Wymienniki ciepła są często nazywane sercem rekuperatora. To one odpowiadają za jego najważniejszą cechę – odzysk energii cieplnej z powietrza usuwanego z domu. Często mówi się o nich również w kontekście sprawności temperaturowej – czyli jak dużo energii są w stanie odzyskać bez dostarczania energii z zewnątrz. W pierwszej części artykułu, którą właśnie Państwo czytacie omówimy ogólny podział wymienników oraz przedstawimy wady i zalety najpopularniejszego z nich – przeciwprądowego klasycznego. W 2 części, przeczytacie Państwo o wadach i zaletach pozostałych typów wymienników.
Na rynku mamy obecnie dostępne następujące rozwiązania – które ułożyliśmy w kolejności od najpopularniejszego na naszym rynku.
- Przeciwprądowy klasyczny.
- Obrotowy klasyczny.
- Przeciwprądowy entalpiczny.
- Obrotowy sorpcyjny.
Rekuperatory z wymiennikami przeciwprądowymi klasycznymi, ze względu na dużą dostępność, są oferowane przez większość producentów i dystrybutorów. Co za tym idzie – są najpopularniejszym rozwiązaniem w Polsce, jak również w zachodniej i południowej Europie.
Z drugiej strony, największym „rywalem” wymiennika przeciwprądowego jest wymiennik obrotowy. Urządzenia z tym rodzajem odzysku dostarczane są przez coraz większą liczbę producentów i dystrybutorów.
W tym miejscu warto zwrócić uwagę na wymiennik krzyżowy, który jeszcze kilka lat temu był zdecydowanym numerem jeden. Zmiany przepisów, niska sprawność odzysku oraz rozwój wymienników przeciwprądowych sprawiają, że jest on sukcesywnie wypierany z rynku.
Rozwiązaniem, które wymaga szczególnej uwagi jest wymiennik przeciwprądowy entalpiczny. Jego budowa jest analogiczna do wymiennika przeciwprądowego klasycznego, jednak z uwagi na możliwość odzysku wilgoci bardzo szybko zyskuje na popularności, a jego największą wadą jest w tym momencie wysoka cena.
Pozostałe rozwiązania z różnych przyczyn nie są wiodącymi na rynku.
WAŻNA UWAGA!
W dalszej części artykułu przedstawimy wady i zalety najpopularniejszych wymienników ciepła, nie będziemy się skupiać na kosztach zakupu rekuperatorów z poszczególnymi typami wymienników i ich późniejszej eksploatacji.
Podział wymienników ciepła – sposób odzysku
Wymienniki ciepła z uwagi na różną konstrukcję opierają zasadę swojego działania na różnych zjawiskach fizycznych, z których każde ma swoje wady i zalety. Przybliżymy je Państwu w jednym z kolejnych artykułów z tej serii. Ogólnie mówiąc, proces odzysku ciepła w wentylacji mechanicznej opiera się na ponownym wykorzystywaniu ciepła zawartego w powietrzu wywiewanym z pomieszczeń.
Rekuperacja – zachodzi w przypadku gdy strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego nie stykają się bezpośrednio ze sobą (nie oznacza to, że rekuperator z tym wymiennikiem gwarantuje pełną separację – mieszanie strumieni powietrza zachodzi w całej objętości rekuperatora, nie tylko w wymienniku ciepła). Proces wymiany ciepła odbywa się przez materiał z którego wykonany jest wymiennik np. tworzywo sztuczne, aluminium, stal.
Regeneracja – zachodzi w przypadku gdy strumień powietrza nawiewanego i wywiewanego na przemian omywa tę samą powierzchnię wymiennika, dzięki czemu może być realizowana wymiana ciepła, jak również masy (pary wodnej).
| Rekuperatory | Regeneratory |
|---|---|
| Wymiennik przeciwprądowy klasyczny | Wymiennik obrotowy klasyczny |
| Wymiennik krzyżowy | Wymiennik obrotowy sorpcyjny |
| Wymiennik przeciwprądowy entalpiczny |
Tab. 1 podział wymienników ciepła – sposób odzysku
Podział wymienników ciepła – odzysk wilgoci
Kolejnym kryterium dzielącym wymienniki jest kwestia odzysku wilgoci. Wymienniki dzielą się na te, które wilgoć odzyskują i na te, które tego nie robią.
| Wymienniki z odzyskiem wilgoci | Wymienniki bez odzysku wilgoci |
|---|---|
| Wymiennik obrotowy klasyczny | Wymiennik przeciwprądowy klasyczny |
| Wymiennik obrotowy sorpcyjny | Wymiennik krzyżowy |
| Wymiennik przeciwprądowy entalpiczny |
Tab. 2 Podział wymienników ciepła – odzysk wilgoci
Wymiennik ciepła przeciwprądowy klasyczny
Rys. 1 Schemat rekuperatora z przeciwprądowym klasycznym wymiennikiem ciepła
Wymienniki przeciwprądowe są najpopularniejszym rozwiązaniem zarówno w Polsce, jak i zachodniej oraz południowej Europie. Wymienniki przeciwprądowe pochodzą z Europy zachodniej, gdzie panujący klimat tzn. ciepłe zimy oraz wysoka wilgotność powietrza, sprawia że rozwiązanie to sprawdza się idealnie. W przypadku tego typu odzysku energii, dopiero przy ujemnych temperaturach, pojawia się problem z utrzymaniem komfortowej wilgotności oraz dochodzi kwestia zabezpieczenia wymiennika przez zamarzaniem.
Zasada działania w pigułce
Źródło: https://core.life/
Klasyczne, wymienniki przeciwprądowe są wykonane z płyt z tworzywa lub coraz rzadziej z blachy aluminiowej/stalowej. Płyty tworzą kanaliki, przez które naprzemiennie, w przeciwległych kierunkach przepływa powietrze wywiewane z domu oraz czerpane z zewnątrz. Przekazywanie energii zgromadzonej w domu do świeżego powietrza czerpanego z zewnątrz, zachodzi przez płyty wymiennika.
Wymienniki przeciwprądowe, z uwagi na swoją budowę mają największą powierzchnię czynną, przez co w pełnym zakresie pracy rekuperatora osiągają najwyższą sprawność temperaturową. Przy swojej nominalnej wydajności, osiągają sprawności na poziomie 85÷95% co w praktyce przekłada się również na najwyższe temperatury uzyskiwane po odzysku ciepła. Co to oznacza w praktyce? Nie zagłębiając się w szczegóły, jeżeli temperatura zewnętrzna nie spadnie do ekstremalnych wartości, przy, których moc nagrzewnicy wstępnej nie będzie wystarczająca do zabezpieczenia wymiennika (o tym zaraz więcej), będziemy mogli cieszyć się temperaturą nawiewanego powietrza na poziomie nawet 18÷20oC (przy temperaturze w domu na poziomie 22oC, RH40%) bez jego dodatkowego podgrzewania nagrzewnicą elektryczną wtórną (zlokalizowana za wymiennikiem ciepła).
Odzysk wilgoci
Tak jak wspomnieliśmy, wymiennik przeciwprądowy pochodzi z klimatu, gdzie ludzie chcą się pozbywać nadmiaru wilgoci, a niekoniecznie ją odzyskiwać. W naszych warunkach klimatycznych fakt, że nie odzyskują wilgoci, w przypadku domów jednorodzinnych uznawany jest jednak za wadę.
W Polsce, użytkownicy rekuperatorów z tego typu wymiennikiem, zimą „ratują się” zmniejszając wydajność urządzenia (ilość dostarczanego oraz usuwanego powietrza) tak, aby ograniczyć ilość usuwanej wilgoci. Dzięki takiemu zabiegowi jest im łatwiej skompensować (wyprodukować) niedobór wilgoci, tak aby końcowo cieszyć się komfortowym (nie suchym) powietrzem. Niestety. Przy niskich wydajnościach wymiana powietrza jest znikoma, co może powodować potoczny zaduch, czy też gorsze samopoczucie.
Opisana sytuacja dotyczy dużej grupy użytkowników i wyjścia są dwa:
- Wymiana rekuperatora na inny z odzyskiem wilgoci (wysokie koszty),
- Zastosowanie kanałowego nawilżacza powietrza (niższe, ale jednak dalej wysokie koszty).
Nawilżacze powietrza do rekuperatorów zyskują na popularności. Aktualnie na rodzimym rynku bez problemu znajdziemy nawilżacze, które możemy zastosować niezależnie od marki czy modelu posiadanego rekuperatora. Największą zaletą stosowania nawilżaczy jest pełna kontrola poziomu wilgotności w domu. Minusem, tak jak wspomnieliśmy, znaczne koszty zakupu i późniejszej eksploatacji oraz konieczność poprowadzenie dodatkowej instalacji, która doprowadzi wodę do nawilżacza. Ale o kosztach mieliśmy nie rozmawiać.
CIEKAWOSTKA!
Człowiek w ciągu godziny swojej normalnej, dziennej aktywności „produkuje” ok 90g/h pary wodnej. Nawet śpiąc jest to ok 50g na godzinę. Co więcej, gotując w ciągu godziny wytwarzamy nawet 1000-2000g/h pary wodnej, a każda roślina w domu produkuje nam 7÷15 g/h pary wodnej itd…
Praca w okresie letnim
Tytułem wstępu, nasz klimat poza okresem jesienno-zimowym posiada jeszcze czas w którym możemy cieszyć się słońcem i wysokimi temperaturami. Czy wymienniki w ogóle mogą odzyskiwać chłód i kiedy mogą to robić? Załóżmy, że ktoś stosuje klimatyzację, która w dzisiejszych czasach staje się standardem. Wymiennik ciepła może odzyskiwać chłód, który tworzymy w domu tak żeby ograniczyć ilość gorącego, letniego powietrza wprowadzanego do domu. W związku z tym, wiemy, że mogą a czy to robią? Zależy.
Spójrzmy więc jak pracuje wymiennik przeciwprądowy w okresie letnim. Podstawową kwestią jest to, że sam wymiennik jak najbardziej może pracować w okresie letnim, tak jak wspomnieliśmy odzyskując w tym przypadku nie ciepło a chłód zgromadzony w domu. Istnieje jednak ryzyko, że w przypadku:
- wysokiej temperatury oraz wilgotności powietrza zewnętrznego np. 30oC, RH90%, która występuje przykładowo po intensywnych opadach,
- stosunkowo niskiej temperatury i wilgotności powietrza domowego np. 22oC, RH40%,
w wymienniku zacznie się wykraplać wilgoć, którą kumuluje w sobie powietrze zewnętrzne. Nie każdy producent rekuperatorów jest przygotowany na taką sytuację tj. rekuperator nie posiada tacy ociekowej po stronie czerpni świeżego powietrza, czyli miejsca gdzie może dojść do takiego wykroplenia (w okresie zimowym wilgoć wykrapla się z powietrza wywiewanego z pomieszczeń). Z uwagi na ten fakt, część rekuperatorów z wymiennikami przeciwprądowymi w okresie letnim nie wykorzystuje wymiennika ciepła, powietrze zewnętrzne w takich urządzeniach omija go wykorzystując przepustnicę by-pass’u. Ze względu na niskie ryzyko kondensacji, niektórzy producenci wykorzystują wymiennik do pracy w okresie letnim, licząc się z tym, że wewnątrz urządzenia może pojawić się kondensat.
Mieszanie strumieni powietrza
Na pierwszy rzut oka strumienie powietrza są od siebie odseparowane. Pamiętajmy jednak, że wymiennik to jeden z elementów całego urządzenia i rozpatrujemy rekuperator jako całość. Mieszanie strumieni powietrza w samym wymienniku wynosi <0,25% (jest to wymóg prawny), natomiast w urządzeniach z tym typem wymiennika, po uwzględnieniu wszelkich nieszczelności występuje na poziomie pomiędzy 0,5÷8%, w zależności od klasy rekuperatora.
Ujemne temperatury – zabezpieczenie
Dlaczego w ogóle potrzebujemy zabezpieczenia? Odpowiedź jest prosta. Wilgoć, która wykrapla się na wymienniku w temperaturach poniżej 0oC, zaczyna zamarzać. Producenci rekuperatorów z wymiennikami przeciwprądowymi najczęściej stosują elektryczne nagrzewnice wstępne. Ich zadaniem jest wyłącznie ochrona wymiennika, a konkretnie, nie pozwalają one na zamarzanie wykraplanej wilgoci. Wstępna nagrzewnica elektryczna w przypadku wymienników przeciwprądowym, uruchamia się w zależności od urządzenia przy temperaturze zewnętrznej pomiędzy 0 a -5oC.
Co ciekawe, u niektórych producentów nagrzewnice wstępne nie są przystosowane do dogrzewania powietrza i już przy temperaturze zewnętrznej poniżej -10÷-15oC, tego typu rekuperatory muszą być wspomagane dodatkowymi zabezpieczeniami np. częściowe lub całkowite otworzenie przepustnicy by-pass’u czy zwiększenie udziału ciepłego, wewnętrznego powietrza kosztem świeżego (dzięki temu rozwiązaniu wymiennik jest rozmrażany). W skrajnych przypadkach rekuperator może zostać wyłączony przez automatykę sterującą.
Podsumowanie
| ZALETY | WADY |
|---|---|
| Wysoka sprawność temperaturowa | Brak odzysku wilgoci |
| Idealnie sprawują się w okresach przejściowych, kiedy temperatury nie są ujemne a powietrze zewnętrzne jest wilgotne | Konieczność zabezpieczenia w ujemnych temperaturach nagrzewnicą elektryczną |
| Niska podatność na uszkodzenia – brak elementów ruchomych (z wyłączeniem siłownika od przepustnicy by-pass’u) | Wysokie koszty eksploatacji w przypadku niskich temperatur zewnętrznych |
| Nie potrzebuje nagrzewnicy wtórnej do uzyskania komfortowej temperatury nawiewu | Duże wymiary rekuperatorów z uwagi na powierzchnię, którą zajmuje wymiennik ciepła |
| Niskie koszty eksploatacji w okresach kiedy temperatura nie spada poniżej granicy zamarzania | U dużej części producentów, brak możliwości odzysku chłodu. |
Tab. 3 Podsumowanie – wymiennik przeciwprądowy klasyczny
W tym miejscu dajemy kropkę i kończymy pierwszą część naszego przeglądu rekuperatorów. Już teraz zapraszamy do lektury drugiej części, w której omówimy kolejne popularne na naszym rynku wymienniki ciepła.