W poprzedniej części przeglądu, przedstawiliśmy Państwu dostępne na naszym rynku rozwiązania, omówiliśmy ogólny podział wymienników ciepła oraz pokazaliśmy wady i zalety najpopularniejszego z nich – wymiennika przeciwprądowego klasycznego. Wszystkich z Was, którzy nie czytali pierwszej części artykułu, zanim przejdziecie dalej, gorąco zachęcamy do lektury.
W tej części omówimy pozostałe typy wymienników tj.:
- Obrotowy klasyczny,
- Przeciwprądowy entalpiczny,
- Obrotowy sorpcyjny.
Wymiennik obrotowy klasyczny
Rys.1 Schemat rekuperatora z obrotowym, klasycznym wymiennikiem ciepła
Wymienniki obrotowe w przypadku domów jednorodzinnych są drugim najczęściej wybieranym rozwiązaniem na rodzimym rynku. Natomiast faktem jest że jednocześnie są najpopularniejszym rozwiązaniem w krajach Europy północnej. Produkcja wymienników obrotowych, jest realizowana przez dużo węższą grupę producentów, m. in. z uwagi na wyższe koszty produkcji oraz w przypadku rekuperatorów, konieczność stworzenia dedykowanej automatyki sterującej. Z drugiej strony, przeszkodą dla producentów rekuperatorów, którzy bazują na sprowadzaniu wymienników z firm zewnętrznych jest ich mniejsza dostępność, a co za tym idzie wysoka cena (wyższa niż wymienników przeciwprądowych).
Zasada działania w pigułce
Źródło: https://www.heatex.com/
Jak już wspomnieliśmy przy okazji podziału wymienników, wymienniki obrotowe działają w inny sposób. Najczęściej są wykonane z profilowanej blachy aluminiowej lub stalowej. Profil blachy zależy od patentu producenta, natomiast z reguły kształtem przypomina karby lub fale. Profilowana blacha jest naprzemiennie układana z płaską tworząc w ten sposób kanaliki przez które może przepływać powietrze.
Wymiana energii zachodzi dzięki wprawieniu wymiennika w ruch obrotowy. Blacha aluminiowa odbiera ciepło ze strumienia powietrza wywiewanego z pomieszczeń i przekazuje je do świeżego powietrza, czerpanego z zewnątrz.
Ważne jest to, że wymiennik do swojej pracy potrzebuje silnik elektryczny oraz pasek, dzięki, którym jest wprawiany w ruch. Są to elementy, które w trakcie eksploatacji potencjalnie mogą ulec uszkodzeniu, jednak nie należy demonizować tego aspektu –urządzenia wysokiej klasy odznaczają się niską awaryjnością a sama wymiana paska zajmuje kilka minut i jest bardzo prosta. Warto wiedzieć, że wspomniany silnik elektryczny nie zużywa dużo energii, pobory mocy przez silniki napędzające wymienniki rekuperatorów domowych nie przekraczają 10W.
Sprawność temperaturowa wymiennika obrotowego jest zależna od producenta, jednak z reguły sezonowo wynosi około 80÷85%. Oznacza to, że w większości przypadków nie uzyskamy komfortowej temperatury powietrza nawiewanego po odzysku ciepła. W związku z tym potrzebne może okazać się podgrzanie powietrza do komfortowej temperatury 18÷20oC z wykorzystaniem wtórnej nagrzewnicy elektrycznej. Charakterystyka pracy wymiennika obrotowego sprawia, że osiąga on bardzo zbliżone parametry sprawności temperaturowej w pełnym zakresie pracy (wydajności).
Odzysk wilgoci
W wyniku prowadzenia wyżej omówionego procesu, poza odzyskiem ciepła (temperatury), dochodzi także do częściowego odzysku masy (wilgoci). Skroplona wilgoć pochodząca ze schłodzonego powietrza wewnętrznego, osadza się wewnątrz kanalików wymiennika. W wyniku obrotu wymiennik przechodzi w strefę gdzie przepływa przez niego zimne powietrza zewnętrzne i poza wymianą ciepła następuje również odparowanie skroplonej wilgoci do świeżego powietrza. Dzięki częściowemu odzyskowi wilgoci, wymienniki obrotowe w przypadku wystąpienia ujemnych temperatur pozwalają zachować komfortową wilgotność powietrza w domu, przy założeniu, że domownicy wytwarzają wystarczająco dużo pary wodnej. Sprawność odzysku wilgoci wynosi do 50÷60%, przy czym należy pamiętać, że odzysk wilgoci w tym rozwiązaniu jest możliwy wyłącznie wtedy gdy występuje odpowiednio duża różnica temperatury powietrza zewnętrznego oraz wyciąganego z pomieszczeń, która pozwoli na kondensację pary wodnej.
Praca w okresie letnim
Wymienniki obrotowe pracują przez większość roku odzyskując ciepło lub chłód. W okresie letnim w przypadku wystąpienia analogicznych warunków jak dla przykładu z wymiennikiem przeciwprądowym tj.:
- 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%,
wymiennik obrotowy będzie schładzał powietrze dostarczane do budynku, natomiast w przypadku kondensacji wilgoci, zostanie ona w wyniku obrotu wymiennika częściowo zawrócona do strumienia powietrza wywiewanego z pomieszczeń a w konsekwencji wydmuchana przez strumień wentylatorów. Warto zaznaczyć, że opisywany przypadek jest skrajnym. Przez zdecydowaną większość czasu (90-95%) nie wystąpią warunki do kondensacji pary wodnej, co za tym idzie pracę wymiennika obrotowego w okresie letnim będziemy rozpatrywać wyłącznie w aspekcie sprawności temperaturowej.
Mieszanie strumieni powietrza
Z uwagi na to, że powietrze naprzemiennie omywa tą samą powierzchnię wymiennika, dochodzi do mieszania strumieni powietrza. W zależności od producenta i jakości urządzenia, mieszanie wynosi 2% i więcej. Dla topowych producentów mieszanie strumieni powietrza jest na podobnym lub nieznacznie wyższym poziomie w porównaniu z rekuperatorami z wymiennikami przeciwprądowymi.
Ujemne temperatury – zabezpieczenie
Wymienniki obrotowe nie bez powodu są najpopularniejszym rozwiązaniem w krajach Europy północnej. Poza częściowym odzyskiem wilgoci, ciągłe obracanie się, zapewnia cykliczny kontakt wymiennika z ciepłym powietrzem wewnętrznym. Dzięki temu rotor może bezpiecznie pracować bez dodatkowych systemów przeciwzamrożeniowych i nie zamarznąć nawet w temperaturach do -15÷-20oC.
Aspekt ten sprawia, że wymienniki obrotowe zazwyczaj nie posiadają nagrzewnic wstępnych, co przekłada się na niższe koszty eksploatacji przy niskich temperaturach.
Podsumowanie
| ZALETY | WADY |
|---|---|
| Bardzo dobrze sprawują się w okresie zimowym, kiedy temperatury są ujemne, a powietrze zewnętrzne jest suche | Niższa niż w przypadku wymienników przeciwprądowych klasycznych sprawność temperaturowa |
| Odzysk wilgoci w okresie zimowym do 60% | Do swojej pracy wymaga ciągłego doprowadzenia energii zewnętrznej (silnik elektryczny do napędu rotora) |
| Brak konieczności zabezpieczenia wymiennika w ujemnych temperaturach przy pomocy nagrzewnicy elektrycznej | Statystycznie większa podatność na uszkodzenia – zerwanie paska, uszkodzenie silnika |
| Niskie koszty eksploatacji w przypadku niskich temperatur zewnętrznych | |
| Kompaktowe wymiary rekuperatorów z uwagi na mniejsze wymiary wymiennika | |
| Odzysk chłodu w okresie letnim bez pasywnego osuszania powietrza |
Tab. 1 Podsumowanie – wymiennik obrotowy klasyczny
Wymiennik przeciwprądowy entalpiczny
Źródło: https://core.life/
Wymienniki przeciwprądowe entalpiczne nie są nowym rozwiązaniem. Na rynku są stosowane od kilku dobrych lat, natomiast materiał z którego są wykonywane został przedefiniowany, co błyskawicznie przełożyło się na duże zainteresowanie odbiorców. Dodatkowo wymiennik entalpiczny zdaje się być pozbawiony wad, które posiada wymiennik przeciwprądowy klasyczny, tzn. jest on bardziej dostosowany do klimatu krajów takich jak Polska, gdzie bliżej nam do warunków panujących w Skandynawii niż do klimatu Europy zachodniej czy południowej.
Zasada działania w pigułce
Wymienniki przeciwprądowe entalpiczne obecnie wykonywane są z membrany polimerowej. Nowy materiał rozwiązuje problemy z którymi borykał się jego poprzednik tj. celuloza. Wymienniki celulozowe miały wysokie problemy z higieną oraz trwałością. Membrana polimerowa zapewnia wysoką wytrzymałość, a dodatkowo specjalna powłoka zapobiega tworzeniu się grzybów i pleśni.
Wymienniki przeciwprądowe entalpiczne co do zasady działają analogicznie do wymienników przeciwprądowych, tzn. wymiana energii zachodzi przez płytę wymiennika. Sprawność wymienników entalpicznych jest w dużym stopniu uzależniona od ilości przepływającego powietrza oraz temperatury zewnętrznej. Oznacza to, że wymiennik traci sprawność przy zwiększaniu wydatku powietrza, jak również wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej. Maksymalne sprawności oscylują w granicach 80÷85%, natomiast minimalne schodzą nawet poniżej 70%.
Kolejnym aspektem jest to, że w zimowe dni temperatura powietrza nawiewanego po odzysku ciepła podobnie jak w przypadku wymiennika obrotowego, nie osiągnie temperatury komfortu 18÷20oC, dlatego konieczne będzie stosowanie wtórnej nagrzewnicy elektrycznej.
Odzysk wilgoci
W naszym klimacie odzysk wilgoci jest niewątpliwą zaletą wymiennika entalpicznego. Podobnie jak w przypadku każdego wymiennika częściowo odzyskującego wilgoć, musimy pamiętać, że wymiennik ją odzyskuje a nie produkuje. Zasada działania opiera się na dyfuzji pary wodnej przez membranę polimerową. Wymiennik tego typu posiada sprawność odzysku wilgoci na poziomie nawet 60÷70%, ale tylko w przypadku gdy w domu mamy wysoką wilgotność. Można z doświadczenia stwierdzić, że sprawności odzysku wilgoci w rzeczywistych warunkach (nie marketingowych), dla wymiennika przeciwprądowego entalpicznego i obrotowego klasycznego są bardzo zbliżone. Różnica polega na tym, że wymiennik przeciwprądowy entalpiczny do prowadzenia procesu odzysku wilgoci nie wymaga wystąpienia zjawiska kondensacji w przeciwieństwie do obrotowego, oznacza to, że posiada większy „zakres pracy” w kontekście odzysku wilgoci.
Praca w okresie letnim
Wymienniki przeciwprądowe entalpiczne dzięki membranie polimerowej również mogą pracować w okresie letnim. W omawianych warunkach atmosferycznych, dla przypomnienia:
- wysoka temperatura oraz wilgotność powietrza zewnętrznego np. 30oC, RH90%, która występuje przykładowo po intensywnych opadach,
- stosunkowo niska temperatura i wilgotność powietrza domowego np. 22oC, RH40%,
wymiennik przeciwprądowy entalpiczny będzie schładzał powietrze dostarczane do budynku, natomiast w porównaniu do klasycznego wymiennika przeciwprądowego oraz obrotowego będzie również odzyskiwał wilgoć. Istotą procesu odzysku wilgoci jest to, że wymiennik przekazuje nadmiar wilgoci zgromadzonej w powietrzu zewnętrznym do powietrza wywiewanego z budynku a więc je pasywnie osusza. Dzięki temu aspektowi wymiennik ten obniża moc wymaganą do klimatyzowania pomieszczeń i pozwala zachować komfortowe warunki wewnątrz domu. Co ważne w przypadku tego typu rozwiązania nie ma potrzeby stosowania dodatkowej tacy ociekowej tak jak miało to miejsce w przypadku klasycznego wymiennika przeciwprądowego.
Mieszanie strumieni powietrza
Kwestia mieszania strumieni powietrza jest analogiczna do wymiennika przeciwprądowego klasycznego. Oczywiście głównym kryterium jest jakość wykonania rekuperatora do którego trafia omawiany wymiennik.
Ujemne temperatury – zabezpieczenie
Kolejnym atutem membrany polimerowej jest niższa temperatura zamarzania. Przy temperaturach zewnętrznych dochodzących nawet do -8oC, wymienniki entalpiczne nie wymagają zabezpieczenia przed zamrożeniem, przy założeniu, że powietrze wewnątrz domu nie jest bardzo wilgotne np. w wyniku oddawania wilgoci przez tynki w pierwszych miesiącach mieszkania, zmniejszenia intensywności wymiany powietrza itd.. W związku z tym, że temperatura zamarzania jest zależna od wilgotności w domu, należy pamiętać, że realnie wymiennik może zacząć zamarzać w zakresie temperatur -3÷ -8oC. Poniżej wspomnianej temperatury w większości przypadków uruchomi się elektryczna nagrzewnica wstępna, która zwiększy końcowe zużycie energii.
Podsumowanie
| ZALETY | WADY |
|---|---|
| Odzysk wilgoci w okresie zimowym do 70% | Niższa sprawność temperaturowa w porównaniu z wymiennikiem przeciwprądowym klasycznym |
| Poszerzony temperaturowy zakres pracy bez wykorzystania nagrzewnicy wstępnej | Pomimo niższej temperatury zamarzania w porównaniu z wymiennikiem przeciwprądowym klasycznym, nadal w naszym klimacie występuje konieczność zabezpieczenia wymiennika |
| Niska podatność na uszkodzenia – brak elementów ruchomych (z wyłączeniem siłownika od przepustnicy by-pass’u) | Zwiększenie kosztów eksploatacji w przypadku niskich temperatur zewnętrznych |
| Niskie koszty eksploatacji w okresach kiedy temperatura nie spada poniżej granicy zamarzania | Duże wymiary rekuperatorów z uwagi na powierzchnię, którą zajmuje wymiennik ciepła |
| Odzysk chłodu w okresie letnim z pasywnym osuszaniem powietrza | Wysokie koszty zakupu |
Tab. 2 Podsumowanie – wymiennik przeciwprądowy entalpiczny
Wymiennik obrotowy sorpcyjny
Źródło: https://www.swegon.com/
Wymienniki obrotowe sorpcyjne w przypadku dużych central wentylacyjnych są technologią znaną i stosowaną od dłuższego czasu. W przypadku małych, domowych rekuperatorów ten rodzaj wymiennika jest rzadkością i dopiero raczkuje na naszym rynku.
Z uwagi na swoje liczne zalety i popularność w krajach południowych, przybliżymy jego charakterystykę, która sugeruje wnioskować, że jest on skazany na sukces ponieważ łączy w sobie największe zalety wymiennika obrotowego klasycznego i przeciwprądowego entalpicznego.
Zasada działania w pigułce
Wymiennik obrotowy sorpcyjny co do zasady działania, nie różni się od klasycznego. W tym przypadku również mamy do czynienia z profilowaną blachą naprzemiennie układaną z płaską, w wyniki czego tworzą się kanaliki przez które może przepływać powietrze. Różnica polega na tym, że blacha jest dodatkowa pokryta materiałem o właściwościach silnie higroskopijnych, obecnie wiodący producenci stosują zeolit, można spotkać również żel silikatowy. Zeolit z racji na mniejszą średnicę porów oraz właściwości oczyszczające jest rozwiązaniem dającym lepsze parametry zarówno pod kątem odzysku wilgoci jak również higieny samego wymiennika.
W przypadku wymienników obrotowych sorpcyjnych w dalszym ciągu materiałem kumulującym energię jest blacha aluminiowa co przekłada się na sprawność temperaturową analogiczną do klasycznego wymiennika obrotowego tj. 80÷85%. Oznacza to, że w większości przypadków nie uzyskamy komfortowej temperatury powietrza nawiewanego po odzysku ciepła. W związku z tym podobnie jak w przypadku wymiennika obrotowego klasycznego i przeciwprądowego entalpicznego, potrzebne może okazać się podgrzanie powietrza do komfortowej temperatury 18÷20oC z wykorzystaniem wtórnej nagrzewnicy elektrycznej.
Odzysk wilgoci
W przypadku tego rozwiązania do odzysku wilgoci nie jest wymagane wystąpienie zjawiska kondensacji pary wodnej, warstwa higroskopijna na zasadzie adsorpcji tymczasowo gromadzi na swojej powierzchni parę wodną, która w okresie zimowym w wyniku obrotu wymiennika przenoszona jest do strumienia powietrza nawiewanego. Sprawność odzysku wilgoci wynosi nawet do 90% co sprawia, że rozwiązanie to osiąga najlepsze parametry w zestawieniu z poprzednio omawianymi wymiennikami.
Praca w okresie letnim
Wymienniki obrotowe sorpcyjne dzięki powłoce higroskopijnej również mogą pracować efektywnie w okresie letnim. W omawianych warunkach atmosferycznych, dla przypomnienia:
- wysoka temperatura oraz wilgotność powietrza zewnętrznego np. 30oC, RH90%, która występuje przykładowo po intensywnych opadach,
- stosunkowo niska temperatura i wilgotność powietrza domowego np. 22oC, RH40%,
wymiennik obrotowy sorpcyjny będzie prowadził odzysk chłodu oraz pasywnie osuszał powietrze. Transfer pary wodnej w okresie letnim odbywa się podobnie jak w przypadku wymiennika przeciwprądowego entalpicznego od strumienia powietrza o wyższej do strumienia o niższej zawartości wilgoci. Pasywne osuszanie powietrza sprawia, że moc potrzebna do chłodzenia pomieszczeń jest niższa a powietrze w okresie letnim nie jest aż tak wilgotne co przekłada się na wyższy komfort.
Mieszanie strumieni powietrza
Kwestia mieszania strumieni powietrza jest analogiczna do wymiennika obrotowego klasycznego.
Ujemne temperatury – zabezpieczenie
Wymiennik obrotowy sorpcyjny bazują na analogicznych cechach jak obrotowy klasyczny, jednak z uwagi na zastosowanie warstwy sorpcyjnej oraz zwiększoną liczbę obrotów, mają jeszcze niższą temperaturę przemarzania, która wynosi nawet -20÷ -25oC. Parametry te wynikają z faktu, że w tym wymienniku nie zmagamy się z nadmierną kondensacją pary wodnej, bazujemy na zjawisku adsorpcji, co więcej jesteśmy w stanie zawrócić nawet 90% pary wodnej z powietrza wywiewanego co znacząco minimalizuje ryzyko potencjalnego szronienia.
Podsumowanie
| ZALETY | WADY |
|---|---|
| Odzysk wilgoci w okresie zimowym nawet do 90% | Niższa niż w przypadku wymienników przeciwprądowych sprawność temperaturowa |
| Pełny temperaturowy zakres pracy bez wykorzystania nagrzewnicy wstępnej | Do swojej pracy wymaga ciągłego doprowadzenia energii zewnętrznej (silnik elektryczny do napędu rotora) |
| Brak konieczności zabezpieczenia wymiennika w ujemnych temperaturach przy pomocy nagrzewnicy elektrycznej | Statystycznie większa podatność na uszkodzenia – zerwanie paska, uszkodzenie silnika |
| Niskie koszty eksploatacji w przypadku niskich temperatur zewnętrznych | |
| Kompaktowe wymiary rekuperatorów z uwagi na mniejsze wymiary wymiennika | |
| Odzysk chłodu w okresie letnim z pasywnym osuszaniem powietrza |
Tab. 3 Podsumowanie – wymiennik obrotowy sorpcyjny
Który wymiennik ciepła wybrać?
Wymiennik ciepła to jeden z podstawowych elementów rekuperatora. Bez niego nie byłaby możliwa realizacja najważniejszej, poza wentylacją, funkcji tych urządzeń – odzysku ciepła, a w niektórych rozwiązaniach również wilgoci. Który z nich jest najlepszy, na który należy postawić i w który powinno być wyposażone urządzenie wybrane przez Państwa? To zależy od wielu czynników – wykonania instalacji, projektu domu, jak również stylu życia i przyzwyczajeń domowników. Wybór rekuperatora z konkretnym wymiennikiem ciepła tylko z pozoru jest prosty. Dlatego, jako INSTEO z przyjemnością, obiektywnie pomożemy Państwu w dokonaniu optymalnego wyboru – w myśl naszej głównej zasady – doradzamy, nie sprzedajemy!
Zapraszamy do lektury kolejnych artykułów z serii „Zdobywam wiedzę z INSTEO”.