba upoštevati obratovalne značilnosti plošč.

Njihove značilnosti so odvisne od materiala izdelave:

1. Aluminijasta folija – dostopna cena, vendar omejena zmogljivost pozimi. Poleg tega ni priporočljiva za bivalne prostore zaradi sušenja zraka. Modifikacije z aluminijastim »polnilom« – optimalna možnost za savne in bazene.
2. Plastične pregrade – so po ceni podobne kovinskim izdelkom, vendar se razlikujejo po izboljšani učinkovitosti delovanja.
3. Celulozni toplotni izmenjevalec – preprečuje zamrzovanje in ohranja normalno vsebnost vlage v notranjosti prostora.

Higrocelulozni rekuperator je najbolj ekonomičen in optimalen za prezračevanje stanovanjskih zgradb.

Rotacijski rekuperator – visoka učinkovitost sistema

Toplotni izmenjevalnik je v obliki valja, napolnjenega s plastmi valovite kovine. Med vrtenjem bobnaste naprave v vsak predel izmenično vstopajo topli ali hladni zračni tokovi.

Konstrukcija rotacijskega rekuperatorja: vrtilna gred in dva zračna kanala. En del rotorja se segreje z 'odpadnim' zrakom, boben se zavrti in toplota se preusmeri k hladnim masam, ki so v sosednjem kanalu (+)

Izkoristek toplotne izmenjave je določen s hitrostjo vrtenja rotorja, učinkovitost delovanja je mogoče regulirati.

Argumenti 'za' rotacijski rekuperator:

• vračilo toplote do 65-90 %;
• gospodarnost porabe električne energije;
• delna povrnitev vlage – lahko brez vlažilnika;
• doba vračanja – do 4 let.

Kljub visoki učinkovitosti toplotni izmenjevalnik bobnastega tipa ni postal vodilni med podobnimi napravami.

Slabosti prezračevalnega sistema:

1. Primeš onesnaženega zraka v dotok. Skozi mikrokanale izmenično krožijo odvodne in dovodne mase, zato se približno 3–8 % 'odpadnega' zraka vrne nazaj. Boben pogosto prenaša vonj izhodnega zraka.
2. Kompleksnost konstrukcije. Vrteči se deli rotorja potrebujejo redno vzdrževanje in občasno zamenjavo. Premikajoči se elementi med delovanjem povzročajo hrup in vibracije.
3. Visoka cena. Cena rotacijskih modelov je višja kot pri ploščatih izdelkih. To je posledica uporabe kompleksne mehanike v konstrukciji bobnastega toplotnega izmenjevalnika.
4. Velike dimenzije. Montaža se izvede v prostorni prezračevalni komori.

Zaradi velikosti se rotacijske naprave uporabljajo predvsem v industrijskih obratih.

Za zmanjšanje mešanja zračnih tokov so rotacijski rekuperatorji dopolnjeni z vmesnimi sektorji – tukaj mikrokanale prepihuje svež zrak, ki se vrača v odvod. Slabost sheme je zmanjšanje izkoristka (+)

Povezani toplotni izmenjevalci – glikolni model

Rekuperacijsko napravo z vmesnim toplotnim nosilcem zaradi konstrukcijskih značilnosti pogosto imenujejo povezani toplotni izmenjevalniki ali glikolska enota. To je eden najbolj prilagodljivih sistemov za izkoriščanje toplote. En toplotni izmenjevalnik je vgrajen v dovodni kanal, drugi pa v odvod.

V shemi vezave so: obtočna črpalka, ekspanzijska posoda, zračni ventil, krmilnik, temperaturni senzor, varnostni ventil, indikator tlaka (+)

Načelo delovanja. Glikolna mešanica kroži med toplotnimi izmenjevalniki. Temperatura toplotnega nosilca narašča zaradi segretega odvodnega toka, nato pa se toplotna energija prenaša na svež zrak. Zaprt sistem preprečuje mešanje nasprotnih zračnih mas.

Značilnosti delovanja toplotnih izmenjevalnikov s toplotnim nosilcem:

• Izkoristek – 45-55%;
• nastavitev učinkovitosti s pomočjo črpalke – izbira se hitrost gibanja antifriza;
• možnost namestitve dovodnih in odvodnih zračnih kanalov oddaljeno drug od drugega (do 800 m);
• montaža rekuperatorja se izvaja vertikalno ali horizontalno;
• ob močnem mrazu površina odvodnega toplotnega izmenjevalnika zamrzne – pojavi se led; uporaba antifriza omogoča uporabo rekuperatorja brez odmrzovanja;
• doba povračila sistema – do 2 let;
• dovoljena je kombinacija 1 odvoda in več dovodov ali obratno.

Prostornina odvajanega in dovodnega zraka mora biti približno enaka. Takšni rekuperatorji se običajno uporabljajo, če je dovod strupen ali močno onesnažen, ko mešanje tokov ni dovoljeno.

Komorni sklop – vsestranskost uporabe

Konstrukcijsko je komorni toplotni izmenjevalnik zaprta škatla, znotraj razdeljena s premično loputo. Odpirajoča se pregrada določa shemo delovanja rekuperatorja.

Odvod poteka vzdolž enega kanala, dovod pa vstopa v drugo komoro. V toplotnem izmenjevalniku tople mase segrevajo stene prvega predela. Čez čas se loputa premakne in zračni tok spremeni smer.

Posledično se dovod giblje vzdolž toplih sten prvega zračnega kanala, «odpadni zrak» pa segreva površino druge komore. V določenem trenutku se pregrada vrne nazaj in cikel se ponovi.

Prednosti komornega toplotnega izmenjevalnega sklopa:

• Izkoristek – 80-90%;
• v tandemu s kakovostno toplotno izolacijo se stroški ogrevanja zmanjšajo na minimum;
• enostavnost montaže – pomoč strokovnjakov bo potrebna pri izbiri parametrov prezračevalne naprave;
• ohranjanje ravni vlažnosti;
• izključeno je zamrzovanje sistema.

Komorni rekuperator je odlična možnost za regije, kjer skozi leto daljše obdobje opazimo znatno neravnovesje med temperaturo v prostoru in zunaj.

K pomanjkljivostim sklopa regeneracije toplote spadajo:

• potreba po rednem vzdrževanju premičnih elementov;
• nasprotni zračni tokovi se delno mešajo – vonjave in primesi lahko vstopajo nazaj v stavbo.

Za zmanjšanje primešavanja je sistem opremljen s filtracijskim elementom. Zrak postane čistejši, vendar učinkovitost rekuperatorja pade.

Toplotne cevi – zaprt sistem toplotne izmenjave

Rekuperator je sestavljen iz številnih bakrenih ali aluminijastih cevk, napolnjenih z lahko hlapno snovjo, na primer freonom. Načelo delovanja cevnega toplotnega izmenjevalnika temelji na fizikalnih procesih – spremembi agregatnega stanja snovi pri segrevanju.

Termocev je nameščena navpično – spodnji konec toplotnega izmenjevalca je v odvodnem kanalu, zgornji pa v dovodnem zračniku. Odhodni tokovi obkrožijo konec cevi – freon se segreje, zavre in izhlapi (+)

Plin se dvigne in odda toplotno energijo dotoku, nato pa se freon kondenzira in steče nazaj v rekuperator. Toplotni cikel se ponavlja v krogu.

Tehnične in obratovalne značilnosti cevnega toplotnega izmenjevalca:

• učinkovitost naprave – do 65%;
• tiho delovanje zaradi odsotnosti gibljivih delov;
• preprostost zasnove in nezahtevnost pri vzdrževanju;
• kompaktnost – majhne dimenzije in majhna teža;
• energetska neodvisnost – toplotni nosilec kroži naravno;

Pomembna prednost je, da se zračni tokovi dotoka in povratka ne mešajo.

Slabe strani toplotnih cevi:

• visok izkoristek se doseže pri ozkem temperaturnem območju – pri nenadnem pregrevanju ves freon izhlapi, pri nezadostnem segrevanju pa se intenzivnost uparjanja upočasni;
• nizka trdnost cevi – sprememba oblike ali puščanje zmanjša delovno sposobnost opreme.

Cevni rekuperatorji se uporabljajo v zasebni gradnji, v upravnih, pisarniških stavbah in na manjših industrijskih površinah.

Načini organizacije rekuperativnega prezračevanja

Rekuperacija se izvede na enega od načinov: centralizirano in decentralizirano. V prvem primeru gredo prezračevalni tokovi skozi toplotni izmenjevalec iz celotnega prostora, v drugem pa iz ene sobe.

Centraliziran kompleks – dovodno-odvodna naprava

Centralizirani sistem se vzpostavi med gradnjo ali pri večji posodobitvi prezračevalnega sistema.

Izbrana je prisilna dovodno-odvodna naprava (PVN) z vgrajenim rekuperatorjem. Glavno merilo izbire je skupna zmogljivost kompleksa glede na celotno količino zraka v objektu (+)

PVN z rekuperatorjem zagotavlja zadostno izmenjavo zraka tudi v hišah s tesnjenimi okni. Pri tem se zračni tokovi enakomerno porazdelijo, ne da bi ustvarjali prepih.

Kompleksne dovodno-odvodne naprave monoblok tipa so opremljene z:

• ventilatorji – 24-urna oskrba s svežim zrakom in odvod curkov, nasičenih z ogljikovim dioksidom;
• grelci – predgrevanje dotoka;
• filtri – zadržujejo prah in mikrodelce;
• rekuperatorjem – lahko se uporabljajo različne vrste naprav.

Funkcionalnost nekaterih PVN je razširjena z zamudnim časovnikom, regulatorjem moči, senzorji vlažnosti itd.

Ohišje monobločnih modelov je prekrito z materialom, ki duši hrup, zaradi česar je delovanje rekuperacijske enote zelo tiho. Možne so vertikalne, horizontalne in viseče izvedbe prezračevalnih naprav.

Dobro so se izkazale rekuperacijske monobločne enote proizvajalcev: Vents (Ukrajina), Dantherm (Danska), Daikin (Japonska), Dantex (Anglija).

Lokalni agregati – dopolnitev k obstoječemu prezračevalnemu sistemu

Za obnovitev kroženja zračnih mas v obstoječem prostoru so primerni decentralizirani dovodniki z rekuperacijo toplote.

Vgradijo se v fasado stavbe ali montirajo skozi okno. Njihova glavna naloga je izboljšati dovodno prezračevanje v hiši.

V lokalnih rekuperatorjih sta predvidena ventilator in ploščati toplotni izmenjevalec. «Rokav» dovodnika je izoliran z materialom, ki duši hrup. Krmilna enota kompaktnih prezračevalnih naprav je nameščena na notranji steni.

Značilnosti decentraliziranih prezračevalnih sistemov z rekuperacijo:

• Izkoristek – 60-96%;
• nizka zmogljivost – naprave so zasnovane za zagotavljanje izmenjave zraka v prostorih do 20-35 m²;
• dostopna cena in široka izbira enot, od navadnih stenskih ventilov do avtomatiziranih modelov z večstopenjskim filtrirnim sistemom in možnostjo regulacije vlažnosti;
• enostavna montaža – za zagon ni potrebno polaganje zračnih kanalov, stenski ventil lahko namestite sami.

Priljubljeni proizvajalci lokalnih rekuperatorjev: Prana (Ukrajina), O.Erre (Italija), Blizzard (Nemčija), Vents (Ukrajina), Aerovital (Nemčija).

Pomembni kriteriji izbire stenskega dovodnika: dopustna debelina stene, zmogljivost, izkoristek rekuperatorja, premer zračnega kanala in temperatura prečrpane snovi.

Zaključki in koristen video na to temo

Primerjava delovanja naravnega prezračevanja in prisilnega sistema z rekuperacijo:

Načelo delovanja centraliziranega rekuperatorja, izračun izkoristka:

Zgradba in način delovanja decentraliziranega toplotnega izmenjevalnika na primeru stenskega ventila Prana:

Skozi prezračevalni sistem iz prostora odide približno 25-35 % toplote. Za zmanjšanje izgub in učinkovito izrabo toplote se uporabljajo rekuperatorji. Klimatska oprema omogoča uporabo energije odpadnih mas za ogrevanje vstopnega zraka.

Ali imate kaj dodati ali vprašanja o delovanju različnih prezračevalnih rekuperatorjev? Prosim, pustite komentarje k objavi in delite svoje izkušnje z uporabo teh naprav. Obrazec za stik se nahaja v spodnjem delu.