Zpětné získávání tepla a větrání objektů
Vysvětlení principu zpětného získávání tepla (ZZT) a základní rozdělení zařízení pro ZZT ve vzduchotechnických systémech, při větrání. Výhody a nevýhody jednotlivých systémů a jejich použitelnost.
A. Základní rozdělení podle způsobu větrání
Přirozené větrání
Přirozené větrání je založeno na výměně vzduchu v budově na základě tlakového rozdílu, který je vyvolán účinkem přírodních sil, vznikajících buď rozdílem teplot, nebo dynamickým tlakem větru.
Vítr působí na budovu přetlakem na návětrné straně a podtlakem na závětrné straně. Pokud je netěsná budova, bude vlivem větru provětrávána. Množství vzduchu protékajícího budovou bude úměrné rychlosti větru. Vzhledem, k tomu, že vítr nejsme schopni ovládat, bude se jednat o neřízené a nekontrolované větrání.
Rozdíl teplot vnitřního a venkovního vzduchu a výšky místností nebo celé budovy zase určuje velikost přetlaku a podtlaku na určité části konstrukcí a také způsobuje při netěsnostech budovy větrání. Např. při otevřeném okně v zimním období víme, že v dolní části okna proudí chladný vzduch dovnitř místnosti a v horní části okna odchází teplý vzduch ven z místnosti. Velikost rozdílu tlaků je dán rozdílem venkovní a vnitřní teploty. Pokud se uvažuje požadovaná konstantní vnitřní teplota, pak jediná neznámá, kterou není možno ovládat, je venkovní teplota. Z uvedeného také vyplývá, že pokud je venkovní teplota a vnitřní teplota shodná a zrovna nefouká vítr, pak i při otevřeném okně chybí hybná síla, která by způsobila vyvětrání místnosti, a tudíž k žádnému větrání místnosti nedochází.
Obecně je možno konstatovat, že při přirozeném větrání okny a netěsnostmi budovy se neví, jakým množstvím vzduchu se větrá, zda hodně nebo málo, a kolik energie se takto ztrácí. Důkazem jsou měření o tom, jaké skutečné koncentrace CO2 a relativní vlhkosti se vyskytují v našich bytech a domech. Běžně se totiž vyskytují koncentrace CO2 na hodnotách 2000 - 2500 ppm. Nezřídka se vyskytují i koncentrace nad 3000 ppm.
Paradoxně se tak stále častěji setkáváme s nevyvratitelným faktem, že se zlepšujícími se tepelně izolačními vlastnostmi budovy a s odstraněním její netěsnosti (označovaná také jako průvzdušnost budovy 1) se značně zhoršují mikroklimatické podmínky v budovách a to zejména vyššími koncentracemi relativní vlhkosti a vyššími koncentracemi CO2 a dalších škodlivin.
Velkou nevýhodou jakéhokoli systému přirozeného větrání, kde pro pohyb vzduchu nejsou použity ventilátory, je skutečnost, že se v tomto systému nedá využít ZZT.
Řízené a nucené větrání
Pokud je tedy požadavkem mít větrání pod kontrolou a neponechat náhodě, jaký bude vítr, jaký bude rozdíl venkovní a vnitřní teploty a neponechávat větrání na nespolehlivosti našich smyslů, pak se musí použít řízené větrání, nejlépe nucené.
U řízeného větrání je pod kontrolou vlastní doba větrání, ale nekontroluje se množství větraného vzduchu. Což může být např. řízeným otevíráním oken bez vědomí obsluhy pomocí servopohonů. U nuceného větrání je již pod kontrolou jak množství větraného vzduchu, tak doba větrání.
Řízené nucené větrání se zpětným získáváním tepla
V dnešní době je pojem ZZT hodně skloňovaným výrazem. V souvislosti se zavedeným standardem budov s téměř nulovou potřebou energií NZEB, s dotačním programem Zelená úsporám a se zvyšujícími se znalostmi laické i odborné veřejnosti se tento pojem stále více dostává do popředí nejen v projektech nových či rekonstruovaných staveb, ale i ve vlastních realizacích.
Zpětné získávání tepla dle definice je proces, při kterém se ze vzduchu, který se odvádí za určitým účelem z budovy, odebírá teplo a toto teplo se předává do vzduchu, který se do objektu přivádí, a jež nahrazuje odváděný vzduch. Jeden z nejčastěji používaných obrázků popisujících nebo vysvětlujících proces ZZT je na obr. č. 1. Je nutno říct, že se jedná pouze o jeden z možných způsobů zpětného získávání tepla ze vzduchu.
Obr.č. 1 - Zpětné získávání tepla - dnes již překonaný čtvercový deskový rekuperátor
B. Rozdělení ZZT podle typu použitých výměníků
Zpětné získávání tepla můžeme rozdělit podle typu použitých výměníků do dvou základních skupin:
1) Rekuperační výměníky pro zpětné získávání tepla - to je založeno na předávání tepla z jednoho média (obvykle odsávaného znečištěného vzduchu) do druhého média (obvykle přiváděného čerstvého vzduchu) pomocí nějakého zařízení.
- Zařízení ZZT pomocí výměníků s pohonem teplonosného média (nejčastěji nemrznoucí směs) - kapalinové okruhy
- Zařízení ZZT pomocí výměníků bez pohonu teplonosného média - tepelné trubice
- Zařízení pomocí nuceného pohonu chladiva - tepelná čerpadla
- Zařízení s přímou výměnou tepla - deskové rekuperátory
2) Regenerační výměníky pro zpětné získávání tepla - je založeno na předávání tepla z jednoho média do druhého prostřednictvím akumulační hmoty.
- Zařízení ZZT, kde akumulační hmota periodiky mění polohu a směr vzduchu je stálý - rotační výměníky
- Zařízení ZZT, kde akumulační hmota je stálá a směr vzduchu se periodicky mění - přepínací výměníky
Druh ZZT se vždy používá podle toho, odkud se energie potřebuje odebírat a kam se energii bude dávat. Řídí se tím, jaký teplotní a vlhkostní potenciál má odváděný vzduch. Řídí se tím, zda odsávaný vzduch, ze kterého chceme získat teplo, je či není znečištěn prachem, toxickými látkami, zda není nadměrně vlhký a podobně.
Rozlišuje se využití ZZT v zimě, zde hovoříme o zpětném využití tepla a využití ZZT v létě, kdy hovoříme o zpětném využití chladu.
Tepelné a energetické přínosy jsou dány z rovnic:
Zima:
Léto:
Při hodocení různých zařízení podle účinnosti se však občas zapomíná na to, že účinnost zařízení ZZT není neměnná hodnota a není jí jen ta udávaná výrobcem jako jedno číslo při zkušebních podmínkách. Obvykle se účinnost mění s množstvím protékajícího vzduchu, které se např. může měnit u vzduchotechnických zařízení s proměnnými otáčkami ventilátorů. Obvykle je vyšší účinnost při menším průtoku vzduchu výměníkem. Dále se může měnit účinnost v době, kdy bude docházet ke kondenzaci vlhkosti ve výměníku. To se může účinnost ZZT zvýšit až o cca 5 - 7 %.
U regeneračních zařízení ZZT se může v závislosti na konstrukci akumulační hmoty, pomocí níž se předává teplo, také předávat vlhkost obsažená v odsávaném vzduchu a následně předávat do přiváděného. Což může mít v některých aplikacích tu výhodu, že zbytečně nevysušujeme vnitřní vzduch. V tomto případě hovoříme také o účinnosti předávání vlhkosti.
Při návrhu vzduchotechnického systému jsme vždy postaveni před otázku, jaký druh zpětného získávání tepla máme použít.
C. Princip jednotlivých druhů výměníků pro ZZT
Ad 1a/ Rekuperační ZZT - kapalinové okruhy
Zařízení jsou tvořena dvěma výměníky tepla, nejčastěji lamelovými, které jsou propojeny kapalinovým okruhem. Teplo se převádí systémem vzduch - kapalina - vzduch. Jako teplonosná látka se používá voda nebo častěji nemrznoucí směs. Největší výhodou tohoto systému je, že přívodní a odvodní potrubí vzduchotechniky mohou být libovolně vzdálené a také, že se jedná o bezpečné oddělení přívodního a odvodního vzduchu. Nevýhodou je, že k cirkulaci teplonosné látky se potřebuje další energie, práci čerpadla. Účinnost těchto systémů dosahuje do cca 60 - 70 %. Běžně bývá účinnost výrazně nižší, takto vysoká účinnost je možná jen u systémů s velkým počtem řad.
Kapalinové okruhy se použijí tehdy, když není možnost dovést odsávaný vzduch ke vzduchotechnické jednotce, v níž by byl jiný typ výměníku.
Takový případ může nastat např. u historických objektů, kde původní větrací systém je částečně založen na přirozeném samotížném větrání pomocí šachet a strojovna pro přívod vzduchu s filtrem a ohřívačem jsou v suterénu budovy. Pro odsávání také slouží např. šachty nad lustry, které jsou krásně zdobeny. Z důvodů historických jistě památkáři nedovolí instalace dalších vzduchotechnických potrubí, proto se na odvod dává jeden z výměníků tepla vzduch - voda a ten se propojí potrubím a pomocí čerpadla s druhým výměníkem voda - vzduch. Topenářské potrubí vedoucí teplonosnou látku již památkářům vadí méně a dá se lépe v historické budově schovat, než rozměrově větší vzduchotechnické potrubí. Tento způsob se může také uplatnit v již instalovaných vzduchotechnických rozvodech, které se třeba jen rekonstruují, ale z nějakých důvodů již není možné měnit trasy a není možnost dostat odváděný a přiváděný vzduch k sobě. (Při takových rekonstrukcích se však nesmí zapomínat na tlakové ztráty výměníků ve vzduchotechnickém potrubí)
Ad 1b/ Rekuperační ZZT - tepelné trubice
Základem je tzv. tepelná trubice, což je uzavřená trubka, v níž je náplň. Obvykle chladivová náplň jako čpavek, freon, ale může být i voda. Odváděný obvykle teplý vzduch proudí kolem spodní části trubky, kde dochází k varu náplně a ta v podobě par stoupá vzhůru. Kolem horní poloviny trubky proudí chladný vzduch, který ochlazuje páry náplně, ty kondenzují a stékají do spodní poloviny trubky. Proces se pak opakuje. Teplý vzduch v dolní polovině se ochlazuje a studený vzduch v horní polovině se ohřívá. Existují i vodorovné rekuperátory s tepelnými trubicemi, kde jsou trubky jen v minimálním spádu a zde se pro přenos tepla uplatňují víc než gravitační síly kapilární síly. Účinnosti těchto rekuperátorů jsou cca do 65 %. Jejich největší výhodou je, že k pohybu náplně nepotřebují žádný pohon, nevýhodou je problematické těsnění rozhraní mezi přívodním a odvodním vzduchem. Voda jako náplň se použije tehdy, když teplota odsávaného vzduchu bude mít vyšší teplotu jak 100oC. Při nižších teplotách odsávaného vzduchu se volí náplň dle její teploty varu.
Ad 1c/ Rekuperační ZZT - tepelná čerpadla
Rekuperační ZZT - tepelná čerpadla, často se pro ně používá i název ventilační tepelná čerpadla, patří k investičně náročnějším typům ZZT. Přenos tepla probíhá při využití kondenzačního a výparného tepla chladivové náplně za práce pohonu, čímž je v tomto případě kompresor tepelného čerpadla. Mohou se použít systémy splitové, se stavebně oddělenými výměníky výparníku a kondenzátoru (podobně jako v případě kapalinových okruhů popsaných výše), nebo oba výměníky mohou být umístěny v jednom zařízení. Setkáváme se s aplikacemi, kdy výměníky tepelného čerpadla jsou umístěny i ve vzduchotechnických jednotkách s deskovými rekuperátory, kde ještě více vychlazují odpadní vzduch za rekuperátorem, než dokáže například deskový výměník, a dohřívají přívodní vzduch za rekuperátorem. Tím lze nahradit jiný typ dohřívače za rekuperací, aby se přiváděl vzduch o stejné teplotě, jako se odvádí.
Velmi časté je využití tepelných čerpadel vzduch - vzduch při známých aplikacích splitových, multisplitových systémů pro chlazení či ohřev vnitřního vzduchu nebo u třítrubkových systémů s proměnným průtokem chladiva, kdy předávání tepla se děje nejen vůči venkovnímu prostředí, ale také navzájem mezi rozdílnými teplotními zónami uvnitř budovy. Tyto systémy však neodebírají teplo ze vzduchu odváděného a většinou nepracují s výměnou vzduchu v prostorách, proto se nejedná o ZZT tak, jak ho chápeme v oboru větrání a klimatizace. Protože je nutné při použití těchto systémů dbát také na požadavky větrání, z hlediska technologických či hygienických, je nutno chápat, že toto není ZZT tak, jak bylo definováno, tedy tak, že odebírá teplo z odváděného vzduchu.
Ad 1d/ Rekuperační ZZT - deskové výměníky
Deskové rekuperátory prošly intenzívním vývojem. Díky změně tvaru z původních čtvercových na šestiúhelníkové, se proudění vzduchu výměníky změnilo z křížového průtoku na průtok odpovídající protiproudým výměníkům - viz obr.č. 2. Toto řešení a přizpůsobení vnitřních kanálků tvarům, kde bude co největší turbulence vzduchu, za co nejmenších tlakových ztrát rekuperátoru, způsobilo, že účinnosti těchto rekuperátorů vzrostly z původních 50 - 60 % na dnešních 80 - 90 %. Díky jednoduchosti výroby a malým nákladům se stávají zejména pro menší vzduchotechnická zařízení jednoznačně nejpoužívanějšími rekuperátory současnosti. Nízká cena a široké možnosti použití při vysoké účinnosti způsobily, že tyto rekuperátory se dostaly i do aplikací větracích zařízení rodinných a bytových domů a podporují zájem investorů o stavby nízkoenergetických a pasivních budov, kde jsou tato zařízení nezbytnou požadovanou součástí. Používanými materiály na deskové rekuperátory jsou nejčastěji hliníkový, nerezový plech, plast. Výhodou u deskových rekuperátorů je, že v nich, oproti např. rotačním rekuperátorům, může docházet ke kondenzaci a kondenzace je dokonce vítána, neboť zvyšuje účinnost rekuperace. Další velkou výhodou deskových rekuperátorů je, že se jedná opět o bezpečné oddělení přívodního a odvodního vzduchu a že se v nich nevyskytují žádné pohyblivé díly ani další pohony.
Obr.č. 2 - Funkční schéma protiproudého rekuperačního výměníku
Ad 2a/ Regenerační ZZT - rotační výměníky
Výměna tepla probíhá prostřednictvím akumulační hmoty, která periodicky mění polohu, ale směr proudění vzduchu je stálý. Akumulační hmota - obvykle hliníkové plechy jako rotor v kovovém rámu, při otáčení probíhá, v periodách daných rychlostí otáčení, proudy teplého a studeného vzduchu a tím předává teplo. Pokud je akumulační hmota potažena ještě např. silikagelem, dochází také k výraznému přenosu vlhkosti. Účinnost těchto zařízení dosahuje 70 - 85 % a je závislá na otáčkách rotoru a rychlostech protékajících proudů vzduchu. Nevýhodou těchto zařízení je, že nejsou vhodné pro využití u vzduchu, který má na odtahu vysokou relativní vlhkost. Případná kondenzace je totiž nežádoucí jev, který může ničit ložiska rotoru a při nižších teplotách jak -5 st. C pak může dojít k zamrznutí celého průřezu rotoru a poničení hliníkových lamel o led, který vznikne jak ve vlastním rotoru, tak také na přepážkách rozdělující přívodní a odsávaný vzduch. Pokud tento jev vznikne, opravou je pouze výměna celého rotoru, což je nejdražší část zařízení. Výhodou oproti deskovým rekuperátorům je menší zastavěný prostor ve vzduchotechnických jednotkách, nevýhodou, kromě zmíněné nechtěné kondenzace je, že k pohybu výměníku je zapotřebí další energetický pohon a jedná se o točivý stroj.
Tento typ zařízení se používá ve vzduchotechnických jednotkách, kde přívodní i odpadní vzduch dokážeme svést k sobě.
Ad 2b/ Regenerační ZZT - přepínací výměníky.
Rozdílem proti rotačním výměníkům je, že akumulační hmota nemění polohu, ale periodicky se mění směr protékajícího vzduchu přes tuto hmotu. Prakticky se tyto typy realizují pomocí dvou akumulačních výměníků, přes které střídavě proudí čerstvý, v zimě studený a odpadní, v zimě teplý vzduch. Přepínání se děje na základě automatiky pomocí přepínacích klapek. Nevýhodou těchto zařízení je, že vždy část vzduchu, která může dosahovat 5 - 10 % celkového objemu, se dostává při přepínání z akumulační hmoty a klapkové sekce zpět. To znamená, že určitá část čerstvého venkovního vzduch se vrací zpět ven do venkovního prostředí a určitá část vnitřního odsávaného vzduch se dostává zpět do vnitřního prostoru.
D. Závěr
Řízené nucené větrání se zpětným získáváním tepla by mělo být v současné době součástí každé novostavby nebo zásadní rekonstrukce zejména proto, že tyto systémy mohou zaručit kvalitnější prostředí uvnitř budov, a proto, že tyto systémy šetří tepelnou energii, jejíž ceny neustále rostou.
Bohužel se často setkáváme s určitým nepochopením výrazu "rekuperace", jak se často zpětné získávání tepla obecně označuje. Zejména, pokud se případný klient zeptá následující otázkou. Cituji: "Prosím Vás, mám rodinný domek zhruba 8 x 11 m, dvě patra. Teď ho budu dobře zateplovat. Aspoň 7 cm polystyrenu, možná 10 cm. Ta rekuperace, už jsem o ní četl a určitě ji chci. Vytopí mi ten barák?" Odpovědí je, že systém zpětného získávání tepla sám o sobě nic nevytopí. Může ale ušetřit teplo, které bychom promrhali tím, že teplý znečištěný vzduch vyfukujeme ven z budovy. V souvislosti s takto položenou otázkou si myslím, že články vysvětlující tyto principy jsou stále potřebné.
Jakákoli investice do větracího systému je samozřejmě finanční zátěž, nejen při rekonstrukcích. Má delší dobu návratnosti než jakákoli další opatření, která se provádí v rámci budovy z hlediska úspor energií (např. výměna oken). Nesprávně se vška podmiňuje je čistě ekonomickým hodnocením návratnosti vůči úsporám energie. Často se také nespravedlivě provádí ekonomicko-energetické srovnávání nuceného větrání, kdy se dají dodržet požadované mikroklimatické podmínky, s nedostatečným větráním okny a nedodržování požadovaných mikroklimatických podmínek při tomto větrání. Dle mého názoru by bylo spravedlivé takové ekonomické srovnání, kdy by se ocenilo také kvalitnější vnitřní prostředí a díky tomu lepší podmínky pro bydlení nebo pracovní podmínky v patřičných prostorách. V dnešní době má větrání s rekuperací vliv i na snížené množství vyprodukovaného oxidu uhličitého a jeho ekonomicko-ekologický vliv na naši planetu. Tento fakt se jiz začal promítat i do podmínek výpočtu energetické náročnosti budov a splnění požadavků NZEB. Pouhé ekonomické hodnocení zpětného získávání tepla z energetického hlediska je svým způsobem deformované a ne zcela objektivní.
Poznámka recenzenta k pojmům "rekuperace" a "zpětné získávání tepla", které se často zaměňují:
Osobně se neztotožňuji s obecným používáním pojmu rekuperace ve větrání a klimatizaci. I když je faktem, že slovo rekuperace je ve slovníku cizích slov definováno jako "zpětné získávání neboli shromažďování energie, odpadních látek k opětovnému využití" používal se doposud v odborné literatuře našeho oboru spíše pojem zpětné získávání tepla (zkratka ZZT). To především proto, že pojem rekuperace máme spíše spojen s rekuperačními výměníky (tj výměníky, kde se předává teplo z jedné látky přes stěnu do látky druhé). Pro zpětné získávání tepla se však používají i výměníky regenerační, či s pomocnou kapalinou. Pro zajímavost v české wikipedii je v této chvíli definice "Rekuperace je proces přeměny kinetické energie dopravního prostředku zpět na využitelnou elektrickou energii při elektrodynamickém brzdění". Je nesporné, že se již pojem rekuperace namísto zpětné získávání v oblasti větrání bytů a rodinných domů už ve firemních a popularizačních materiálech velmi rozšířil.
Podobně při rozdělení zařízení ZZT upřednostňuji tři kategorie (viz článek ZZT): výměníky rekuperační, regenerační a výměníky s pomocnou tekutinou. Zařazení výměníků s pomocnou tekutinou mezi rekuperační nepovažuji z hlediska použitého principu za vhodné.
1) Průvzdušnost obvodového pláště budovy - tento pojem se vyskytuje v normě 73 0540-2 a měří se tzv. Blower-Door testem - postup dán ČSN EN ISO 13829
The article explains the principle of heat recovery and the basic categories of heat recovery units used in HVAC systems. It describes the advantages and disadvantages of individual heat recovery systems and their fitness for purpose.