Ciepło z odzysku
Ekologiczny dom powinien być oszczędny, ale nie kosztem dobrego samopoczucia i zdrowia mieszkańców. Dlatego aby zapewnić komfort cieplny, niskie rachunki za ogrzewanie, a jednocześnie dobrą jakość powietrza, stosuje się wentylację z odzyskiem ciepła.
Autor: Jarosław Kaczmarski
Projekt domu - Mikołaj Machulik
Obawa przed wysokimi rachunkami za ogrzewanie nie powinna być w żadnym wypadku powodem rezygnowania z wentylacji. Zamiast zmniejszać ilość świeżego powietrza dopływającego do pomieszczeń, lepiej odzyskiwać ciepło z wywiewanego powietrza i ogrzewać nim powietrze świeże. W ten sposób można zredukować o 50% ilość energii potrzebnej do ogrzania powietrza wentylacyjnego. Aby możliwe było zainstalowanie urządzenia do odzysku ciepła, trzeba wykonać w budynku wentylację mechaniczną nawiewnowywiewną. W takim układzie świeże powietrze zasysane z zewnątrz jest kierowane jednym kanałem do centrali wentylacyjnej, a z niej siecią kanałów rozprowadzane do głównych pomieszczeń – salonu, sypialni i pozostałych pokoi. W kuchni, łazienkach, toaletach, garderobach i innych pomieszczeniach bez okien znajdują się wywiewniki, którymi jest wyciągane zużyte powietrze. Kanałami jest ono doprowadzone do centrali wentylacyjnej, skąd po odzyskaniu z niego ciepła usuwa się je poza budynek.
Z czego się składa
Rekuperatorem nazywa się centralę wentylacyjną zbudowaną z wymiennika ciepła, w którym powietrze dopływające do wnętrza domu ogrzewa się od cieplejszego powietrza wywiewanego (oczywiście oba strumienie nie mieszają się ze sobą) oraz dwóch wentylatorów – wywiewnego i nawiewnego. Wewnątrz rekuperatora są także filtry zatrzymujące pył znajdujący się w powietrzu.
Wentylatory mogą zwykle pracować z kilkoma (trzema-pięcioma) prędkościami obrotowymi. Możliwa jest też regulacja bezstopniowa, ale zwykle dopiero po zastosowaniu dodatkowego regulatora. Umożliwia to zmianę wydajności wentylatora, a więc dostosowywanie wielkości strumienia wymienianego powietrza do chwilowych potrzeb. Kupując rekuperator, wybiera się taki, którego wentylatory obliczeniową (wynikającą z projektu) ilość powietrza tłoczą na środkowym biegu. Wówczas, gdy zajdzie taka potrzeba, można zarówno zmniejszyć, jak i zwiększyć intensywność wentylacji w stosunku do normalnych warunków. Natężenie przepływu, nazywane wydatkiem, to najważniejszy parametr charakteryzujący wentylator. Informuje o tym, jaką objętość (lub masę) powietrza jest on w stanie przetłoczyć w jednostce czasu (najczęściej w m3/h). By dobrać odpowiednie urządzenie, trzeba jeszcze wiedzieć, z jaką siłą może to robić. Informuje o tym tak zwany spręż, czyli wytwarzany przez wentylator przyrost ciśnienia (w Pa).Im dłuższa i bardziej skomplikowana jest sieć kanałów, tym powinien on być większy. Dla każdej instalacji powinno się go obliczyć, aby był wystarczający do pokonania oporów przepływu powietrza na drodze od czerpni do każdego z nawiewników lub od każdego otworu wywiewnego do wyrzutni. W niezbyt dużych domach jednorodzinnych niezbędny wydatek wentylatorów to 200-300 m3/h, a spręż 100-200 Pa. Aby prawidłowo dobrać wentylator, musimy znać całą charakterystykę jego pracy, czyli zależność sprężu od wydatku. Punkt pracy (wymagany spręż i wydatek) powinien się znajdować w takim miejscu charakterystyki (będącej krzywą), w którym zwiększenie oporów przepływu, na przykład na skutek zabrudzenia filtra powietrza, nie spowoduje dużego zmniejszenia wydatku. Istotne jest też sprawdzenie, jaki jest pobór prądu w oczekiwanym punkcie pracy. Będzie to decydowało o kosztach eksploatacji rekuperatora, a różnice pod tym względem pomiędzy różnymi modelami bywają znaczne. Niewłaściwy dobór urządzenia może być także przyczyną hałaśliwej pracy wentylatorów.
Wymiennik ciepła w centralach wentylacyjnych do domów jednorodzinnych najczęściej jest krzyżowy. Ma kształt skrzynki wypełnionej wieloma kanałami o niewielkim przekroju ustawionymi w ten sposób, że gdy przez jeden rząd kanałów przepływa powietrze świeże, to przez sąsiedni, ustawiony prostopadle, powietrze jest wywiewane. Ciepło przenika przez cienkie ścianki kanałów wymiennika, ale strumienie powietrza pozostają rozdzielone. Nie dochodzi zatem do przenikania zapachów i zanieczyszczeń z powietrza usuwanego do nawiewanego. Coraz częściej stosowane są wymienniki nazywane przeciwprądowymi. Droga strumieni powietrza jest w nich dłuższa niż w krzyżowych, a kanały dla powietrza ciepłego i zimnego są ustawione równolegle. Powietrze ciepłe płynie w kierunku przeciwnym niż zimne. Szczególną odmianą tego typu wymienników są takie, w których przepływ powietrza odbywa się w kanałach spiralnych. Dzięki dłuższej drodze, na której następuje wymiana ciepła, sprawność wymiennika przeciwprądowego jest większa niż krzyżowego i wynosi nawet do 95% (krzyżowego może dochodzić najwyżej do 70%). Niektórzy producenci proponują centrale z dwoma wymiennikami krzyżowymi ustawionymi szeregowo, wtedy sprawność wymiany ciepła jest podobna do tej w wymienniku przeciwprądowym. Gdy przekracza 90%, temperatura świeżego powietrza ogrzanego w wymienniku jest tylko nieznacznie niższa niż wywiewanego z pomieszczeń – przynajmniej teoretycznie, bo w praktyce występują straty ciepła spowodowane różnymi czynnikami. W centralach wentylacyjnych są jeszcze stosowane wymienniki obrotowe, popularne w dużych instalacjach. Wymiennik ma formę bębna, który stale się obraca (jest napędzany silnikiem elektrycznym). Jest zrobiony z materiału akumulującego ciepło. Wewnątrz, równolegle do osi obrotu, są liczne wąskie kanały, którymi przepływa powietrze. Ponieważ bęben się obraca, kanały znajdują się na przemian w strumieniu powietrza ciepłego – ogrzewając się – i zimnego – oddając ciepło. Wadą takiej konstrukcji jest niemożność całkowitego odseparowania powietrza świeżego od zanieczyszczonego. Występuje więc przenikanie zanieczyszczeń i zapachów z powietrza wywiewanego do nawiewanego. Sprawność odzysku ciepła w tego typu wymiennikach przekracza 90%. Możliwe jest też odzyskiwanie wilgoci.
Filtry powietrza. Chronią przed zanieczyszczeniem wymiennik ciepła i wentylatory, ale ich rolą jest też oczyszczanie powietrza nawiewanego do pomieszczeń. To kolejna istotna zaleta systemu wentylacji mechanicznej stanowiąca o jego wyższości nad wentylacją naturalną. W zależności od tego, w jakim stopniu chce się oczyścić świeże powietrze, stosuje się mniej lub bardziej dokładne filtry. Te standardowo montowane w rekuperatorach (EU3, EU4) zatrzymują zwykle cząstki o średnicy 20-80 μm, co zapobiega przedostawaniu się wraz z powietrzem na przykład zarodników grzybów i pyłków roślin. Niestety, im dokładniejszy filtr, tym szybciej ulega zabrudzeniu.Niektóre z nich można czyścić, ale prędzej czy później każdy trzeba wymienić. Typowy filtr w typowych warunkach czyści się mniej więcej raz w miesiącu, a wymienia raz na pół roku (cena to zwykle 20-50 zł). Regulatory rekuperatorów mogą mieć sygnalizator zabrudzenia filtra przypominający o konieczności jego oczyszczenia lub wymiany.
Na straty
W praktyce ilość ciepła odzyskiwanego w instalacjach z rekuperatorami nie jest aż tak duża, jak wynikałoby to ze sprawności ich wymienników. Duży wpływ na to ma zjawisko pokrywania się szronem ich ścianek, gdy na zewnątrz jest ujemna temperatura. Konieczne jest wtedy ich odmrażanie, bo szron utrudnia przepływ powietrza przez wąskie kanaliki wymiennika. Układy antyzamarzaniowe zwykle pochłaniają w tym celu część – i to znaczną – odzyskiwanej energii. By tego uniknąć, niektórzy producenci stosują dodatkowe nagrzewnice elektryczne, ale z powodu wysokiej ceny prądu nie jest to rozwiązanie korzystne. Konieczność odmrażania wymiennika powoduje, że rzeczywista sprawność odzysku ciepła bywa mniejsza od maksymalnej możliwej do uzyskania nawet o kilkadziesiąt procent. Nieco lepiej wypadają pod tym względem wymienniki obrotowe, ale są one droższe od krzyżowych, a w dodatku do ich działania potrzebna jest energia elektryczna. Do tego dochodzą jeszcze straty ciepła przez obudowę rekuperatora, a zwłaszcza przez ścianki kanałów wentylacyjnych (nie powinno się ich zostawiać bez izolacji cieplnej). By nie tracić ciepła, dom z rekuperatorem powinien być szczelny. W przeciwnym wypadku napływ świeżego powietrza lub wypływ „zużytego” przez nieszczelności, a więc z pominięciem wymiennika ciepła, zakłóci bilans energetyczny. Szczelność to spory problem dla wykonawców, wymaga stosowania rozwiązań nieuznawanych u nas za standardowe, na przykład specjalnych taśm uszczelniających różnego rodzaju połączenia materiałów i elementów budowlanych. Również stolarka powinna być jak najbardziej szczelna – nie tak jak w przypadku typowej wentylacji grawitacyjnej. Mnogość czynników mających wpływ na rzeczywistą sprawność odzysku ciepła sprawia, że mimo zastosowania dwóch identycznych urządzeń ilość odzyskiwanego przez nie ciepła może się bardzo różnić w zależności od warunków, w jakich pracują.
Z pompą ciepła
Z myślą o zastosowaniu w domach jednorodzinnych skonstruowano urządzenia, w których pompa ciepła odzyskuje energię z powietrza wywiewanego i podgrzewa nią wodę zgromadzoną w zbiorniku. Ciepła woda zasila instalację c.o.i c.w.u. W tym systemie są montowane tylko kanały wentylacyjne wywiewne. Znajdujący się w centrali wentylacyjnej wentylator wyciąga powietrze z pomieszczeń, a świeże powietrze napływa przez nawiewniki. Produkowane są też urządzenia, w których jest i rekuperator, i pompa ciepła odzyskująca ciepło, które nie zostało odebrane w wymienniku rekuperatora. Centrala wentylacyjna tego typu jest także wyposażona w konwencjonalne źródło ciepła (elektryczną grzałkę), bo przy niskiej temperaturze zewnętrznej ilość ciepła odzyskiwanego z powietrza nie wystarcza do pokrycia zapotrzebowania na nie.
Autor: Agnieszka i Marek Sterniccy
