Dovodno-odvodno prezračevanje z rekuperacijo toplote: načelo delovanja, pregled prednosti in pomanjkljivosti

Dovod svežega zraka v hladnem obdobju zahteva njegovo ogrevanje za zagotovitev pravilne mikroklime v prostorih. Za zmanjšanje stroškov električne energije se lahko uporabi dovodno-odvodno prezračevanje z rekuperacijo toplote.

Razumevanje načel njenega delovanja bo omogočilo čim bolj učinkovito zmanjšanje toplotnih izgub ob ohranjanju zadostne količine nadomestnega zraka. Poskusimo se poglobiti v to vprašanje.

Varčevanje z energijo v prezračevalnih sistemih

V jesensko-pomladnem obdobju pri prezračevanju prostorov velika temperaturna razlika med dovodnim in notranjim zrakom predstavlja resen problem. Hladni tok se usmeri navzdol in ustvarja neugodno mikroklimo v stanovanjskih hišah, pisarnah in proizvodnih obratih ali nedopusten vertikalni temperaturni gradient v skladišču.

Pogosta rešitev problema je vgradnja kaloriferja v dovodno prezračevanje, s pomočjo katerega se tok ogreva. Tak sistem zahteva porabo električne energije, medtem ko velika količina toplega zraka, ki odhaja ven, povzroča znatne toplotne izgube.

Izhod zraka navzven z intenzivno paro je indikator znatnih toplotnih izgub, ki jih je mogoče uporabiti za ogrevanje vhodnega toka.

Če sta kanala za dovod in odvod zraka nameščena blizu skupaj, je mogoče del toplote izhodnega toka prenesti na vhodni tok. To bo zmanjšalo porabo električne energije kaloriferja ali pa ga celo odpravilo. Naprava za zagotavljanje toplotne izmenjave med tokovi plinov z različnimi temperaturami se imenuje rekuperator.

V toplem letnem času, ko temperatura zunanjega zraka znatno presega sobno temperaturo, je mogoče uporabiti rekuperator za hlajenje vhodnega toka.

Zgradba enote z rekuperatorjem

Notranja zgradba sistemov dovodno-odvodnega prezračevanja z integriranim rekuperatorjem je dokaj preprosta, zato je možen samostojen nakup po delih in namestitev. V primeru, da sestavljanje ali samostojna montaža povzročata težave, je mogoče kupiti že pripravljene rešitve v obliki standardnih monoblokov ali individualnih montažnih konstrukcij po naročilu.

Standardna shema naprave dovodno-izpušnega prezračevalnega sistema z rekuperatorjem v enotnem ohišju se lahko dopolni z drugimi komponentami po presoji uporabnika.

Osnovni elementi in njihovi parametri

Ohišje s toplotno in zvočno izolacijo je praviloma izdelano iz pločevine. V primeru stenske montaže mora prenesti tlak, ki nastane pri penjenju rež okoli enote, in preprečevati tresljaje zaradi delovanja ventilatorjev.

V primeru razpršenega odvzema in dovoda zraka v različne prostore se na ohišje priključi sistem zračnih kanalov. Opremi se ga z ventili in loputami za porazdelitev tokov.

Če ni zračnih kanalov, se na dovodno odprtino s strani prostora namesti rešetka ali difuzor za porazdelitev zračnega toka. Na dovodno odprtino s strani ulice se namesti zunanja dovodna rešetka, da se v prezračevalni sistem ne ujamejo ptice, velike žuželke in smeti.

Gibanje zraka zagotavljata dva ventilatorja aksialnega ali centrifugalnega tipa. Ob prisotnosti rekuperatorja naravna cirkulacija zraka v zadostni količini ni možna zaradi aerodinamičnega upora, ki ga ustvarja ta komponenta.

Prisotnost rekuperatorja zahteva namestitev finih filtrov na vhodu obeh tokov. To je potrebno za zmanjšanje intenzivnosti zamašitve s prahom in maščobnimi usedlinami v tankih kanalih toplotnega izmenjevalnika. V nasprotnem primeru bo za polno delovanje sistema treba povečati pogostost preventivnih del.

Fine filtre je treba redno menjavati ali čistiti. V nasprotnem primeru bo povečan upor zračnemu toku povzročil okvaro ventilatorjev.

Eden ali več rekuperatorjev zavzema večji del volumna dovodno-izpušne naprave. Montirajo se na sredino konstrukcije.

V primeru močnih zmrzali, značilnih za območje, in nezadostnega izkoristka rekuperatorja za ogrevanje zunanjega zraka, se lahko dodatno namesti grelnik. Po potrebi se namestijo tudi vlažilec, ionizator in druge naprave za ustvarjanje ugodne mikroklime v prostoru.

Sodobni modeli vključujejo elektronsko krmilno enoto. Zapletene modifikacije imajo funkcije programiranja načinov delovanja glede na fizikalne parametre zračnega okolja. Zunanje plošče imajo privlačen videz, zato se lahko dobro vključijo v vsako notranjost prostora.

Rešitev problema nastajanja kondenza

Ohlajanje zraka, ki prihaja iz prostora, ustvarja pogoje za sproščanje vlage in nastajanje kondenzata. V primeru visoke hitrosti pretoka večji del ne uspe nakopičiti v rekuperatorju in uhaja ven. Pri počasnem gibanju zraka ostane pomemben del vode v napravi. Zato je treba zagotoviti zbiranje vlage in njen odvod izven ohišja dovodno-odvodnega sistema.

Osnovna naprava za zbiranje in odvod kondenzata je ponvica, nameščena pod rekuperatorjem z nagibom proti odtočni odprtini.

Vlago odvajajo v zaprto posodo. Nameščena je le znotraj prostora, da bi preprečili zmrzovanje odtočnih kanalov pri temperaturah pod ničlo. Zanesljivega algoritma za izračun količine pridobljene vode pri uporabi sistemov z rekuperatorjem ni, zato se določi empirično.

Ponovna uporaba kondenzata za vlaženje zraka ni zaželena, saj voda vpije številne onesnaževalce, kot so človeški pot, vonjave itd.

Bistveno zmanjšati količino kondenzata in se izogniti težavam, povezanim z njegovim nastajanjem, lahko z organizacijo ločenega odvodnega sistema iz kopalnice in kuhinje. Prav v teh prostorih ima zrak največjo vlažnost. Pri več odvodnih sistemih je treba izmenjavo zraka med tehnično in bivalno cono omejiti z namestitvijo povratnih ventilov.

V primeru ohlajanja izhodnega zračnega toka do negativnih temperatur znotraj rekuperatorja pride do prehoda kondenzata v led, kar povzroči zmanjšanje živega prereza toka in posledično zmanjšanje prostornine ali popolno prekinitev prezračevanja.

Za periodično ali enkratno odtaljevanje rekuperatorja se namesti bypass – obvodni kanal za gibanje dovodnega zraka. Pri preusmeritvi toka mimo naprave preneha prenos toplote, segreje se toplotni izmenjevalnik in led preide v tekoče stanje. Voda odteče v zbiralnik kondenzata ali pa izhlapi navzven.

Princip naprave bypassa ni zapleten, zato je ob tveganju nastajanja ledu smiselno predvideti takšno rešitev, saj je ogrevanje rekuperatorja na druge načine zapleteno in dolgotrajno.

Pri prehodu toka skozi bypass ni ogrevanja dovodnega zraka s pomočjo rekuperatorja. Zato je ob aktivaciji tega načina potreben samodejni vklop grelnika.

Značilnosti različnih vrst rekuperatorjev

Obstaja več konstrukcijsko različnih izvedb toplotne izmenjave med hladnim in segretim zračnima tokovoma. Vsaka od njih ima svoje posebnosti, ki določajo osnovni namen za vsak tip rekuperatorja.

Ploščni navzkrižnotočni rekuperator

V osnovi konstrukcije ploščnega rekuperatorja so tankostenske plošče, povezane izmenično tako, da izmenjujejo prehod med seboj različnih temperaturnih tokov pod kotom 90 stopinj. Ena od modifikacij tega modela je naprava z rebrastimi kanali za prehod zraka. Ima višji koeficient toplotne izmenjave.

Izmenični prehod topleh in hladnih zračnih tokov skozi plošče se uresničuje z zavihanjem robov plošč in tesnjenjem spojev s poliestrsko smolo.

Toplotne izmenjevalne plošče so lahko izdelane iz različnega materiala:

• baker, medenina in zlitine na osnovi aluminija imajo dobro toplotno prevodnost in niso podvržene rjavenju;
• plastika iz polimernega hidrofobnega materiala z visokim koeficientom toplotne prevodnosti ima majhno težo;
• higroskopna celuloza omogoča, da kondenzat prodira skozi ploščo in vstopa nazaj v prostor.

Pomanjkljivost je možnost nastanka kondenzata pri nizkih temperaturah. Zaradi majhne razdalje med ploščami vlaga ali led bistveno povečata aerodinamični upor. V primeru zamrznitve je potrebno zapiranje vstopnega zračnega toka za odtalitev plošč.

Prednosti ploščnih rekuperatorjev so naslednje:

• nizka cena;
• Dolga življenjska doba;
• dolgo obdobje med preventivnim vzdrževanjem in enostavnost njegovega izvajanja;
• majhne dimenzije in teža.

Tak tip rekuperatorja je najbolj razširjen za stanovanjske in pisarniške prostore. Uporabljajo ga tudi v nekaterih tehnoloških procesih, na primer za optimizacijo zgorevanja goriva pri delovanju peči.

Bobnasti ali rotorski tip

Načelo delovanja rotorskega rekuperatorja temelji na vrtenju toplotnega izmenjevalca, znotraj katerega so nameščene plasti rebraste kovine z visoko toplotno kapaciteto. Zaradi interakcije z izhodnim tokom pride do segrevanja sektorja bobna, ki nato oddaja toploto vstopajočemu zraku.

Mrežni toplotni izmenjevalec rotorskega rekuperatorja je dovzeten za zamašitev, zato je treba posebno pozornost nameniti kakovostnemu delovanju filtrov finega čiščenja.

Prednosti rotorskih rekuperatorjev so naslednje:

• dokaj visok izkoristek v primerjavi s konkurenčnimi tipi;
• vračanje velike količine vlage, ki v obliki kondenzata ostaja na bobnu in izhlapi ob stiku z vstopajočim suhim zrakom.

Ta tip rekuperatorja se redkeje uporablja za stanovanjske stavbe pri ventilaciji po stanovanjih ali vikendih. Pogosto se uporablja v velikih kotlovnicah za vračanje toplote pečem ali za obsežne prostore industrijske ali trgovske-zabavne namembnosti.

Vendar ima ta tip naprav bistvene pomanjkljivosti:

• relativno zapletena konstrukcija s prisotnostjo gibljivih delov, vključno z elektromotorjem, bobnom in jermenskim pogonom, kar zahteva redno vzdrževanje;
• povečana raven hrupa.

Včasih za naprave tega tipa lahko srečate izraz “regenerativni toplotni izmenjevalec”, kar je bolj pravilno kot “rekuperator”. Dejstvo je, da majhen del izhodnega zraka pride nazaj zaradi nepravilnega prileganja bobna k ohišju konstrukcije.

To nalaga dodatne omejitve glede možnosti uporabe naprav tega tipa. Na primer, kot nosilca toplote ni mogoče uporabljati onesnaženega zraka iz ogrevalnih peči.

Sistem s cevmi in ohišjem

Rekuperator cevnega tipa je sestavljen iz sistema tankostenskih cevk majhnega premera, ki so nameščene v izoliranem ohišju, po katerih poteka dotok zunanjega zraka. Po ohišju se odvaja topla zračna masa iz prostora, ki ogreva vhodni tok.

Odvod toplega zraka je treba izvajati po ohišju, ne pa skozi sistem cevk, saj kondenzata iz njih ni mogoče odstraniti

Glavne prednosti cevnih rekuperatorjev so naslednje:

• visok izkoristek zaradi protitočnega načela gibanja nosilca toplote in vstopnega zraka;
• preprostost konstrukcije in odsotnost gibljivih delov zagotavljata nizko raven hrupa in redko potrebo po vzdrževanju;
• Dolga življenjska doba;
• najmanjši presek med vsemi tipi naprav za rekuperacijo.

Cevke za napravo tega tipa so izdelane iz lahkih kovin ali, redkeje, iz polimerov. Ti materiali niso higroskopični, zato je pri veliki temperaturni razliki med tokovi možno nastajanje intenzivnega kondenzata v ohišju, kar zahteva konstrukcijsko rešitev za njegovo odstranitev. Druga pomanjkljivost je, da ima kovinsko polnilo precejšnjo težo kljub majhnim dimenzijam.

Preprostost konstrukcije cevnega rekuperatorja naredi ta tip naprav priljubljen za samostojno izdelavo. Kot zunanje ohišje se običajno uporabljajo plastične cevi za zračnike, izolirane s penastim poliuretanskim ovojem.

Naprava z vmesnim toplotnim nosilcem

Včasih sta dovodni in odvodni zračnik nameščena na določeni razdalji drug od drugega. Takšna situacija lahko nastane zaradi tehnoloških značilnosti stavbe ali sanitarnih zahtev za zanesljivo ločitev zračnih tokov.

V tem primeru se uporablja vmesni toplotni nosilec, ki kroži med zračnimi kanali po izoliranem cevovodu. Kot medij za prenos toplotne energije se uporablja voda ali vodno-glikolna raztopina, katere kroženje zagotavlja delovanje toplotne črpalke.

Rekuperator z vmesnim toplotnim nosilcem je obsežna in draga naprava, katere uporaba je ekonomsko upravičena za prostore z velikimi površinami

V primeru, da je mogoče uporabiti drug tip rekuperatorja, je bolje, da ne uporabite sistema z vmesnim toplotnim nosilcem, saj ima naslednje bistvene pomanjkljivosti:

• nizek izkoristek v primerjavi z drugimi vrstami naprav, zato se za majhne prostore z nizkim pretokom zraka take naprave ne uporabljajo;
• velik obseg in teža celotnega sistema;
• potreba po dodatni električni črpalki za kroženje tekočine;
• povečan hrup zaradi delovanja črpalke.

Obstaja modifikacija tega sistema, ko namesto prisilnega kroženja toplotnoizmenjevalne tekočine uporabljajo medij z nizkim vreliščem, na primer freon. V tem primeru je gibanje po krogu možno na naraven način, vendar le, če je dovodni zračni kanal nameščen nad odvodnim.

Takšen sistem ne zahteva dodatnih stroškov električne energije, vendar deluje za ogrevanje le pri znatni temperaturni razliki. Poleg tega je potrebna natančna nastavitev točke spremembe agregatnega stanja toplotnoizmenjevalne tekočine, kar je mogoče doseči z ustvarjanjem želenega tlaka ali določene kemične sestave.

Osnovni tehnični parametri

Če poznate zahtevano zmogljivost prezračevalnega sistema in izkoristek toplotne izmenjave rekuperatorja, lahko preprosto izračunate prihranek pri ogrevanju zraka za prostor v določenih podnebnih pogojih. S primerjavo potencialne koristi s stroški nakupa in vzdrževanja sistema se lahko upravičeno odločite za rekuperator ali standardni grelec.

Pogosto proizvajalci opreme ponujajo modelno linijo, v kateri se prezračevalne enote s podobno funkcionalnostjo razlikujejo po količini izmenjave zraka. Za stanovanjske prostore je treba ta parameter izračunati v skladu s tabelo 9.1 SP 54.13330.2016

Izkoristek

Pod izkoristkom rekuperatorja razumemo učinkovitost prenosa toplote, ki se izračuna po naslednji formuli:

K = (T_z – T_n) / (T_v – T_n)

Pri čemer:

• T_p – temperatura vstopnega zraka v prostor;
• T_n – temperatura zunanjega zraka;
• T_v – temperatura zraka v prostoru.

Maksimalna vrednost izkoristka pri standardni hitrosti zračnega toka in določenem temperaturnem režimu je navedena v tehnični dokumentaciji naprave. Njegova dejanska vrednost bo nekoliko nižja.

V primeru samostojne izdelave ploščatega ali cevnega rekuperatorja je za doseganje največje učinkovitosti prenosa toplote treba upoštevati naslednja pravila:

• Najboljši prenos toplote zagotavljajo protitočne naprave, nato navzkrižnotočne, najmanjšega pa tiste z enosmernim gibanjem obeh tokov.
• Intenzivnost prenosa toplote je odvisna od materiala in debeline sten, ki ločujejo tokove, ter od trajanja zadrževanja zraka v napravi.

Ob poznavanju izkoristka rekuperatorja je mogoče izračunati njegovo energetsko učinkovitost pri različnih temperaturah zunanjega in notranjega zraka:

E (W) = 0,36 × P × K × (T_v – T_n)

kjer je P (m³/h) – pretok zraka.

Izračun učinkovitosti rekuperatorja v denarni protivrednosti in primerjava s stroški njegovega nakupa in montaže za dvonadstropno hišo s skupno površino 270 m2 kažeta smiselnost namestitve takšnega sistema.

Cena rekuperatorjev z visokim izkoristkom je precej visoka, imajo zapleteno konstrukcijo in velike dimenzije. Včasih je te težave mogoče obiti z namestitvijo več preprostejših naprav tako, da dovodni zrak zaporedoma prehaja skozi njih.

Zmogljivost prezračevalnega sistema

Količina prepuščenega zraka je določena s statičnim tlakom, ki je odvisen od moči ventilatorja in glavnih elementov, ki ustvarjajo aerodinamični upor. Praviloma natančen izračun ni mogoč zaradi zapletenosti matematičnega modela, zato se za tipične monoblok konstrukcije izvajajo eksperimentalne raziskave, za individualne naprave pa se izvaja izbor komponent.

Moč ventilatorja je treba izbrati ob upoštevanju prepustnosti nameščenih rekuperatorjev katere koli vrste, ki je v tehnični dokumentaciji navedena kot priporočena hitrost pretoka ali količina zraka, ki ga naprava prepusti na enoto časa. Praviloma dovoljena hitrost zraka v napravi ne presega 2 m/s.

V nasprotnem primeru pri visokih hitrostih v ozkih elementih rekuperatorja pride do močnega povečanja aerodinamičnega upora. To vodi v nepotrebno porabo električne energije, neučinkovito segrevanje zunanjega zraka in skrajšanje življenjske dobe ventilatorjev.

Graf odvisnosti padca tlaka od hitrosti zračnega toka za več modelov visokozmogljivih rekuperatorjev prikazuje nelinearno rast upora, zato je treba upoštevati zahteve glede priporočenega volumna izmenjave zraka, ki so navedene v tehnični dokumentaciji naprave.

Spreminjanje smeri zračnega toka ustvarja dodaten aerodinamični upor. Zato je pri modeliranju geometrije zračnega kanala v prostoru priporočljivo čim bolj zmanjšati število obratov cevi za 90 stopinj. Difuzorji za razprševanje zraka prav tako povečujejo upor, zato je priporočljivo, da ne uporabljate elementov z zapletenim vzorcem.

Umazani filtri in rešetke povzročajo znatne motnje pri gibanju toka, zato jih je treba občasno očistiti ali zamenjati. Eden od učinkovitih načinov ocenjevanja zamašenosti je namestitev senzorjev, ki spremljajo padec tlaka na odsekih pred filtrom in za njim.

Zaključki in koristen video na to temo

Načelo delovanja rotacijskega in ploščnega rekuperatorja:

Merjenje izkoristka rekuperatorja ploščnega tipa:

Gospodinjski in industrijski prezračevalni sistemi z vgrajenim rekuperatorjem so dokazali svojo energetsko učinkovitost pri ohranjanju toplote v prostorih. Trenutno obstaja veliko ponudb za prodajo in namestitev takšnih naprav, tako v obliki že pripravljenih in preizkušenih modelov kot tudi po naročilu. Izračun potrebnih parametrov in montažo je mogoče opraviti samostojno.

Če ste pri seznanjanju z informacijami dobili vprašanja ali ste našli netočnosti v našem gradivu, prosimo, pustite svoje komentarje v spodnjem bloku.