Moderní rotační výměníky tepla
Díky legislativnímu tlaku EU na snižování energetické náročnosti budov, prožívají systémy ZZT doslova převrat. Výměníky tepla s nízkou účinností přenosu energie se nahrazují účinnějšími typy. Např. dříve velice oblíbený deskový křížový výměník se dnes kvůli své nízké účinnosti téměř nepoužívá.
Jednou z možností zpětného získávání tepla ve vzduchotechnice jsou rotační regenerační výměníky. Příspěvek se zabývá moderními trendy v této oblasti, vývojem a použitím nových materiálů rotačních výměníků. Přibližuje jejich použití a celkově může sloužit k ucelení informací.
Úvod
Systémy zpětného získávání tepla (dále jen ZZT) hrají v dnešní době velmi zásadní roli při návrhu klimatizačních a vzduchotechnických zařízení. U moderních vzduchotechnických systémů se čím dál tím více skloňují slova jako jsou ekonomie a ekologie. Tomuto trendu nahrává zvyšující se povědomí veřejnosti i přísnější legislativa. Dle Nařízení komise (EU) č. 1253/2014 (Ekodesign) musí být všechny obousměrné větrací jednotky určené pro jiné, než obytné budovy vybaveny systémem ZZT s min. suchou tepelnou účinností 67 % (od 1. 1. 2016), resp. 73 % (od 1. 1. 2018).
Pro splnění požadavků tohoto předpisu je velká většina centrálních VZT jednotek, vybavena některým typem ZZT. Jednou z možností, jak účinně vracet energii jsou zařízení pracující na principu regenerace, které kromě citelného tepla přenášejí i teplo vázané, tedy vlhkost a tím jsou Rotační regenerační výměníky (dále jen RV). Ty dosahují účinnosti přenosu energie až 85 %, přičemž za svou dobu, téměř 50 let, prošly výrazným vývojem a modernizací.
Princip a funkce RV
Obr. 1 Princip rotačního regeneračního výměníku
Princip RV je velmi dobře znám. Pouze pro připomenutí, je to zařízení, které pracuje na principu akumulace energie (tepla, vlhkosti) z proudu odváděného vzduchu do hmoty rotoru a následně, díky cyklickému otáčení, výdej akumulované energie do proudu přiváděného vzduchu. Jednotlivé části rotoru se tak střídavě dostávají do odváděného a přiváděného proudu vzduchu.
Vysoké účinnosti přenosu energie běžně přes 80 % dosahují RV ze dvou důvodů. Za prvé, je to díky několikanásobně vyšší teplosměnné ploše oproti jiným typům výměníků ZZT a za druhé, je to díky schopnosti přenosu celkového tepla. Tedy, kromě citelného tepla umožňují přenášet i teplo vázané – vlhkost.
Typy RV a jejich použití
Obr. 2 Rotační regenerační výměník tepla nové generace
Nejdůležitější částí RV je rotor. K výrobě rotoru se dnes používají nejrůznější materiály, jako jsou např. hliníková slitina, různé druhy plastů, speciální materiály na bázi celulózy apod. Nejpoužívanějším materiálem však zůstává po dlouhá léta plech z hliníkové slitiny, resp. hliníková fólie. Ideální tloušťka hliníkové fólie z hlediska přenosu energie je 0,06–0,1 mm.
Co se týče šířky rotoru – nejběžněji používaná šíře je 200 mm, resp. 250 mm pro silně znečištěný vzduch (např. těžký průmysl). Rotor výměníku je navinut střídavě z rovné a zvlněné (rádlované) hliníkové fólie, čímž vznikne jemná mřížka návinu, kterou proudí vzduch, a tím předává teplo a vlhkost. Výška jednotlivých vln se běžně pohybuje od 1,4 do cca 2 mm (2,3 mm při šíři rotoru 250 mm) a vychází z poměru co neúčinnějšího přenosu energie k tlakovým ztrátám výměníku. Optimální tlaková ztráta RV se pohybuje od 100 do 150 Pa.
Základní dělení RV je dle typu rotoru:
- Nehygroskopické provedení – tzv. teplotní rotor – určen pro přenos tepla, tzn. všude tam, kde není přínosný přenos vlhkosti (průmysl, mokré provozy apod.).
- Hygroskopické provedení rotoru – hliníková fólie je opatřena speciální vrstvou, která umožňuje přenos vlhkosti s účinností až 90 %. Určen pro přenos tepla i vlhkosti (stavby pro bydlení, stavby občanského vybavení atd.).
Hygroskopické provedení se dále dělí na:
- Entalpické – při přenosu vlhkosti dochází k částečné kondenzaci
- Sorpční – nedochází ke kondenzaci vodní páry, vysoká účinnost i v letním období
- Epoxidový rotor – pro použití do agresivního prostředí (větrání bazénů, použití v přímořských oblastech apod.)
Obr. 3 Povrch zeolitové vrstvy při 1 000× zvětšení
Nejmodernější materiály používané pro přenos vlhkosti:
- Silikagel – vrstva na bázi oxidu křemičitého
- Vysoká schopnost přenosu vlhkosti
- Nevýhoda: nebezpečí přenosu pachů
- Molekulární síto 4Å – Zeolit (nanotechnologie) – vrstva na bázi hlinitokřemičitých minerálů, které vytváří kanálky a dutiny konstantních, předem definovaných rozměrů.
- Vysoká schopnost přenosu vlhkosti
- Bez možnosti přenosu pachů
Zeolitová vrstva, oproti dříve velmi používané silikagelové vrstvě, má velmi značnou výhodu, že kromě přenosu vlhkosti neumožňuje nežádoucí přenos pachů. To je dáno její konstantní molekulární strukturou o velikosti 4 Ångström, která není schopna absorbovat molekuly pachu, jejichž běžná velikost se pohybuje od velikosti 7 Ångström výše.
Konstrukce rotoru
Rotory mohou být jak v provedení v celku, tak z důvodů montáže nebo přepravy v děleném provedení. Dělené rotory mohou dnes být běžně již od 1 m průměru i menších a mohou být děleny až na 12 dílů a následně na stavbě velice rychle smontovány.
Konstrukce skříní RV
Skříně samotného výměníku jsou konstruovány nejčastěji ve třech základních provedeních. Provedení BASIC, kde se jedná o plechovou skříň určenou pro použití jako zásuvný modul do VZT jednotky, nebo k dodatečnému opláštění. Toto řešení je nejpoužívanější u malých VZT jednotek. Dále provedení montované – tvořeno z válcovaných profilů, které jsou navzájem spojeny rohovníky – pro použití do velkých VZT jednotek jako jejich samostatná část. A provedení svařované, kde je skříň svařena z uzavřených válcovaných profilů. Tato konstrukce se vyznačuje nejvyšší tuhostí.
Těsnění výměníku
Obr. 4 Labyrintové těsnění RV
S neustálým trendem nových technologií přichází nové moderní materiály a zlepšuje se přesnost výroby. Po dlouhá léta byly RV velmi kritizovány a opovrhovány projektanty z hlediska jejich těsnosti a nepříznivému mísení proudů vzduchu. Moderní RV dnes však tyto zažité předsudky vyvrací a nachází místo ve velkých řadách aplikací.
Těsnění rotačního výměníku musí být provedeno po obvodu rotoru a v místě dělící roviny.
Typy těsnění:
- Bezdotykové těsnění – plsť – netěsnost 5–8 %
- Dotykové těsnění – kartáč – netěsnost 3–5 %
- Speciální těsnění – labyrintové – netěsnost do 1,5 %
Speciální labyrintové těsnění je doposud nejúčinnější těsnění na trhu, které rozšiřuje použití těchto výměníků ZZT i v budovách se zvýšenými požadavky na kvalitu vnitřního prostředí, jako jsou například čisté prostory ve zdravotnictví, farmacii, výzkumná pracoviště apod.
RV prochází neustálým vývojem a jejich deklarované parametry jsou prověřovány různými typy certifikací, jako např. Eurovent, TÜV, AHRI, VDI a dalšími. Mimo parametrů účinnosti přenosu energie (teplotní a vlhkostní účinnost) a tlakových ztrát začínají být velmi sledovanými i parametry těsnosti. Dle normy EN308:1997 jsou to faktory OACF a EATR.
EATR (Exhaust air transfer ratio) – Vyjadřuje přenos odváděného vzduchu zpět do přívodního kanálu, vzniklé otáčením rotoru a netěsností na straně za výměníkem. Vystihuje, jak velká bude kontaminace přívodního vzduchu.
OACF (Outdoor air correction factor) – Je poměr přívodního vzduchu před a za výměníkem. Charakterizuje ztrátu průtoku vzduchu na přívodu, způsobenou vyplachovací komorou a netěsnostmi. Tento parametr slouží při návrhu přívodního ventilátoru, resp. o kolik se musí navýšit průtok venkovního vzduchu.
Tyto parametry jsou však kromě druhu použitého těsnění velmi ovlivněny dalšími faktory – polohou ventilátorů ve VZT jednotce, jejich pracovním tlakem, a především velikostí a umístěním vyplachovací komory.
Energetika výměníku vs. vyplachovací komora
Co si pod pojmem vyplachovací komora (někdy také proplachovací komora) představit? Laická ani odborná veřejnost často neví, co to vlastně vyplachovací komora je, k čemu slouží a jak ji správně navrhnout.
Obr. 5 Princip vyplachovací komory
Vyplachovací komora je u RV klínovitá komora, umístěná v dělící rovině výměníku, jejímž cílem je minimalizovat kontaminaci přiváděného vzduchu škodlivinami ze vzduchu odváděného vzniklou otáčením rotoru výměníku – tzv. Carry over efekt. Vyplachovací komora tvoří zkrat mezi přívodním a odvodním kanálem, díky kterému odchází část přiváděného vzduchu zpět do vzduchu odváděného, kontaminovaného.
Kromě příznivého vlivu na snížení množství kontaminace má však vyplachovací komora za následek snížení účinnosti přenosu energie, a to až o 5 %. Je proto velmi důležité zvážit, kdy je vhodné vyplachovací komoru použít a naopak, kdy se použití vyplachovací komory raději vyhnout.
Použití a velikost vyplachovací komory je dáno:
- Polohou ventilátorů a velikostí jejich statického tlaku
- Rychlostí otáčení rotoru
- Vstupní rychlostí vzduchu
- Výškou vlny a typem rotoru, resp. tlakovou ztrátou rotoru
Hlavní vliv na správnou funkci vyplachovací komory má umístění a tlakové poměry ventilátorů ve VZT jednotce. Nejvhodnější polohou rotačního výměníku ve VZT jednotce je sací strana jak přívodního, tak odvodního ventilátoru a protiproudé proudění.
V odvodní části rotoru nesmí nikdy nastat přetlak k přívodní části. Doporučený přetlak v přívodním kanálu je 50–500 Pa.
V závislosti na jeho velikosti a rychlosti otáčení se nejčastěji volí úhel vyplachovací komory:
- při přetlaku 50–250 Pa2 × 5°
- při přetlaku 250–500 Pa2 × 2,5°
Obr. 6 Termosnímek rotačního výměníku a vliv vyplachovací komory – vlevo: odvod vzduchu, vpravo: přívod vzduchuVyplachovací komora, kromě snížení kontaminace přívodního vzduchu, snižuje energetickou účinnost výměníku – viz Obr. 6. Výsledky měření ukazují, že bez použití vyplachovací komory se kontaminace přívodního vzduchu pohybuje mezi 3–5 %. Naopak při použití vyplachovací komory, ideálně navrženém úhlu a parametrech ventilátorů je kontaminace přívodního vzduchu přibližně od 0,1–0,2 % objemového množství vzduchu. U menších RV přibližně do 1 m průměru rotoru se vliv vyplachovací komory na kontaminaci přiváděného vzduchu značně snižuje.
Záleží tedy na každém, kterou cestou se vydat – minimální kontaminace, nebo maximální energetická účinnost. Na tuto otázku nelze jednoznačně odpovědět. Volbu vyplachovací komory musí zvážit jak výrobce VZT jednotky, tak samotný projektant celého systému, a jejich volba musí korespondovat s účelem celého VZT systému – jaké místnosti bude vzduchotechnika obsluhovat a jaké požadavky jsou kladeny na kvalitu vnitřního prostředí.
Moderní řízení rotačního výměníku
Hnacím prvkem rotačního regeneračního výměníku je pohon, který se sestává z elektromotoru s převodovkou, řemenice a řemenu. Krom rotoru a konstrukce výměníku prošly zásadním vývojem i motory a celé řízení výměníku. Nejpoužívanějším typem motorů jsou klasické AC motory se šnekovou převodovkou. V dnešní době se však čím dál tím více začínají prosazovat moderní krokové motory.
Používané typy pohonů:
- AC motor + šneková převodovka (účinnost cca 75 %)
Řízení otáček motoru pomocí FM v rozsahu 18 až 87 Hz. Minimální otáčky rotoru 2 ot/min. - AC motor speciální + kuželočelní převodovka (účinnost cca 95 %)
Řízení otáček motoru pomocí FM v rozsahu 5 až 120 Hz Minimální otáčky rotoru 0,5 ot/min. - Elektronicky komutovaný motor – EC motor
Řídicí jednotka je přímo umístěná v motoru. Řídicí signál 0 až 10 V. - Krokový motor + driver
Řízení pomocí napětí 0 až 10 V. Maximální výkon motoru od minimálních otáček.
Obr. 7 Krokový motor
Nejvyšší účinnosti přenosu tepla dosahuje teplotní rotor při 12–15 ot./min, u sorpčních rotorů je nejvyšší účinnosti dosaženo přibližně při 20 ot./min. Regulace výkonu rotačního výměníku se provádí změnou otáček rotoru.
Teplotní RV dosahuje 80 % nominálního výkonu již od 2 ot./min, tudíž běžnými AC motory ovládanými frekvenčním měničem není možno řídit výkon výměníku pod tuto mez. Alternativou potom mohou být speciální AC motory řízené frekvenčním měničem s rozsahem 5–120 Hz, EC motory nebo krokové motory. Krokové motory jsou ovládány pomocí řídicího členu – driveru, který reaguje na změnu napětí 0–10 V a následně generuje impulsy. Tímto dosahuje svého maximálního výkonu již od minimálních otáček.
Využití změny otáček RV:
- Regulace výkonu RV
- Čištění rotoru přídavným čistícím zařízením – udržení konstantní obvodové rychlosti v místě trysky
- Protimrazová ochrana – snížení výkonu RV snížením otáček pod 1 ot./min
Obr. 8 Graf závislosti relativní účinnosti na otáčkách rotoru RV
Protimrazová ochrana
K namrzání RV dochází velmi zřídka a ve standartních středoevropských podmínkách k němu téměř nedochází (běžně až do teploty venkovního vzduchu −15 °C). Pokud však namrznutí rotoru nastane, snižuje se účinnost přenosu energie a v krajním případě může dojít i k jeho trvalému poškození.
Namrzání rotoru může nastat u těch typů RV, kde dochází k částečné kondenzaci vodní páry, tedy u teplotních a entalpických. Namrzání je závislé na dvou hlavních parametrech vzduchu, kterými jsou: teplota venkovního (nasávaného) vzduchu a měrná vlhkost vnitřního odváděného vzduchu. Při použití RV v extrémních podmínkách, kdy může nastat namrznutí rotoru, se musí zvážit protimrazová ochrana.
Možnosti protimrazové ochrany:
- Předehřev přívodního vzduchu v extrémně nízkých teplotách
- Částečné snížení výkonu výměníku pomocí obtoku (snížení průtoku venkovního vzduchu proudícího přes rotor a následné odmražení rotoru odpadním vzduchem)
- Snížením účinnosti snížením počtu otáček rotoru – pod 1 ot./min
Čištění RV
Obr. 9 Automatické čisticí zařízení rotorů RV
Další výhodou RV je jejich samočistící schopnost. Při protiproudém umístění ventilátorů ve VZT jednotce jsou nečistoty, které ulpí na čelní straně rotoru v přívodním kanálu, jsou při pootočení rotoru strženy zpět odvodním vzduchem. Tato samočistící schopnost má ovšem své limity a pro bezchybnou funkci výměníku se doporučuje filtrace vzduchu – min. třída filtrace G4.
I při dokonalé filtraci však dochází, především v průmyslových aplikacích, k postupnému zanášení kanálků rotoru. Moderní rotační výměníky mohou být pro tento případ doplněny plně automatickým čistícím zařízením, které využívá tlakový vzduch nebo tlakovou vodu, případně jejich kombinaci.
Jedná se o autonomní systém, který je napojen na řízení celé VZT jednotky, případně na nadřazený systém MaR. Čisticí zařízení provede, po překročení nastavené diference tlaku (obvykle 2× tlaková ztráta výměníku), automatické čištění. Výhodou tohoto zařízení je možnost čištění rotoru za běžného provozu celého vzduchotechnického systému.
Závěr
Díky legislativnímu tlaku Evropské unie na snižování energetické náročnosti budov a veškerých zařízení prožívají systémy ZZT doslova převrat. Výměníky tepla s nízkou účinností přenosu energie se nahrazují jinými, účinnějšími typy. Např. dříve velice oblíbený deskový křížový výměník se dnes kvůli své nízké účinnosti téměř nepoužívá.
Samozřejmě každý typ výměníku ZZT má jak své klady, tak i zápory a jde o to najít jejich ideální poměr. Ani rotační výměníky tepla nejsou dokonalé zařízení. Z tohoto srovnání však vychází velice dobře. U moderních rotačních výměníků tepla se z velké části podařilo potlačit jejich slabé stránky, a naopak jejich výhody (účinnost přenosu tepla i vlhkosti, možnosti regulace, malá zástavbová šířka atd.) je řadí a v nejbližších letech čím dál tím více řadit budou k nejčastěji používaným typům ZZT. Jedná se o relativně jednoduché zařízení, které však svojí funkcí velmi pomáhá ke snižování energetické náročnosti budov.
Použité zdroje
- Kastt, spol. s r.o. [online]. 2016. Dostupné z: http://www.kastt.cz.
- Nařízení komise (EU) č. 1253/2014 ze dne 7. července 2014, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign větracích jednotek. Evropský parlament. 2014. Dostupné z:
http://www.eur-lex.europa.eu. - EN308:2007 Heat exchangers – Test procedures for establishing the performance of air to air and flue gases heat recovery devices.
- ASHRAE: Handbook, Chapter 44 – Air to Air Energy Recovery.
EU legislation to reduce the energy performance of buildings has caused major changes in heat recovery systems. E.g. The popular popular plate cross exchanger is now virtually unused due to its low efficiency.