Rekuperatory – kluczowe cechy nowoczesnych rozwiązań

Rekuperatory, a system kontroli przepływu powietrza, czyli dlaczego wentylacja musi być zbilansowana

Nominalną sprawność odzysku ciepła rekuperatory mogą uzyskać, gdy wentylacja jest zbilansowana, czyli strumień powietrza dostarczanego do budynku jest równy strumieniowi powietrza usuwanego. W takim przypadku rekuperatory wykorzystują maksymalną ilość ciepła z powietrza usuwanego z budynku do podgrzania powietrza nawiewnego.

Systemy sterowania w większości central wentylacyjnych nie mierzą rzeczywistych przepływów powietrza, a użytkownik ustawiając na panelu intensywność wentylacji w rzeczywistości zarządza jedynie prędkością obrotową wentylatorów. Jest to o tyle problematyczne, że na skutek zmian warunków atmosferycznych, działania wiatru, naturalnego zanieczyszczenia filtrów czy kondensacji wilgoci w wymienniku ciepła, przepływy powietrza nawiewanego i wywiewanego ciągle się zmieniają. Niezrównoważenie wentylacji przekracza często nawet 30%, proporcjonalnie zwiększając straty ciepła i koszty ogrzewania, a często powoduje niekontrolowany napływ zanieczyszczeń do budynku. Dodatkowo, spadek sprawności rekuperacji skutkuje obniżeniem temperatury powietrza nawiewanego, co z kolei przyczynia się do zmniejszenia komfortu cieplnego w pomieszczeniach.

Przyczyny braku prawidłowego zbilansowania wentylacji

Wentylacja nigdy nie będzie prawidłowo zbilansowana bez wyposażenia jej w system kontroli przepływu powietrza, na co wpływają m.in.:

• zmienne opory przepływu wymiennika ciepła – zimą w wymienniku ciepła każdego rekuperatora wykrapla się wilgoć z ciepłego wilgotnego powietrza usuwanego z budynku. Wypełnione wodą kanaliki wymiennika ograniczają przepływ wywiewanego powietrza nawet o 30%, co skutkuje niższą temperaturą powietrza nawiewanego do pomieszczeń, a w konsekwencji wyższymi kosztami ogrzewania budynku;

  

• zmienne opory przepływu filtrów powietrza – przez filtry powietrza w systemie wentylacji przepływa powietrze świeże i wywiewane. W powietrzu znajdują cząstki pyłu, które osadzają się na filtrach zwiększając opór przepływu nawet o 25%, co obniża proporcjonalnie sprawność odzysku ciepła rekuperatora i przekłada się wprost na wzrost kosztów ogrzewania;

  

• zmienna gęstość powietrza – każdy 1 kg powietrza o temperaturze 20°C ma objętość 0,83 m³, a o temperaturze –15°C tylko 0,73 m³. Nierówność przepływów wywołana zmianami temperatury może więc w skrajnym przypadku przekroczyć 13% zmniejszając proporcjonalnie sprawność odzysku ciepła i tym samym koszty ogrzewania;

  

• oddziaływanie wiatru na budynek – kiedy wiatr napiera swoją siłą na budynek, po stronie nawietrznej powstaje nadciśnienie, a po stronie zawietrznej podciśnienie. Przy prędkości wiatru równej 4 m/s na ścianie powstaje ciśnienie równe 10 Pa, a przy prędkości 9 m/s nawet 50 Pa. Czerpnie lub wyrzutnie zainstalowane w takim miejscu spowodują zwiększenie lub zmniejszenie przepływu powietrza w części nawiewnej lub wywiewnej instalacji wentylacyjnej. Centrale wentylacyjne pracują przez najczęściej ze średnią lub niską wydajnością̨, dlatego nawet średniej prędkości wiatr może zaburzyć bilans powietrza w budynku w dużym stopniu i znacznie zwiększyć koszty ogrzewania powietrza wentylacyjnego.

  

Niezbilansowana wentylacja zwiększa koszty ogrzewania i obniża jakość powietrza w budynku. Kiedy przepływy powietrza wentylacyjnego nie są zrównoważone, w pomieszczeniach powstaje nadciśnienie lub podciśnienie, powodując, że cześć powietrza zamiast przez rekuperator przepływa przez nieszczelności budynku i nie bierze udziału w procesie odzysku ciepła, a co za tym idzie zwiększa koszty ogrzewania powietrza wentylacyjnego.

Wentylacja niezrównoważona – nadciśnienie w budynku

Przyczyny:

• kondensacja wilgoci w wymienniku ciepła,
• częściowo zabrudzony filtr powietrza wywiewanego,
• parcie wiatru na ścianę budynku, na której zlokalizowana jest czerpnia oraz/lub wyrzutnia powietrza.

Skutki:

• zmniejszenie przepływu w instalacji wywiewnej,
• nadciśnienie w budynku,
• na skutek nadciśnienia, część ciepłego powietrza zamiast przez rekuperator wypływa z budynku przez nieszczelności bezpowrotnie tracąc ciepło,
• mniejsza ilość powietrza ciepłego płynącego przez rekuperator oznacza mniej energii do podgrzania powietrza świeżego i w konsekwencji niższą temperaturę nawiewu.

Wentylacja niezrównoważona – podciśnienie w budynku

Przyczyny:

• częściowo zabrudzony, ale wciąż sprawny filtr powietrza nawiewanego,
• podciśnienie pochodzące od wiatru na ścianie budynku, na której zlokalizowana jest czerpnia oraz/lub wyrzutnia powietrza.

Skutki:

• zmniejszenie przepływu instalacji nawiewnej,
• podciśnienie w budynku,
• na skutek podciśnienia część świeżego, zimnego powietrza zamiast przez rekuperator wpływa do budynku przez nieszczelności nie ogrzewając się w procesie odzysku ciepła; to zimne powietrze obniża temperaturę w pomieszczeniach przez co wymusza zwiększenie mocy systemu grzewczego i tym samym zwiększa koszt ogrzewania,
• powietrze wpływające przez nieszczelności nie przepływa przez filtry rekuperatora przez co wprowadza do pomieszczeń zanieczyszczenia pyłowe.

Automatycznie zrównoważona wentylacja

Jedynym sposobem na zapewnienie zrównoważonej wentylacji przez cały rok jest ciągłe, automatyczne dostosowywanie wydajności wentylatorów do zmiennych warunków pracy.

Warunki:

• czysty lub częściowo zabrudzony filtr powietrza wywiewanego,
• czysty lub częściowo zabrudzony filtr powietrza nawiewanego,
• kondensacja wilgoci w wymienniku ciepła lub brak kondensacji,
• oddziaływanie wiatru na budynek lub brak oddziaływania wiatru na budynek.

Skutki:

• przepływ powietrza w instalacji nawiewnej jest równy przepływowi powietrza w instalacji wywiewnej,
• ciśnienie na zewnątrz i wewnątrz budynku są wyrównane,
• całe powietrze wpływające do budynku oraz z niego wypływające przepływa przez rekuperator wymieniając ze sobą ciepło,
• powietrze nawiewane do pomieszczeń ma temperaturę zbliżoną do temperatury panującej w budynku (zimą 17–20°C) niezależnie od temperatury powietrza zewnętrznego,
• powietrze nawiewane jest zawsze przefiltrowane.

System kontroli przepływu powietrza oszczędza energię w budynku

Wspomniane przyczyny niezrównoważenia wentylacji są naturalne, a czas występowania każdej z nich jest w zasadzie nieprzewidywalny. Z tych powodów, nawet dokładnie wyregulowana przez wykonawcę instalacja wentylacyjna, w czasie użytkowania znajduje się w stanie ciągłego rozregulowania, w którym przepływy powietrza nawiewanego i wywiewanego różnią się od siebie często o 30%.

Jedynym sposobem na zapewnienie zrównoważonej wentylacji przez cały rok jest ciągłe, automatyczne dostosowywanie wydajności wentylatorów do zmiennych warunków pracy.

Rekuperatory z obudową bez mostków cieplnych, czyli niezawodna praca w każdych warunkach

Rekuperatory umieszczone, np. na nieużytkowanym poddaszu pozwalają oszczędzić przestrzeń wewnątrz budynku oraz uprościć instalację wentylacyjną. Problem w tym, że minimalna temperatura otoczenia wymagana dla większości modeli wynosi ponad 5°C, a w okresie zimowym temperatura na nieogrzewanym poddaszu jest zbliżona do tej na zewnątrz. Skutki pracy central w pomieszczeniach, w których temperatura jest niższa od wymaganej mogą prowadzić do poważnych usterek, takich jak m.in.:

• kondensacja wilgoci wewnątrz obudowy – zachodzi, gdy ciepłe i wilgotne powietrze usuwane z pomieszczeń spotyka się z zimnymi wewnętrznymi powierzchniami obudowy rekuperatora. Przyczyną kondensacji są mostki cieplne obudowy oraz jej niedostateczna izolacyjność. Kondensacja prowadzi do zbierania się wody w obudowie, a następnie jej wycieku;
• zamarznięcie wody w tacy kondensatu – występuje, gdy temperatura powierzchni tacy spadnie poniżej 0°C. Przyczyną są mostki cieplne lub zbyt cienka i niejednorodna izolacji tacy. Zamarznięcie wody w tacy kondensatu blokuje możliwość odprowadzania skroplin do kanalizacji, co prowadzi do wycieku wody;
• spadek sprawności odzysku ciepła – wynika z ochłodzenia powietrza wywiewanego z pomieszczeń oraz powietrza nawiewanego do pomieszczeń na skutek kontaktu z chłodnymi powierzchniami wewnętrznymi obudowy oraz króćcami rekuperatora.

Rekuperatory mają określoną minimalną temperaturę otoczenia w jakiej mogą optymalnie pracować, jest ona podana w dokumentacji technicznej. Jej wartość zależy od konstrukcji obudowy, która dla zapewnienie bezawaryjnego działania urządzenia w niskich temperaturach wymaga eliminacji mostków cieplnych oraz zastosowania odpowiedniej grubości i jakości izolacji. Obudowy większości rekuperatorów nie są zaprojektowane do pracy w niskich temperaturach. Dlatego, aby uniknąć usterek podczas ich użytkowania, należy zapewnić odpowiednio wysoką temperaturę otoczenia.

Ponadto obudowy nowoczesnych rekuperatorów przeznaczonych do pracy w niskich temperaturach, poza brakiem mostków cieplnych, muszą być szczelne, ponieważ nieszczelności wpływają bezpośrednio na sprawność odzysku ciepła, przyczyniają się do kondensacji wilgoci oraz mogą powodować zamarznięcie kondensatu wewnątrz rekuperatora. Obecnie na rynku są dostępne rekuperatory, w których mostki cieplne zostały całkowicie wyeliminowane.

Rekuperatory powinny być wyposażone w intuicyjny system sterowania oraz zapewniać integrację z rozwiązaniami inteligentnego domu

Wybierając rekuperatory należy obecnie zwrócić szczególną uwagę intuicyjność i funkcjonalność systemu sterowania, powinien on być zaprojektowany tak, aby obsługa była prosta, a najczęściej używane funkcje łatwo dostępne. W ostatnich latach ważna jest również możliwość integracji systemów sterowania z rozwiązaniami przeznaczonymi do zarządzania budynkiem, tzw. systemami inteligentnych domów. Jest to o tyle istotne, że spora część inwestorów nie myśli o tym przy wyborze rekuperatora, jednak po zamknięciu inwestycji i wdrożeniu wszystkich rozwiązań w nowym budynku, może się okazać, że tak ważna funkcja jak wentylacja stanowi odrębne rozwiązanie i nie ma możliwości zintegrowania jej z pozostałymi systemami. Nowoczesne rekuperatory powinny współpracować z otwartymi i popularnymi protokołami komunikacyjnym, np. Modbus.

Nowoczesne rekuperatory to również inne kluczowe cechy

Inne kluczowe cechy jakimi powinny charakteryzować się nowoczesne rekuperatory to m.in.:
• system automatycznej kontroli filtrów,
• precyzyjnie sterowany system przeciwzamarzaniowy wymiennika odzysku ciepła,
• układ wentylatorów, który zapewnia redukcję emisji hałasu do kanału nawiewnego,
• możliwość rozbudowy funkcjonalności o dodatkowe elementy układu automatyki czy system odzysku wilgoci z powietrza wywiewanego, dzięki specjalnemu wymiennikowi ciepła i zintegrowanemu z nim układowi automatyki oraz nagrzewnicy wtórnej.

Wspomniane zagadnienia zostaną omówione w oddzielnym artykule.