Stosowanie energooszczędnych metod budowlanych i materiałów o dobrej izolacji termicznej doprowadziło do większej szczelności cieplnej i obniżenia wskaźnika strat ciepła, a jednocześnie spowodowało większe zapotrzebowanie na świeże powietrze w nowoczesnych budynkach. To z kolei pociąga za sobą konieczność zastosowania układów wentylacji i klimatyzacji z możliwością odzyskiwania ciepła z powietrza zużytego – duża jej ilość bowiem tracona jest wraz z powietrzem usuwanym z pomieszczenia. Proces odzysku ciepła pozwala znacznie zmniejszyć zużycie energii.

Z technicznego punktu widzenia można to zrobić na dwa główne sposoby: wykorzystując systemy przekazujące ciepło w sposób bezpośredni, np. powietrze–powietrze (bez medium pośredniczącego) oraz stosując systemy z medium pośredniczącym, np. powietrze usuwane–nośnik ciepła–powietrze świeże. Do najczęściej stosowanych metod odzysku ciepła należą instalacje wykorzystujące bezpośrednie jego przekazywanie, czyli recyrkulacja, rekuperacja i regeneracja.

Recyrkulacja

Recyrkulacja jest najstarszym i najprostszym sposobem odzysku ciepła i polega na skierowaniu części strumienia wywiewanego do komory mieszania, gdzie przenika on do strumienia powietrza zewnętrznego. Stan powietrza po zmieszaniu wynika z parametrów powietrza wywiewanego i zewnętrznego oraz z natężenia przepływu obu strumieni. Udział powietrza recyrkulowanego w strumieniu nawiewanym jest regulowany za pomocą przepustnic zainstalowanych w komorze mieszania. Dławienie jednego strumienia i zwiększanie drugiego pozwala m.in. utrzymywać założone parametry powietrza po zmieszaniu, a im większy jest udział powietrza recyrkulowanego, tym więcej odzyskuje się ciepła zawartego w strumieniu wywiewanym z pomieszczenia.

Zasada działania wymiennika krzyżowo-płytowego

Jednak biorąc pod uwagę kryterium jakości powietrza, w większości przypadków recyrkulację należy uznać za najgorszy ze stosowanych sposobów odzysku ciepła, ponieważ zanieczyszczenia powstające w pomieszczeniu nie są w całości usuwane, lecz krążą w instalacji. Dlatego na tę metodę nałożono pewne ograniczenia. Rozporządzenie z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, dopuszcza wykorzystanie recyrkulacji powietrza wtedy, gdy przeznaczenie pomieszczenia nie wiąże się z występowaniem uciążliwych zapachów oraz bakterii i substancji szkodliwych dla zdrowia. Strumień świeżego powietrza zewnętrznego musi pozostawać w zgodzie z wymaganiami higienicznymi i nie może być mniejszy niż 10% strumienia powietrza nawiewanego.

Stosowanie recyrkulacji powietrza jest szczególnie uzasadnione w przypadkach, gdy powietrze usuwane z pomieszczenia jest mniej zanieczyszczone od zewnętrznego. Zaletami recyrkulacji jako metody odzysku ciepła są prostota i niezawodność, niski koszt inwestycyjny oraz łatwe sterowanie.

Rekuperacja

Rekuperacja to proces wymiany ciepła przebiegający przy braku kontaktu powietrza usuwanego i nawiewanego z tą samą powierzchnią wymiennika. Wymiana ciepła zachodzi przez przeponę pośredniczącą, rozdzielającą oba strumienie. Z założenia nie występuje tu mieszanie się powietrza, chociaż w wyniku nieszczelności powstałych podczas montażu lub eksploatacji mogą pojawić się przecieki powietrza wywiewanego do nawiewanego. Zgodnie z wcześniej wspomnianym rozporządzeniem nie powinny one przekraczać 0,25%.

Typowym rekuperatorem wykorzystywanym w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych do odzysku ciepła z powietrza wywiewanego jest krzyżowo-płytowy wymiennik ciepła. Składa się on z wielu płyt (wykonanych ze stali nierdzewnej, aluminium lub tworzywa sztucznego) tworzących szereg szczelin, przez które płynie powietrze wywiewane z pomieszczenia i powietrze świeże. Oba strumienie ukierunkowane są względem siebie prostopadle, stąd wymiennik nazywany jest krzyżowym. Ilość przekazywanego ciepła jest zależna od sprawności odzysku ciepła wymiennika oraz parametrów obu strumieni powietrza uczestniczących w wymianie ciepła. W praktyce średnia sprawność płytowych wymienników ciepła wynosi 50–60%.

Zasada działania obrotowego wymiennika ciepła

Krzyżowo-płytowe wymienniki ciepła często wykorzystywane są w centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych z uwagi na ich podstawowe zalety, czyli prostą konstrukcję, możliwość odzysku zarówno ciepła, jak i zimna, brak części ruchomych i niską cenę. Rekuperatory te mają także swoje wady: stosunkowo niską sprawność odzysku ciepła, duże wymiary centrali wyposażonej w taki wymiennik, dość wysoką graniczną temperaturę powietrza zewnętrznego, przy której może dojść do wymarzania skroplin po stronie strumienia wywiewanego (ok. -5°C), i możliwość wystąpienia przecieków powietrza wywiewanego do strumienia powietrza nawiewanego. Lepsze parametry odzysku można otrzymać, wprowadzając zmiany w konstrukcji wymiennika, np. ustawiając płyty niesymetrycznie, co pozwala odzyskać ciepło w ok. 70%, a zimą nawet powyżej 80%.

Na rynku dostępne są też inne rodzaje wymienników o konstrukcji płytowej, takie jak przeciwprądowo-płytowe i spiralne. Pierwsze charakteryzują się lepszymi warunkami wymiany ciepła, ponieważ strumienie powietrza nie płyną względem siebie krzyżowo, lecz równolegle w przeciwnych kierunkach. Pole temperatury jest w nich zatem bardziej wyrównane i w związku z tym ryzyko zaszronienia powierzchni wymiany ciepła jest nieco mniejsze. Mają także większą sprawność odzysku ciepła (od 70 do 90%). Spiralny wymiennik składa się ze zwiniętych arkuszy blachy umieszczonych w cylindrycznej obudowie. Stanowią one przepony oddzielające strumienie powietrza wymieniające ciepło w przepływie przeciwprądowym. Dla wydłużenia czasu kontaktu powietrza z przeponą oba strumienie są zawirowane. W wymiennikach takich występuje małe ryzyko zaszronienia i wysoka sprawność odzysku ciepła, sięgająca ponad 85%. Jednak ze względu na dotychczas oferowane wielkości wymienników przeciwprądowo-płytowych i spiralnych występują one najczęściej w układach wentylacji domów jednorodzinnych.

Rekuperacja - pompy ciepła

Inne spotykane rekuperatory to: wymienniki rurowe, urządzenia z czynnikiem pośredniczącym (systemy wodne, glikolowe, olejowe), rurki ciepła oraz sprężarkowe pompy ciepła z bezpośrednim odparowaniem. To ostatnie rozwiązanie jest dość często stosowane w dużych centralach przeznaczonych do budynków przemysłowych. Pompa ciepła pozwala na realizowanie z najwyższą efektywnością funkcji ogrzewania i chłodzenia. Elementy pompy tworzą zamknięty układ, wewnątrz którego krąży ekologiczny czynnik roboczy podlegający ciągłym przemianom z postaci ciekłej na gazową i odwrotnie, powodując przepływ energii cieplnej ze źródła dolnego do górnego. Dolnym źródłem ciepła może być grunt, źródło górne zaś stanowi instalacja grzewcza.

Centrala nawiewno-wywiewna z krzyżowym wymiennikiem ciepła

W pierwszej kolejności powietrze przed dostarczeniem do centrali z pompą ciepła przepływa przez odpowiednio dobrany pod względem pozyskania energii gruntowy wymiennik ciepła (GWC). W zależności od sezonu powietrze jest wstępnie ogrzewane (w zimie) lub też ochładzane (w lecie). W przypadku funkcji grzania – w zależności od tego, czy wykorzystywany jest GWC, czy też zewnętrzny strumień powietrza trafia bezpośrednio do centrali – zostaje on wstępnie ogrzany. Tak przygotowane powietrze przechodzi przez wymiennik przeciwprądowy, gdzie przejmuje dodatkowo część ciepła z powietrza usuwanego. Następnie strumień trafia na skraplacz, gdzie zostaje ogrzany do temperatury umożliwiającej zastosowanie centrali wentylacyjnej jako źródła ogrzewania budynku. Natomiast powietrze wywiewane, stanowiące dolne źródło ciepła dla powietrznej pompy ciepła, trafia na parowacz, gdzie oddaje część energii cieplnej.

Inaczej wygląda funkcjonowanie systemu w okresie letnim. Powietrze napływa do centrali bezpośrednio z otoczenia lub z GWC. Kierowany bypassem strumień omija wymiennik ciepła i trafia bezpośrednio na parowacz. Tu następuje odebranie porcji ciepła poprzez odparowanie czynnika obiegowego w wymienniku pompy. Powietrze, trafiając na parowacz, najpierw jest ochładzane, a następnie kierowane do instalacji nawiewnej.

Regeneracja

Regeneracja jest procesem wymiany ciepła, w którym strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego naprzemiennie omywają tę samą powierzchnię wymiennika. Jeden strumień oddaje ciepło do materiału akumulacyjnego regeneratora, w wyniku czego spada temperatura powietrza, a temperatura wypełnienia wymiennika wzrasta. Następnie drugi strumień powietrza przejmuje to ciepło, dzięki czemu wzrasta jego temperatura, a wypełnienie regeneratora się ochładza. Takie rozwiązanie umożliwia wymianę nie tylko ciepła, ale też masy (odzysk wilgoci).

W celu zapewnienia jak najlepszych warunków wymiany ciepła powierzchnia kontaktu powietrza z wypełnieniem akumulacyjnym powinna być jak największa. Z tego względu wymienniki regeneracyjne wykorzystywane w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych wykonuje się najczęściej w postaci pakietu profilowanych blach aluminiowych lub stalowych, rzadziej w formie warstw siatki z drutu stalowego. W ten sposób powstaje duża liczba małych kanalików, którymi przepływa powietrze. Dalszą poprawę warunków przejmowania ciepła można uzyskać dzięki wykonaniu przetłoczeń turbulizujących przepływ powietrza. Zwiększa to jednak opór tego przepływu przez wymiennik oraz podatność na odkładanie się zanieczyszczeń.

Obrotowe wymienniki ciepła – wirniki do układów klimatyzacyjnych

W układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych najbardziej rozpowszechnionym regeneratorem jest obrotowy wymiennik ciepła. Jest to wirnik wypełniony odpowiednią masą zdolną do szybkiego pochłaniania ciepła lub ciepła i wilgoci, obracający się w obudowie podzielonej na dwie części: wywiewną i nawiewną, do której przyłączane są kanały wentylacyjne. Przepływające przez wirnik powietrze usuwane, cieplejsze niż powietrze świeże, ogrzewa masę akumulacyjną, gdy znajduje się ona w tym strumieniu powietrza. Gdy wirnik się obróci, masa akumulacyjna, ogrzana powietrzem usuwanym, znajduje się w strumieniu powietrza świeżego, chłodniejszego niż wirnik, któremu oddaje zmagazynowane ciepło.

Regeneracyjny wymiennik ciepła nie zapewnia oddzielenia strumienia powietrza nawiewanego i wywiewanego. Oprócz przecieków przez uszczelnienia wirnika w obudowie główny problem stanowi zużyte powietrze uwięzione w kanalikach wirnika przemieszczających się do strefy strumienia nawiewanego i następnie zabierane przez świeże powietrze z powrotem do pomieszczenia wentylowanego. Wspomniane rozporządzenie ogranicza w regeneratorach obrotowych dopuszczalne przecieki powietrza wywiewanego do nawiewanego do 5% przy różnicy ciśnienia obu strumieni na poziomie 400 Pa.

Jako zalety regeneracyjnego obrotowego wymiennika ciepła należy wymienić: wysoką sprawność odzysku ciepła, która w zależności od rodzaju wypełnienia wirnika, szybkości obrotowej i strumienia powietrza może osiągnąć 75–95%, zwartość konstrukcji i mniejsze gabaryty w porównaniu z rekuperatorami, mniejsze niebezpieczeństwo szronienia niż przy wymienniku krzyżowo-płytowym, możliwość regulacji wydajności wymiennika dzięki skokowej lub płynnej zmianie prędkości obrotowej wirnika, możliwość odzysku zarówno ciepła, jak i wilgoci. Z kolei wadami takich wymienników są: konieczność ciągłego doprowadzania mocy do napędu wirnika, brak szczelności (możliwość przenikania zapachów i zanieczyszczeń) oraz ryzyko awarii z uwagi na występowanie części ruchomych.

To nie moda, ale konieczność

Troska o stan środowiska naturalnego i konieczność wprowadzenia dyrektywy z 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków sprawiają, że kolejne rządy polskie wprowadzają program stopniowego zmniejszania zapotrzebowania budynków na ciepło, aby w roku 2021, zgodnie z wymogami unijnymi, wszystkie nowe budynki były samowystarczalne pod względem energetycznym. Oznacza to także konieczność stosowania odzysku energii z ciepła i chłodu. Wybór odpowiedniej formy odzysku zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym poprzedzić powinna dogłębna analiza wymagań w stosunku do instalacji wentylacyjnej i klimatyzacyjnej oraz kosztów energii z nimi związanych.