Wymienniki ciepła zasada działania, definicja, rodzaje wymienników ciepła w rekuperatorze

Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła, czyli rekuperacja polega na wymianie powietrza w budynku w sposób całkowicie kontrolowany i wymuszony pracą centrali wentylacyjnej oraz współpracującym z nią systemem dystrybucji powietrza. Sam proces wymiany powietrza w budynku polega na usunięciu powietrza zużytego i zanieczyszczonego nadmiarem dwutlenku węgla, wilgoci i zapachów oraz wtłoczeniu w jego miejsce świeżego i przefiltrowanego powietrza czerpanego spoza budynku.

Poza usuwaniem zużytego powietrza i dostarczaniem do obiektu świeżego równie ważnym zadaniem realizowanym przez system rekuperacji jest proces odzysku ciepła z powietrza usuwanego i przekazanie go do powietrza nawiewanego. Proces odzysku ciepła, w fizyce nazywany właśnie procesem rekuperacji odbywa się w centrali wentylacyjnej, a ściślej mówiąc w wymienniku ciepła. To właśnie w wymienniku ciepła następuje proces przekazania energii cieplnej z przepływającego przez niego ciepłego powietrza zużytego usuwanego z budynku do strumienia powietrza nawiewanego, które choć świeże i przefiltrowane to chłodne.

Jak wygląda proces odzysku ciepła w wymienniku ciepła? Jaka jest właściwie zasada działania wymiennika ciepła?

Proces odzysku energii cieplnej jaki zachodzi w wymienniku ciepła w wyniku przepływu przez niego dwóch strumieni powietrza, które nie mieszają się ze sobą ani nie mają ze sobą bezpośredniego kontaktu, odbywa się na zasadzie przewodzenia i konwekcji ciepła poprzez ścianki wymiennika ciepła i przepływające masy strumienia powietrza nawiewanego i usuwanego po obu stronach ścianek. W wyniku pracy wentylatorów: nawiewnego i wyciągowego przepływające ciepłe powietrze uprzednio pobrane z budynku oddaje ciepło do przepływającego również przez wymiennik ciepła powietrza pobieranego z zewnątrz, które z zasady jest powietrzem chłodniejszym. Powietrze przepływające przez wymiennik oddaje część energii cieplnej, dzięki czemu jego temperatura stopniowo się obniża. W wyniku tego procesu wymiana ciepła następuje pomiędzy tymi dwoma strumieniami mas powietrza przy czym cieplejsze powietrze usuwane zostaje ochłodzone i usunięte poza budynek, a chłodne pobierane z zewnątrz ogrzane i dostarczone do poszczególnych pomieszczeń w budynku.

Wiesz już, że wymiennik ciepła stanowi jeden z ważniejszych podzespołów każdej centrali wentylacyjnej. To właśnie dzięki wymiennikowi ciepła chłodne powietrze pobierane z zewnątrz zostaje ogrzane dzięki wykorzystaniu energii cieplnej zawartej w powietrzu zużytym i usuwanym z budynku. Dzięki temu, że strumienie powietrza chłodnego i ciepłego oddzielone są od siebie przegrodą wymiennika ciepła, nie dochodzi do ich mieszania, co pozwala na zachowanie wysokiej jakości oraz czystości powietrza nawiewanego.

To, co sprawia, że wymiennik ciepła jest kluczowym elementem centrali wentylacyjnej to fakt, że w wymienniku ciepła świeże powietrze zostaje podgrzane bez użycia dodatkowej energii cieplnej, np. wytworzonej w wyniku pracy grzałki elektrycznej czy innego rodzaju urządzenia, do którego niezbędne jest doprowadzenie energii pozwalającej na wytworzenie ciepła. W wyniku przepływu powietrza wywiewanego i nawiewanego przez wymiennik ciepła następuje przekazanie energii cieplnej pomiędzy ciepłym i chłodnym powietrzem i to właśnie dzięki temu zjawisku wymiennik ciepła jest tak ważny zwłaszcza w kontekście korzyści jakie przynosi użytkownikowi wykorzystanie takiej właśnie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła:

• wysokie oszczędności energii: sprawność wymiennika ciepła może sięgać nawet do 95%;
• zapewnia komfort cieplny w budynku bez dodatkowych kosztów ogrzewania powietrza wentylacyjnego, umożliwia dostarczenie świeżego i ogrzanego powietrza nie wychładzającego pomieszczeń;
• zapewnia niższe rachunki za ogrzewanie: w wyniku mniejszego zapotrzebowania na energię niezbędną do ogrzania budynku przy jednocześnie wysokiej efektywności wymiany powietrza w budynku.

Różne rodzaje wymienników ciepła wykorzystywanych w prostszych i bardziej wyspecjalizowanych centralach wentylacyjnych charakteryzują się różnymi rodzajami konstrukcji: wymiennik krzyżowy współprądowy, krzyżowo przeciwprądowy i wymiennik obrotowy to główne rodzaje wymienników stosowanych w centralach wentylacyjnych. Każdy z nich wyróżnia się innymi właściwościami oraz przede wszystkim osiąganymi parametrami efektywności odzysku ciepła.

Centrale wentylacyjne z wymiennikami krzyżowo-przeciwprądowymi stanowią bardziej zaawansowane konstrukcje niż urządzenia wykorzystujące wymienniki krzyżowe współprądowe. Przepływ dwóch strumieni powietrza: nawiewanego i wywiewanego odbywa się z dwóch różnych kierunków, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie znacznie bardziej efektywnego stopnia odzysku ciepła sięgającego w przypadku tego rodzaju wymienników nawet 95%. Wymienniki krzyżowo przeciwprądowe wykorzystywane są w urządzeniach o bardziej zaawansowanej konstrukcji i automatyce sterującej pracą wentylatorów, dlatego ich cena jest wyższa niż wymienników współprądowych. Mimo wyższej ceny, wysoka sprawność odzysku ciepła powoduje, że tego typu wymienniki są częściej wybierane i z powodzeniem stosowane w większości budynków jednorodzinnych, usługowych i użyteczności publicznej.

Centrale wentylacyjne wyposażone w wymienniki obrotowe to urządzenia zdobywające coraz większą popularność, zwłaszcza wśród inwestorów budujących domy jednorodzinne. Wymienniki obrotowe, zaliczane do rodzaju wymienników entalpicznych to wymienniki, które w okresie zimowym poza odzyskiem ciepła z usuwanego powietrza zapewniają również odzysk wilgoci. Odzysk pary wodnej z wywiewanego powietrza zwiększa wilgotność powietrza dostarczanego do budynku, dzięki czemu wilgotność względna powietrza w domu w okresie grzewczym utrzymuje się na komfortowym poziomie, a zjawisko wysuszania powietrza w budynku praktycznie nie występuje. Wymiennik entalpiczny taki jak wymiennik obrotowy charakteryzuje się nieco niższym stopniem odzysku ciepła niż wymienniki krzyżowo przeciwprądowe. Jego sprawność odzysku ciepła zazwyczaj sięga około 85%, jednak gdyby zsumować zyski ciepła jawnego i ciepło utajone odzyskane z w postaci pary wodnej przekazanej powietrzu nawiewanemu wymienniki entalpiczne mogłyby uzyskać sprawność przekraczającą nawet 100%. Centrale z wymiennikami obrotowymi są droższe niż centrale z wymiennikami krzyżowymi. Większe koszty wynikają głównie ze złożoności budowy wymiennika obrotowego, dodatkowego silnika i rotora napędzającego wymiennik obrotowy i konieczności wykorzystania zaawansowanej automatyki sterującej i pomiarowej zapewniającej prawidłową pracę centrali z wymiennikiem obrotowym i zminimalizowanie wzajemnego mieszania strumieni powietrza usuwanego i nawiewanego.

Wymiennik entalpiczny, poza odzyskiem ciepła z usuwanego powietrza, zapewnia odzysk wilgoci. Zapewnia to znacznie bardziej komfortowe parametry dostarczanego do poszczególnych pomieszczeń świeżego powietrza czerpanego z zewnątrz. Strumień powietrza nawiewanego nie tylko jest ogrzany, ale również jego wilgotność jest wyższa co ma znaczenie zwłaszcza w okresie grzewczym.

Sposób w jaki działa wymiennik ciepła entalpiczny możliwy jest dzięki jego konstrukcji i zastosowaniu odpowiednich materiałów z jakich zbudowane są ścianki wymiennika. Wykorzystanie materiałów, umożliwiających dyfuzję pary wodnej ze strony, po której znajduje się ciepłe i wilgotne powietrze na stronę powietrza o niższej zawartości wilgoci zapewnia odzysk wilgoci i praktycznie eliminuje powstawanie kondensatu jak ma to miejsce w przypadku zastosowania wymienników ciepła, które nie odzyskują pary wodnej z powietrza usuwanego.

Wybór odpowiedniego wymiennika ciepła, a co za tym idzie centrali wentylacyjnej to jedna z kluczowych decyzji z jaką mierzą się projektanci i inwestorzy. Wybór konkretnego rodzaju wymiennika ciepła wpływa na efektywność odzysku ciepła centrali wentylacyjnej oraz na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Bez względu na rodzaj wymiennika ciepła należy pamiętać o kilku szczególnie ważnych parametrach charakteryzujących każdy z wymienników ciepła, które mają wpływ na jego pracę.

• Sprawność odzysku ciepła: która jest głównym parametrem efektywności pracy wymiennika ciepła. Im wyższa sprawność temperaturowa, tym więcej ciepła odzyskuje wymiennik z powietrza usuwanego i tym niższe koszty ogrzewania budynku.
• Straty ciśnienia jakie generuje: im niższe opory generowane przez wymiennik tym niższe zużycie energii elektrycznej niezbędnej do zasilania wentylatorów: nawiewnego i wyciągowego i osiągnięcie niższych kosztów eksploatacji systemu wentylacyjnego.
• Sposób jego eksploatacji i żywotność: sposób wyjmowania wymiennika ciepła, możliwość jego demontażu i wymiany wpływa na koszty związane z serwisowaniem i przeglądem centrali wentylacyjnej.

Bez względu na rodzaj wybranej centrali wentylacyjnej i wymiennika ciepła w niej zastosowanego, system rekuperacji doskonale wpisuje się w trend nowoczesnego i ekologicznego budownictwa. Współpraca instalacji centralnego ogrzewania z instalacją wentylacji mechanicznej tworzy swoisty efekt synergii, który przejawia się nie tylko lepszym wykorzystaniem energii cieplnej i elektrycznej w domu, ale także sprzyja obniżaniu kosztów eksploatacji instalacji centralnego ogrzewania oraz systemu wentylacji mechanicznej.

Współpraca systemu rekuperacji i systemu ogrzewania budynku korzystającego z pompy ciepła to najbardziej ekologiczne rozwiązanie możliwe do wykorzystania w budynku w zakresie zapewniania komfortu termicznego i zdrowego mikroklimatu. Zimą temperatura gruntu na odpowiedniej głębokości jest wyższa niż temperatura powietrza zewnętrznego, dlatego można ją wykorzystać do wstępnego podgrzewania powietrza nawiewanego.

Korzyści jakie przemawiają za wykorzystaniem rekuperacji przy współpracy z instalacją pompy ciepła jest wiele, do tych które szczególnie warto podkreślić należą:

• niższe zużycie energii elektrycznej: dzięki odzyskowi ciepła, który zapewnia system rekuperacji pompa ciepła może pracować pod mniejszym obciążeniem nawet przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych;
• wyższy komfort termiczny: wentylacja mechaniczna i ogrzewanie podłogowe współpracujące z pompą ciepła to gwarancja równomiernego rozprowadzenia świeżego powietrza w domu i równomiernego stopnia jego ogrzania;
• oszczędności: mniejsze zapotrzebowanie cieplne w budynku dzięki odzyskowi ciepła to niższe koszty jego ogrzewania ;
• ekologia i dbałość o środowisko naturalne: wykorzystanie odnawialnych źródeł energii i odzysk ciepła z powietrza usuwanego to gwarancja maksymalnego wyeliminowania strat ciepła i pokrycie zapotrzebowania energetycznego budynku za pomocą czystej energii elektrycznej i odnawialnych źródeł energii.

Czy współpraca systemu wentylacji mechanicznej z innymi źródłami ciepła jest równie ekonomiczna jak współpraca z pompą ciepła? Jeśli planujesz instalację kotłów gazowych lub innych źródeł ciepła ta współpraca będzie równie efektywna. Źródło ciepła dzięki odzyskowi ciepła, a w przypadku wykorzystania rekuperatora entalpicznego także odzysk wilgoci w postaci ciepła utajonego przekazywanego do powietrza nawiewanego pozwoli na niższe zużycie paliwa zasilającego źródło ciepła, co zwłaszcza w przypadku kotłów kondensacyjnych, które równie skutecznie jak pompy ciepła współpracując z ogrzewaniem niskotemperaturowym będzie szczególnie odczuwalne przez użytkowników domu.

Wybór systemu wentylacji mechanicznej jako instalacji zapewniającej skuteczną i sprawną wentylację zarówno w nowych jak i modernizowanych obiektach to obecnie powszechne zjawisko. Bez względu na to, czy inwestor wybierze rekuperator entalpiczny czy rekuperator zapewniający odzysk ciepła bez odzysku wilgoci zapewni sobie i innym użytkownikom budynku stały dopływ świeżego i przefiltrowanego powietrza bez względu na warunki panujące na zewnątrz i porę roku.

Mnogość wyboru rodzajów wymienników ciepła i rodzajów dostępnych na rynku central wentylacyjnych umożliwia dobór odpowiedniego urządzenia do każdego obiektu, z uwzględnieniem wymagań każdego inwestora który ceni sobie nowoczesność, wygodę, zdrowie oraz efektywne i wysokowydajne rozwiązania w budownictwie.