Zpětné získávání tepla ve větrání a klimatizaci (I)

Úvod

S rostoucím zájmem odborníků i laické veřejnosti o spotřebu energie budovami a také o kvalitu vnitřního prostředí, roste i pozornost věnovaná zpětnému získávání tepla (dále ZZT) ve vzduchotechnických a klimatizačních zařízeních. A právě tématu ZZT je věnován tento článek, jeho cílem je podat přehled systémů ZZT, ujasnit terminologii a základní technické parametry jednotlivých typů zařízení. Významným zdrojem informací byl překlad německé směrnice VDI 2071 a podklady uváděné výrobci k jednotlivým typům zařízení.

Položme si otázku co rozumíme pod pojmem zpětné získávání tepla ve vzduchotechnických zařízeních. Definice uvedená ve směrnici VDI 2071 (dále jen směrnice) zní: "Zpětné získávání tepla je opatření pro využití entalpie objemového proudění opouštějícího budovu nebo proces." Což lze jinými slovy vyjádřit jako využití energie obsažené ve vzduchu odváděném z budovy.

Avšak za ZZT by neměl být považován provoz s recyklací (cirkulací) vzduchu a v tomto článku nebudeme v rámci vzduchotechnických zařízení za ZZT uvažovat ani využití tepla v jiném než vzduchotechnickém procesu. Tím se následně pojem ZZT zúží na zařízení, které odebírá teplo ze vzduchu opouštějícího budovu a předává ho do čerstvého vzduchu do budovy přiváděného. Většinou se jedná o zpětné získávání citelného tepla (změna teploty), ale některá zařízení umožňují i přenos vlhkosti, tj. tepla vázaného. Pro zařízení ZZT přenášející jak citelné tak vázané teplo se někdy používá i název entalpické výměníky.

V praxi se pro ZZT používá řada nesprávných nebo zjednodušených názvů jako jsou regenerátory, rekuperátory, spořiče, apod.

ZZT lze v základě dělit na systémy rekuperační, kde se teplo předává mezi přiváděným a odváděným vzduchem přímo přes stěnu výměníku a systémy regenerační, kde se teplo z odváděného vzduchu předá do akumulační hmoty a z ní se pak teplo uvolňuje do vzduchu přiváděného.

Mezi rekuperační systémy patří především deskové a trubkové výměníky. Regenerační systémy jsou pak výměníky rotační, přepínací.

Pro ZZT se dále využívá výměníků s kapalinovým oběhem, trubic s přirozeným oběhem chladiva (tepelné trubice) a chladivových systémů s kompresorem (tepelná čerpadla).

Účinnost ZZT

Pro ZZT se většinou používá koeficient teplotní účinnosti φ, který je sice závislý na provozu zařízení, nicméně umožňuje snadný výpočet teploty vzduchu za výměníkem.

Kde:

te1	je teplota přiváděného vzduchu před výměníkem
te2	je teplota přiváděného vzduchu za výměníkem
ti1	je teplota odváděného vzduchu před výměníkem

pro zařízení ze zpětným získáváním vlhkosti je definována vlhkostní účinnost φ

Kde:

xe1	je měrná vlhkost přiváděného vzduchu před výměníkem
xe2	je měrná vlhkost přiváděného vzduchu za výměníkem
xi1	je měrná vlhkost odváděného vzduchu před výměníkem

Účinnost zařízení ZZT může být velmi výrazně ovlivněna dimenzováním a provozem. Jako u všech výměníků tepla je základním parametrem teplosměnná plocha, tj. velikost výměníku vzhledem k průtoku vzduchu. Je-li pro malý průtok použito velkého výměníku, roste účinnost a klesají tlakové ztráty a naopak. Je pravda, že snižování průtoku způsobí i pokles rychlosti a tím i snížení součinitele přestupu tepla, ale ve většině případů je vliv větší teplosměnné plochy výraznější.

Protože je účinnost u ZZT definována pouze pomocí teplot, ovlivňuje jí i poměr průtoku přiváděného a odváděného vzduchu. Je-li množství odváděného vzduchu větší než množství vzduchu přiváděného roste účinnost systému ZZT.

Dalším parametrem výrazně ovlivňujícím účinnost je kondenzace vlhkosti z odváděného vzduchu. V případě, že má odváděný vzduch vyšší vlhkost (tj. entalpii), roste jeho teplota rosného bodu a tím i riziko kondenzace vody a množství kondenzátu. Při kondenzaci se předává do přiváděného vzduchu i vázané výparné teplo a roste i součinitel přestupu tepla na stěně výměníku. Proto má kondenzace velmi výrazný vliv na zvýšení teplotní účinnosti.

Těchto skutečností někdy zneužívají někteří výrobci a prezentují v prospektech tzv. maximální účinnosti, kterých však může výměník ZZT dosáhnout pouze za krajně příznivých podmínek (vysoká vlhkost odváděného vzduchu, více odváděného než přiváděného vzduchu, malý průtok vzduchu výměníkem) a nikoli při běžném provozu.

Deskové rekuperační výměníky ZZT

Deskové rekuperační výměníky jsou velmi rozšířené především v zařízeních s menším průtokem vzduchu, pro domácnosti a menší provozovny. Proud odváděného vzduchu prochází výměníkem a od proudu přiváděného vzduchu je oddělen tepelně vodivými profilovanými deskami. Tyto desky jsou teplosměnnou plochou výměníku.

Konstrukce a účinnosti

Desky mohou být z různých materiálů (nerez, ocel, hliník, plasty) a bývají slepeny nebo jinak mechanicky spojeny, sletovány nebo svařeny, výjimečně i sešroubovány. Profil desek a šířka průduchů záleží na předpokládaném znečištění vzduchu.

Nejčastější je provedení deskových výměníků s kolmým křížením proudů ve tvaru čtverce. Teplotní účinnost deskových výměníků s křížením proudů je 40 až 80%.

2x schéma deskového výměníku s křížovým proudem

Existují i provedení s částečně protiproudým vedením proudů vzduchu, které mají vyšší účinnost, a to až 95 %.

2x schéma deskového výměníku s protiproudem proudem

Účinnost výměníku závisí především na velikosti teplosměnné plochy, tj. na velikosti výměníku. S rostoucí plochou výměníku však stoupá i jeho cena. Je li řazeno více výměníků za sebou účinnost zařízení také roste, nicméně současně rostou výrazně i tlakové ztráty. Účinnost deskových výměníků lze zvýšit i zvyšováním součinitele přestupu tepla mezi vzduchem a výměníkem, buď vyšší rychlostí proudění a nebo úpravami (zdrsněním) povrchů. Avšak i toto řešení většinou vede k vyšším tlakovým ztrátám.

Při rozdílném tlaku vzduchu přiváděného a odváděného může diferenční tlak způsobit pronikání vzduchu netěsnostmi anebo i poškození výměníku.

Deskové výměníky nemají žádné mechanické pohyblivé části a vlastní výměník není možné přímo vypnout či regulovat. Vzhledem k tomu, že určitou část roku není většinou vhodné provozovat ZZT (například v letním období, kdy je teplota venkovního vzduchu nižší než požadovaná teplota v interiéru), osazují se většinou deskové výměníky bypassem (obchozem) s uzavírací klapkou, který zajistí průchod přiváděného vzduchu mimo výměník.

Námraza

Při provozu deskových výměníků v našich klimatických podmínkách dochází v zimním období velmi často ke kondenzaci vlhkosti z odváděného vzduchu. Kondenzát je třeba odvádět z výměníku a klimatizační jednotky přes zápachovou uzávěrku do kanalizace. Při teplotách pod bodem mrazu může docházet k namrzání vlhkosti, námraza zabraňuje průchodu vzduchu výměníkem, zhoršuje přestup tepla a v extrémním případě může vést i k poškození výměníku. Odstranění námrazy se někdy řeší krátkodobým uzavřením přívodu vzduchu a využitím tepla ze vzduchu odváděného k roztání námrazy. Další možností je cirkulační režim, kdy je teplý vzduch z místnosti přiveden do výměnku i místo čerstvého vzduchu. Některá zařízení jsou v kritických částech vybavena el. ohřevem pro odtání námrazy. U větších zařízení s vysokým rizikem námrazy lze použít i předehřevu přiváděného vzduchu před ZZT nebo smíšení s teplejším vzduchem. Takováto opatření sice sníží účinnost výměníku, ale zabrání namrzání. Krajním řešením je odstavení výměníku a použití bypasu (obchvatu) pro přívod vzduchu v zimních teplotních extrémech. Pak je však třeba dimezovat výkon ohřívače pro provoz bez ZZT.

Bezpečnost

V deskovém výměníku jsou proudy přiváděného a odváděného vzduchu odděleny. Proto jsou tyto systémy vhodné i pro případy, kde je odváděný vzduch znečištěn pachy, choroboplodnými zárodky, vlákny, prachem, tukem či olejem ale součastně nepatrný přenos znečištění do přiváděného vzduchu nevadí. Do určité míry lze tento stav řešit vřazením filtrů. V případě pomocného detekčního zařízení či speciální konstrukce je lze na znečištěný vzduch použít i tam, kde není přípustný žádný přenos škodlivin. Deskové výměníky se však v zásadě nehodí tam, kde není dovolen přenos škodlivin ani při poruše nebo defektu zařízení. Deskové výměníky nejsou vhodné ani pro příliš znečištěný vzduch vzhledem k jejich špatné čistitelnosti.

Přenos vlhkosti

Deskové výměníky při stabilním směru proudění neumožňují přenos vlhkosti, pokud jsou materiály desek nepropustné pro molekuly vody. Přenos vlhkosti umožňují výměníky ze speciálních nasákavých materiálů dodávané některými výrobci klimatizačních jednotek. Jinou možností je periodická záměna proudění vzduchu přes výměník mezi přiváděným a odváděným vzduchem při vhodně upraveném povrchu výměníku zachytávajícím a uvolňujícím vlhkost .

Literatura

Chyský, J. Hemzal, K.: Větráni a klimatizace, Bolit-b press, Praha 1993.
VDI 2071 Zpětné získávání tepla ve vzduchotechnických zařízeních, Prosinec 1997
WWW stránky výrobců ZZT: Atrea, Klingenburg, Rekuper Sychrov, Menerga