Protiproudý entalpický výměník pro větrání: Nejsou všechny stejné!

Využití entalpických rekuperačních výměníků při větrání má řadu výhod. Hovoří o nich v rozhovoru se redaktorem TZB-info Filip Hazuka, výkonný ředitel (CEO), Recutech s.r.o. a Radim Vítek, Manažer certifikace a vývoje Recutech s.r.o.

Obr. 2 Export výrobků Recutech je podporován i účastí na prestižních veletrzích. Zde z veletrhu ISH ve Frankfurtu nad Mohanem, Německo (Foto a copy: Recutech)

Trochu širší úvod

Rekuperační větrací jednotky snižují spotřebu energií při větrání tím, že převádí větší část tepla z teplejšího vzduchu do chladnějšího a tím snižují nároky na ohřev vzduchu nebo jeho chlazení ve větraném prostoru. Pokud jsou v nich entalpické výměníky, tak se k přestupu tepla přidává i přenos části vodních par z vlhčího do suššího vzduchu a tím se snižují nároky na zvlhčování nebo vysušování vzduchu ve větraném prostoru, aby se obsah vlhkosti udržoval v doporučených mezích mezi cca 40 až 60 % relativní vlhkosti.

Nositelem tepla není jen samotný suchý vzduch. Suchý vzduch obsahuje jen tzv. citelné teplo, tedy teplo, které „cítíme“ třeba na kůži, a jehož projevem je teplota měřitelná běžným teploměrem. Vzduch však obsahuje i vodní páry. Aby byla voda ve formě par, musela přijmout určité množství tepla. Toto teplo obsažené ve vodních parách se nazývá latentní. Komplexní obsah tepla ve vzduchu se tedy skládá z obou tepel, jak citelného, tak latentního, a popisujeme jej jako velikost entalpie vzduchu.

Podobně, jako je to zažité u plynových kondenzačních kotlů, u kterých by dnes nikoho neměla překvapit účinnost nad 100 % vzhledem k výhřevnosti plynu, ale ve skutečnosti méně jak 100 % vzhledem k celkové produkci tepla včetně tepla ve vodních parách ve spalinách, tak i entalpický výměník může mít účinnost vyšší než 100 %, pokud se výpočet účinnosti vztáhne jen k teplu v suchém vzduchu, tedy k citelnému teplu, se kterým pracují tradiční, neentalpické protiproudé výměníky. V tabulce 1. je příklad pro typický zimní den s interiérovou teplotou vzduchu 22 °C a jeho relativní vlhkostí vzduchu 36 % r.v. a venkovní teplotou vzduchu 2 °C a jeho relativní vlhkostí 80 % r.v. při výměně vzduchu rekuperační větrací jednotkou s průtokem vzduchu 140 m³/hodina. Je pochopitelné, že během roku se bude účinnost měnit v závislosti na měnících se vlastnostech vzduchu a jeho množství.

Tabulka 1. Příklad účinnosti entalpického výměníku nad 100 % [1].

Pokud je účinnost výměníku vztažena k entalpii, tak protiproudý entalpický výměník je celoročně výhodnější. Viz např. [2] pro konstrukčně překonaný výměník na bázi celulózy, kde byl zjištěn rozdíl i více než 20 % ve prospěch entalpického výměníku.

Konstrukčně nejjednodušší řešení protiproudého entalpického výměníku je založeno na membráně z celulózy s obsahem soli. Tento v podstatě solí obohacený papír má totiž pro molekuly vody vysokou sorpční (sací) schopnost. Takto řešené protiproudé výměníky mohou být levnější, ale vzhledem k mechanickým vlastnostem celulózy mají relativně nižší odolnost vůči rozdílům tlaků na výměníku a celulóza není dobrým vodičem citelného tepla. Vzhledem k vlastnostem celulózy mají takové výměníky nižší životnost a mohou i zvyšovat riziko množení nežádoucích mikroorganizmů na celulózové membráně. Během používání se s postupujícím časem sůl z mebrány vyplavuje a účinnost výměníku klesá. V současné době je lze považovat za spíše technicky překonané, vhodné jen do výkonově malých rekuperačních jednotek.

Moderní řešení je založeno na velmi tenkých membránách na bázi polymerů nanesených na nosný pórovitý materiál. Tyto membrány jsou buď membrány mikroporézní nebo intovýměnné.

Mikroporézní fungují na kapilárním principu. Řízeným zesíťováním atomů základního materiálu jsou ve struktuře membrány vytvořeny miliardy „různě tvarovaných tunýlků“, kterými mohou procházet molekuly vodních par z vlhčího do suššího prostředí, aniž by musela pára nejprve zkondenzovat, nebo být vázána sorpcí a následně se voda musela odpařovat. Vytvořenými tunýlky neprojdou větší molekuly plynů, mikrobi, dokonce mohou bránit i prostupu virů covid-19 aj.

„My využíváme iontovýměnné výměníky,“ vysvětluje Radim Vítek. „Ty pracují na principu rozdílu absolutní vlhkosti na obou stranách membrány. Zjednodušeně řečeno, čím je gradient absolutní vlhkosti vyšší, tím je i přestup páry a účinnost vyšší. Tím, že membrána neobsahuje žádné póry, je těsnější a díky patentovanému chemickému složení jí neprojde nic jiného než vodní pára. Zároveň je membrána odolná proti mikronečistotám, které mohou porézní membránu časem ucpat. Membránu na tomto principu používá právě Recutech.“

Entalpický výměník Recutech

Zásadní konstrukční rozdíl entalpických výměníků Recutech používaných v rekuperačních jednotkách výrobce 2VV s.r.o. spočívá v jiném řešení upevnění membrány, která zajišťuje převod vodních par z vlhčího do suchého vzduchu. Vzhledem k omezené mechanické pevnosti membrány ji totiž nelze navrhnout libovolně velkou pro upevnění do rámu po jejím okraji.

Obr. 3 Patentované řešení entalpického výměníku Recutech je založeno na tenké membráně podložené sítí z hliníku (Foto a copy: Recutech)

„Naše řešení, mimochodem patentově chráněné, je založeno na tom, že membrána je podložena děrovaným hliníkovým plechem. Tento plech je společně s membránou zvlněn, čímž do stejného průřezu dostáváme mnohem větší přestupnou plochu a při návrhu plochy membrány nejsme nijak zásadně omezení její mechanickou pevností,“ říkají zástupci Recutech s.r.o. „Naše entalpické výměníky lze proto použít do rekuperačních pracujících s mnohem vyšším diferenciálním tlakem. Podpěrný hliníkový plech je vynikající vodič tepla, který nesnižuje přestup citelného tepla, na rozdíl od případných, různě řešených, plastových rámečků atp.“

Tabulka 2 Porovnání účinnosti přenosu citelného a latentního tepla při různých množstvích proudícího vzduchu tří různě konstruovaných výměníků. Recutech má ve všech případech nižší tlakovou ztrátu (Presssure drop).

Tabulka 3 Procentní rozdíly z porovnání účinnosti přenosu citelného a latentního tepla při různých množstvích proudícího vzduchu tří různě konstruovaných výměníků.

Zvýšená mechanická pevnost sestavy výměníku je výhodná i pro jeho případné čištění. Lze použít větší tlak vody a čištění je rychlejší a dokonalejší.

„Účinnost našich entalpických výměníků si samozřejmě detailně měříme. A tak ji pro normami dané jmenovité podmínky uvádíme v technické dokumentaci. V praxi je však nutné vždy počítat s tím, že skutečné provozní podmínky se mění a výsledná průměrná účinnost, například za jeden rok, může být jak vyšší, tak nižší. To však platí pro všechny výrobce. A pokud by výsledky různých konstrukcí výměníků snad vycházely podobně, pak jsou tu další kritéria, která použití našich výměníků zvýhodňují,“ zdůrazňuje Radim Vítek. „Hlavní je ve srovnání s konkurencí vyšší teplotní účinnost až o 10 %. To umožnuje nahradit stávající např. hliníkový výměník entalpickou variantou, aniž se zásadně změní parametry jednotky třeba pro certifikaci pasivhouse. Takže i starší rekuperační jednotka se nechá pomocí entalpického výměníku snadno upgradovat systémem plug nad play. Další je již výše zmíněná mechanická odolnost samotné membrány při nerovnotlakých podmínkách v jednotce. Samozřejmostí je dnes již hygienický certifikát VDI 6022 a zkoušky hořlavosti dle evropské normy EN ISO 13501-1:2019 a americké UL 723.“

„S entalpických výměníkem můžeme dodávat i výkonově malé rekuperační jednotky pro rodinné domy,“ říká Filip Hazuka. „Vzhledem k naší patentované konstrukci jsou však o něco dražší, než je v tomto tržním segmentu obvyklé, a tak s nimi moc nepočítáme. Zcela jiná situace je u výkonů větších. V těchto aplikacích dochází k rychlé amortizaci zvýšené investiční ceny entalpického výměníku snížením spotřeby energie na vytápění, chlazení a úpravu vlhkosti vzduchu. A co je neméně zajímavé, při vhodném návrhu není třeba u interiérové jednotky řešit odvod kondenzátu, tedy nijak nevyužité, zkondenzované vodní páry.“

Tabulka 4 Základní srovnání využití entalpického výměníku Recutech^® s běžným výměníkem

Zdroje:

1. Moisture recovery – core competence of enthalpy exchangers. Michael Schmitt.
2. Effect of Supply and Exhaust Air Velocity on the Enthalpy and Temperature Exchange Efficiency of a Paper Heat Exchanger.