Centrale wentylacyjne. Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła

Niektórzy wciąż sądzą, że centrale wentylacyjne w domach jednorodzinnych są luksusem, jednak stosuje się je coraz częściej. Rekuperatory zapewniają nie tylko wydajną wentylację, ale także niższe rachunki za ogrzewanie.

Centrala wentylacyjna - co to jest?

Centrala wentylacyjna to urządzenie, na którym opierają się systemy wentylacji wymuszonej, czyli wentylacji mechanicznej, zwykle nawiewno-wywiewnej. Służy do zapewnienia wymiany powietrza w pomieszczeniach oraz do jego oczyszczania, podgrzewania, chłodzenia, nawilżania bądź osuszania. Gdy centrala jest wyposażona w elementy umożliwiające przeprowadzanie wszystkich tych procesów, nazywa się ją klimatyzacyjną. W domach jednorodzinnych zwykle jednak montuje się proste centrale wentylacyjne, które oprócz tego, że stale wymieniają powietrze w budynku w określonej ilości (niezależnie od warunków atmosferycznych) i przy okazji je oczyszczają, to przede wszystkim odzyskują z niego ciepło. Dlatego są nazywane rekuperatorami, a ich głównym elementem, nie licząc wentylatorów, jest wymiennik ciepła przekazujący je z powietrza wywiewanego do nawiewanego.

Jakie wentylatory w centrali wentylacyjnej

Podstawą systemu wentylacji mechanicznej z rekuperacją jest centrala wentylacyjna nawiewno-wywiewna z dwoma wentylatorami. Jeden wytwarza różnicę ciśnienia w przewodach wywiewnych, drugi w nawiewnych, żeby uniknąć podciśnienia w pomieszczeniach. Jego wynikiem byłoby przedostawanie się do nich powietrza z pominięciem wymiennika ciepła do jego odzysku. Dzięki pracy wentylatorów w pomieszczeniach w jednostce czasu jest wymieniana określona ilość powietrza. Jeżeli ich wydajność została prawidłowo dopasowana do potrzeb budynku, zapewniają zawsze skuteczną wentylację. Dobrym pomysłem jest zakup rekuperatora z wentylatorami o zmiennej wydajności. Gdy nikogo nie ma w domu, powstaje w nim niewiele zanieczyszczeń powietrza i nikt nim nie oddycha, więc nie ma powodu, żeby je wymieniać równie intensywnie co w czasie kąpieli, gotowania czy domowej imprezy tanecznej. Przydaje się zatem funkcja zarówno zmniejszenia, jak i zwiększenia wydajności wentylacji w stosunku do sytuacji, w której jest ona równa wymaganiom normy (PN-83/B-03430). Zaleca się, by zakres regulacji wydajności obejmował przedział od 60 do 150% wielkości strumienia obliczeniowego. Z możliwości jego zmniejszenia warto korzystać zimą, gdy intensywna wymiana powietrza powoduje największe straty ciepła, a często także nadmierny spadek wilgotności we wnętrzach będący przyczyną dyskomfortu domowników. Wentylatory stosowane w centralach wentylacyjnych różnią się znacznie wielkością poboru energii elektrycznej. Jeśli decydujemy się na zakup rekuperatora z myślą o oszczędnościach, powinniśmy zwrócić uwagę na to, by jego wentylatory były typu DC-EC. Oznacza to, że są zasilane prądem stałym (DC) i mają silnik bezszczotkowy z elektronicznym (bezstykowym) komutatorem (EC) i płynną regulacją obrotów. Tak zwane szczotki to pięta achillesowa silników elektrycznych. Zapewniają kontakt elektryczny obracających się względem siebie elementów. Muszą być odpowiednio mocno dociskane, co jest przyczyną strat mocy silnika. Tarcie sprawia, że się ścierają, więc po pewnym czasie trzeba je wymienić. Gdy docisk szczotek jest zbyt słaby, powstaje łuk elektryczny wypalający miejsca kontaktu. Wyeliminowanie szczotek z silnika daje więc ważne korzyści – dzięki braku strat poślizgu jego sprawność energetyczna jest wyższa i pracuje on dużo ciszej. Nie ma w nim szybko zużywających się elementów ani wyładowań łukowych powodujących zaburzenia radioelektryczne. Zmniejszenie prędkości obrotowej wentylatora z silnikiem EC o 50% przekłada się na obniżenie poboru mocy o 88%, podczas gdy w wentylatorach wielobiegowych z silnikiem na prąd przemienny (AC) te zmiany są wprost proporcjonalne. Do tego regulacja bezstopniowa jest oczywiście bardziej precyzyjna od wielostopniowej. Jeżeli w rekuperatorze jest zaawansowany układ automatyki regulującej wydajność wentylatorów i są one typu EC, zużywa on co najmniej o połowę mniej energii elektrycznej niż rekuperator z silnikami wentylatorów AC bez układu automatycznej regulacji. Elektroniczny układ sterujący rekuperatora może dbać o zrównoważenie strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego przez korygowanie prędkości obrotowej wentylatorów (typu EC). Potrzeba takiej korekty wynika na przykład z brudzenia się filtrów powietrza. Precyzyjna regulacja wydajności przydaje się też do zapewnienia prawidłowego procesu spalania w kominku – pozwala uniknąć we wnętrzach podciśnienia, z powodu którego dym zamiast do komina wypłynąłby do pomieszczeń.

Odzysk ciepła w centrali wentylacyjnej: wymiennik ciepła

W centrali wentylacyjnej do odzyskiwania ciepła bardzo ważny jest oczywiście jego wymiennik. W rekuperatorach najpopularniejsze są krzyżowe i przeciwprądowe wymienniki ciepła. W krzyżowych strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego są do siebie prostopadłe, a w przeciwprądowych – równoległe o przeciwnych zwrotach. Wymienniki przeciwprądowe są droższe od krzyżowych, za to umożliwiają odzyskiwanie większej ilości energii. Sprawność temperaturowa wymiennika krzyżowego wynosi mniej więcej 60%, a przeciwprądowego – 90%. Oznacza to, że jeśli świeże powietrze ma 0^oC, a wywiewane z pomieszczeń 20^oC, po przepłynięciu przez wymiennik przeciwprądowy temperatura wywiewanego powietrza wynosi 2^oC, a świeżego 18^oC. Dlatego w domu z rekuperatorem dobrej klasy, mimo intensywnej wymiany powietrza, zimą nie odczuwamy w pomieszczeniach zimnych przeciągów, a podgrzewanie powietrza kosztuje nas niewiele. Wymienniki krzyżowe i przeciwprądowe są zbudowane z przylegających do siebie paneli wyprofilowanych tak, że są między nimi wąskie szczeliny, którymi przepływa powietrze – co drugą nawiewane, a pozostałymi wywiewane. Szczeliny mogą być wyprofilowane na różne sposoby, więc poszczególne urządzenia różnią się nieco od siebie sprawnością. Istotnym parametrem wymiennika ciepła jest też wartość oporu przepływu powietrza. Wyższa sprawność jest zwykle okupiona wyższym oporem przepływu i wynikającym z tego większym poborem energii przez wentylatory, więc należy szukać między nimi kompromisu. Wymienniki są metalowe (dobrze przewodzą ciepło), celulozowe (odzyskują wilgoć, a wraz z nią ciepło utajone, dlatego ich sprawność jest bardzo wysoka), ale w centralach do domów jednorodzinnych bardzo często stosuje się plastikowe. Są one tanie, trwałe i nie ma przeszkód, żeby je myć. Kupując rekuperator z wymiennikiem aluminiowym lub celulozowym, należy się liczyć z tym, że podczas mycia będzie się niszczył i po kilku latach trzeba będzie go wymienić. Jeśli ktoś ponad wszystko stawia efektywność energetyczną, powinien się jednak zainteresować wymiennikami przeciwprądowymi z celulozy zawierającej sól pochłaniającą wodę. Są one nazywane entalpicznymi.

Wymiennik wilgoci w centrali wentylacyjnej

Na skutek schłodzenia powietrza wywiewanego w wymienniku wykrapla się z niego woda. Z wymiennika plastikowego lub metalowego wypływa ona do specjalnego pojemnika, a z niego do kanalizacji. Natomiast w wymienniku entalpicznym wsiąka w celulozę. Świeże powietrze trafiające do wymiennika jest suche, gdy jest zimne, ale w miarę wzrostu temperatury jest w stanie przejąć coraz więcej wody. Asymiluje więc tę, którą są nasączone celulozowe ścianki wymiennika. Dzięki temu przy ujemnej temperaturze w wymienniku nie tworzy się lód mogący go zatkać. Nie jest więc potrzebne działanie systemu antyzamarzaniowego (jest w niego wyposażony każdy rekuperator) będące przyczyną znacznego spadku sprawności odzysku ciepła w zwykłych wymiennikach. Chwilowa sprawność temperaturowa przeciwprądowego wymiennika entalpicznego jest niższa niż plastikowego i metalowego, ale znacznie ważniejsza okresowa (uśredniona) sprawność energetyczna uwzględniająca straty na rozmrażanie wymiennika może być znacznie wyższa. Korzyścią jest też wyższa wilgotność względna powietrza nawiewanego do pomieszczeń, co się przekłada na lepszy mikroklimat panujący w nich zimą. Na przeszkodzie w rozpowszechnieniu wymienników entalpicznych stoją ich wysoka cena i krótka żywotność. Choć umożliwiają uzyskanie najniższego zapotrzebowania na energię do ogrzewania i wentylacji domu, to ich stosowanie nie bardzo się opłaca. Dlatego spotyka się je głównie w rekuperatorach przeznaczonych do domów pasywnych, w których liczy się przede wszystkim certyfikat poświadczający wysoki stopień odzysku energii. Podobny problem dotyczy wymienników regeneracyjnych (obrotowych). One również nie są podatne na zamarzanie, dzięki czemu w klimacie takim jak nasz umożliwiają odzyskiwanie stosunkowo dużej ilości energii. Ich konstrukcja jest jednak dość skomplikowana, przez co są drogie. Mają postać obracającego się bębna akumulującego ciepło. Bęben jest napędzany silnikiem elektrycznym, który oczywiście pochłania energię. W rezultacie stosowanie wymienników regeneracyjnych, mimo wysokiej sprawności energetycznej odzysku ciepła, jest w domach jednorodzinnych mniej opłacalne niż prostszych i znacznie tańszych wymienników krzyżowych lub przeciwprądowych.

Układ regulacji centrali wentylacyjnej

Sprawność temperaturowa wymienników ciepła tego samego typu jest zbliżona, ale o sprawności energetycznej rekuperatorów decydują także inne czynniki i dlatego bywa ona różna. Z reguły tańsze urządzenia działają mniej efektywnie od droższych, bo zaoszczędzono w nich na kosztownych rozwiązaniach przyczyniających się do zwiększenia sprawności energetycznej. Duży wpływ ma na nią sposób zabezpieczenia wymiennika przed zamarzaniem. Na skutek chłodzenia powietrza wywiewanego z pomieszczeń wykrapla się w nim woda. W pobliżu wlotu świeżego powietrza temperatura wymiennika może być ujemna, a wtedy woda zamarza. Lód stanowi przeszkodę na drodze powietrza – może spowodować awarię wentylatora, który nie będzie w stanie pokonać zwiększonego oporu przepływu, uszkodzeniu może także ulec zatkany lodem wymiennik. Dlatego w rekuperatorach potrzebny jest system rozmrażania wymiennika. Najprostsze rozwiązanie to układ zatrzymujący wentylator nawiewny, gdy temperatura na wlocie do wymiennika obniży się do 3-4^oC. Dzięki temu temperatura wzrasta, ale w tym czasie nie odbywa się wymiana ciepła. Bardziej zaawansowany układ nie wyłącza wentylatora, tylko zmniejsza jego prędkość – jest stosowany w rekuperatorach z silnikami o zmiennej prędkości obrotowej (EC). Wymiana ciepła na czas rozmrażania nie ustaje zupełnie, więc sprawność energetyczna rekuperatora jest wyższa. Trzecia metoda to zastosowanie nagrzewnicy wstępnej, na ogół elektrycznej. Gdy temperatura na wlocie do wymiennika staje się zbyt niska, włącza się nagrzewnica i świeże powietrze jest podgrzewane – temperatura rośnie, więc woda nie zamarza. Dzięki temu wentylatory mogą pracować zawsze ze stałą wydajnością, ale sprawność odzysku ciepła i tak się zmniejsza – do układu jest dostarczana dodatkowa energia, i to droga, bo elektryczna. Taki system można jednak uznać za energooszczędny, pod warunkiem że moc nagrzewnicy jest płynnie regulowana, dzięki czemu pobór energii elektrycznej jest minimalny. W tańszych modelach występuje prosta regulacja włącz-wyłącz, a takie rozwiązanie jest znacznie mniej efektywne. Droższe modele rekuperatorów mają nie tylko płynną regulację prędkości obrotowej wentylatorów czy mocy nagrzewnicy, lecz także tak zwany by-pass. Jest to przepustnica sterująca przepływem powietrza wewnątrz rekuperatora – przez wymiennik ciepła albo obok niego. Możliwość ominięcia wymiennika przydaje się latem, żeby chłodniejsze świeże powietrze nie było niepotrzebnie ogrzewane przez cieplejsze z rozgrzanych przez słońce pomieszczeń. Ponieważ w ciągu roku taka sytuacja występuje na przemian z taką, w której wymiana ciepła jest pożądana, najlepiej gdy by-pass jest automatyczny. Wtedy rekuperator zawsze pracuje w trybie zapewniającym w danej chwili najwyższy poziom komfortu.

Wydajność rekuperatora

Wyboru modelu rekuperatora należy dokonać na podstawie wymaganej wydajności jego wentylatorów – natężenia przepływu powietrza, jakie są w stanie zapewnić przy określonej wartości sprężu (zdolności do wytworzenia ciśnienia dynamicznego niezbędnego do pokonania oporów przepływu). Natężenie przepływu powinno odpowiadać ilości powietrza, jaka powinna być usuwana w ciągu godziny z pomieszczeń w naszym domu – ustala się ją na podstawie wymagań normy PN-83/B-03430. Wymagany spręż wentylatorów wynika z oporów przepływu powietrza przez instalację wentylacyjną. Do ich precyzyjnego obliczenia jest potrzebna wiedza projektanta instalacji sanitarnych, ale w tak nieskomplikowanych systemach jak te w domach jednorodzinnych przyjmuje się, że wystarczającą wartością sprężu dyspozycyjnego centrali wentylacyjnej jest 150 Pa. Zapewniane przez nią natężenie przepływu powietrza można więc ustalić dla tej wartości. Zależność sprężu dyspozycyjnego od natężenia przepływu obrazuje krzywa (charakterystyka), której przebieg powinien być uwidoczniony na wykresie zamieszczonym w danych technicznych urządzenia. Ponieważ opory przepływu powietrza trudno jest określić z dużą dokładnością, do tego mogą się one zmieniać w trakcie eksploatacji instalacji wentylacyjnej (na przykład na skutek brudzenia się filtrów powietrza), powinniśmy wybrać centralę wentylacyjną, której charakterystyka w pobliżu punktu pracy jest płaska (zmiana sprężu o kilkadziesiąt paskali nie powinna powodować dużej zmiany natężenia przepływu powietrza). Wtedy będziemy mieli pewność, że wentylatory zapewnią wymaganą wydajność wentylacji i jednocześnie będą pracowały ekonomicznie oraz cicho.

Wentylacja mechaniczna w domu energooszczędnym: wideo

Piotr Laskowski, Redaktor naczelny