Jakie są rodzaje wymienników w rekuperatorach?

W obecnych czasach efektywne wykorzystanie energii staje się coraz większym priorytetem. Z tego też względu coraz większą popularnością zaczynają się cieszyć centrale rekuperacyjne z odzyskiem ciepła. Dzięki nim można znacząco poprawić efektywność energetyczną budynków oraz prawidłową wentylację. Ważnym elementem w nowoczesnych systemach wentylacyjnych są wymienniki ciepła, które potocznie nazywa się rekuperatorami. Jakie są rodzaje wymienników centralach rekuperacyjnych?

Czym jest rekuperator i dlaczego znalazł swoje zastosowanie w budynkach jednorodzinnych?

Rekuperatorem nazywa się centralę wentylacyjną z odzyskiem ciepła. W dzisiejszych czasach do budowy domów wykorzystuje się materiały, które charakteryzują się bardzo dobrą izolacją termiczną. Tego typu rozwiązania mają jednak niekorzystny wpływ na usuwanie z budynków wilgoci i zużytego powietrza. Może to powodować wystąpienie w narożnikach pomieszczeń pleśni i grzybów. W szczelnych domach wentylacja grawitacyjna kompletnie się nie sprawdzi. Często zdarza się, że po wykonaniu termomodernizacji starego budownictwa pojawia się problem z nadmierną wilgocią, a w konsekwencji z grzybem.

Z kolei zastosowanie wentylacji wyciągowej może wiązać się ze zwiększeniem zużycia energii do ogrzania powietrza napływającego z zewnątrz nawet o 40 procent. Najlepszym rozwiązaniem staje się więc zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, dzięki której możliwe jest obniżenie strat ciepła wentylacyjnego nawet 10-krotnie.

Sprawność temperaturowa urządzeń odzyskujących ciepło została określona na poziomie minimum 50% i jest to jeden z wymogów dla nowoczesnych instalacji. Maksymalna sprawność sięga nawet 98%. Wzrost zainteresowania rekuperacją w domach jednorodzinnych przez ostatnie lata rośnie również ze względu na przepisy. W 2021 roku zaczęły obowiązywać warunki techniczne WT2021 zgodnie z którymi wprowadzono wyższe wymagania dotyczące energooszczędności budynków.

Jaką funkcję pełnią wymienniki ciepła w rekuperatorach?

Rekuperator, czyli centrala wentylacyjna z odzyskiem ciepła składa się z:

• grzałki elektrycznej,
• by pass,
• obudowy,
• filtru nawiewu i wywiewu,
• czujników,
• wentylatora nawiewnego i wywiewnego,
• wymiennika ciepła.

Skupiając się na wymienniku ciepła, który jest najważniejszym elementem centrali, można powiedzieć, że jest to jej serce. W wymienniku ciepła dochodzi do procesu przekazywania energii z powietrza wywiewanego, pochodzącego z wnętrza pomieszczeń, do powietrza nawiewanego, dostarczanego z zewnątrz. Dzięki temu, zamiast tracić ciepło razem z usuwanym powietrzem, co jest charakterystyczne dla tradycyjnej wentylacji grawitacyjnej, udaje się zachować znaczną jego część. Osiągnięcie takiego efektu przekłada się na oszczędność energii, która w przeciwnym razie musiałaby zostać wykorzystana na ogrzanie nowych porcji powietrza niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania systemu wentylacyjnego.

Przy procesie odzysku ciepła często pomija się zagadnienie odzysku wilgoci, bądź raczej jego absencji. Wybierając urządzenia do tego celu, poziom wilgotności powietrza w pomieszczeniu rzadko jest traktowany jako aspekt o wysokim priorytecie. Jednak wilgotność powietrza ma fundamentalne znaczenie dla wielu aspektów życia, wyraźnie wpływając na komfort codziennego funkcjonowania. Wilgotność wpływa między innymi na samopoczucie, zdrowie, rozwój grzybów i bakterii, zdolność przenoszenia się wirusów oraz trwałość materiałów budowlanych. W związku z tym, poniżej omówione typy wymienników będą również analizowane pod kątem ich wpływu na wilgotność powietrza.

Jakie rodzaje wymienników są stosowane w centralach z odzyskiem ciepła?

W centralach wentylacyjnych wyposażonych w system odzysku ciepła, wymienniki ciepła odgrywają zasadniczą rolę w zapewnieniu efektywnej pracy całego systemu. Odpowiadają one za przenoszenie ciepła z powietrza wywiewanego do nawiewanego, co pozwala na znaczne ograniczenie strat energetycznych oraz podniesienie ogólnej wydajności procesu wentylacyjnego. Na rynku dostępna jest szeroka gama różnego rodzaju wymienników ciepła, stosowanych w różnych konfiguracjach central wentylacyjnych. Każdy z nich charakteryzuje się specyficznymi właściwościami i przeznaczeniem. Dzięki temu możliwe jest ich optymalne dopasowanie do indywidualnych potrzeb i specyfikacji danego obiektu.

Wymienniki przeciwprądowe

Wymienniki przeciwprądowe, które są rozbudowaną wersją wymiennika krzyżowego, wyróżniają się bardziej skomplikowaną budową. Główna różnica polega na układzie kanałów nawiewnych i wywiewnych, które w środkowej części wymiennika biegną równolegle do siebie, z tym że strumienie powietrza przepływają w przeciwnych kierunkach. Taka konstrukcja pozwala, aby zimne powietrze nawiewane w ostatnim odcinku wymiennika było ogrzewane przez najcieplejsze powietrze wywiewane. Przyczynia się to do znaczącego wzrostu sprawności cieplnej urządzenia, która sięgają nawet 90%.

Wymiennik przeciwprądowy, który odprowadza skropliny poza obieg powietrza, znany jest jako kondensacyjny przeciwprądowy wymiennik ciepła. Ta cecha może być rozpatrywana zarówno jako zaleta, jak i wada urządzenia. Z jednej strony, para wodna produkowana przez mieszkańców często nie jest wystarczająca, aby zrekompensować straty wilgoci spowodowane ciągłą pracą systemu wentylacji mechanicznej, co w okresie zimowym prowadzi do przesuszenia powietrza. Z drugiej strony, w okresach deszczowych oraz przejściowych, obecność tego typu wymiennika umożliwia skuteczne osuszanie powietrza wewnątrz budynku.

Na początkowym etapie użytkowania nowego budynku wilgoć znajduje się jeszcze w tynkach i wylewkach. Zasadne więc wydaje się zastosowanie systemów odzysku ciepła, które skutecznie usuwają nadmiar wilgoci. W takich przypadkach warto również rozważyć użycie nawilżaczy, aby zrównoważyć poziom wilgotności wewnątrz. Niemniej jednak, ich popularność na polskim rynku jest niewielka. Producenci, posiadający nawilżacze w swojej ofercie, często projektują je tak, aby współpracowały wyłącznie z dedykowanymi centralami wentylacyjnymi. Na rynku dostępne są nawilżacze uniwersalne takie jak Wanas 600 Uni oraz Defro WetUp 2.8

Wykroplony kondensat jest kierowany na tacę ociekową, gdzie odprowadzane jest do kanalizacji. Gdy nie zastosujemy nagrzewnicy chroniącej wymiennik zimą przed zamarzaniem, będzie to prowadzić do blokowania przepływu powietrza. To zjawisko, znane jako szronienie wymiennika, występuje przy niskich temperaturach, zwłaszcza gdy jej wartość na zewnątrz spada poniżej -4 °C, przez co wymagane jest stosowanie zabezpieczeń przeciwzamrożeniowych.

Centrale wentylacyjne wyposażone w wymienniki przeciwprądowy posiadają w swojej konstrukcji takie zabezpieczenia jak pusta komora z przepustnicą, znana jako by-pass, wstępne nagrzewnice elektryczne lub algorytmy regulujące pracę wentylatorów, mające na celu zapobieganie zamarzaniu. 

Wymienniki entalpiczne

Różnica między wymiennikami ciepła entalpicznymi a przeciwprądowymi leży w rodzaju materiału wykorzystanego do produkcji płyt. W entalpicznych wymiennikach ciepła płyty wykonane są z membrany polimerowej, działającej na zasadzie filtra, który umożliwia transfer pary wodnej. Dzięki temu, oprócz odzysku ciepła, możliwy jest również częściowy odzysk wilgoci. Takie rozwiązanie stanowi o unikatowości wymienników entalpicznych, które umożliwiają nie tylko efektywną wymianę ciepła, ale również zachowanie optymalnego poziomu wilgotności w przepływającym powietrzu.

Jedną z dodatkowych zalet wymienników entalpicznych jest ich zdolność do pracy w szerszym zakresie temperatur, nawet do -5°C, bez konieczności stosowania dodatkowych zabezpieczeń przeciwzamrożeniowych. Mimo to, centrale wykorzystujące te wymienniki są często wyposażone w przedstawione wcześniej systemy zabezpieczające. Odzysk wilgoci w okresie zimowym jest szczególnie korzystny, ponieważ rozwiązuje problem przesuszenia powietrza wewnątrz pomieszczeń. Warto jednak zaznaczyć, że proces odzyskiwania wilgoci może mieć miejsce również latem. Jest to efektywne tylko wtedy, gdy wilgotność powietrza wewnątrz jest wyższa niż jego wilgotność na zewnątrz. Ta cecha wymienników entalpicznych sprawia, że możliwe jest utrzymanie optymalnego poziomu wilgotności w pomieszczeniach niezależnie od pory roku.

Wymienniki obrotowe

Obrotowy wymiennik ciepła konstruowany jest z blachy aluminiowej, gdzie na przemian stosuje się blachę karbowaną i płaską, formującą strukturę nawiniętą na specjalny bęben. Blacha ta tworzy kanaliki, przez które naprzemiennie przepływa powietrze nawiewane do pomieszczeń oraz powietrze z nich wywiewane. Wokół bębna wymiennika umieszczony jest pas napędowy, który, będąc napędzanym przez silnik, powoduje obrót walca wokół jego osi. Taki ruch rotacyjny umożliwia odzysk energii za pomocą procesu regeneracji, podczas którego energia cieplna z powietrza wywiewanego jest transferowana do powietrza nawiewanego, co przyczynia się do zwiększenia efektywności energetycznej systemu wentylacyjnego.

W procesie regeneracji charakterystyczny jest bezpośredni kontakt strumieni powietrza wewnętrznego i zewnętrznego z tą samą powierzchnią wymiennika, co umożliwia zarówno odzysk ciepła, jak i częściowy odzysk wilgoci. W okresie zimowym, kiedy temperatura powietrza zewnętrznego jest niska, powietrze wywiewane z pomieszczeń ochładza się do wartości poniżej punktu rosy. Efektem jest kondensacja wilgoci. Skroplona woda osadza się w kanalikach urządzenia, a następnie, w wyniku jego rotacji, przenosi się do chłodniejszego otoczenia powietrza zewnętrznego.

Ogrzewające się powietrze zewnętrzne powoduje, że część kondensatu paruje. Umożliwia to jego częściowy powrót do obiegu, nawilżając w ten sposób świeże powietrze. Dzieje się to nieustannie, nie pozostawiając kondensatowi wystarczająco dużo czasu na zamarznięcie. Takie urządzenia wykazują zdolność do pracy nawet w bardzo niskich temperaturach zewnętrznych, sięgających -30°C, bez potrzeby stosowania dodatkowych zabezpieczeń przeciwzamrożeniowych. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że ich skuteczność jest zależna od działania komponentów mechanicznych, jak np. silniki czy pasy napędowe. Może to przyczynić się do zwiększonego zużycia energii elektrycznej z powodu konieczności zapewnienia dodatkowego zasilania.

Wymienniki przeciwprądowe spiralne

Wśród dostępnych na rynku rozwiązań znajdują się także wymienniki przeciwprądowe spiralne, których konstrukcja została objęta ochroną patentową. Jest to rozwiązanie opracowane przez jedną z polskich firm. Urządzenie zbudowane jest z folii aluminiowej oraz blachy ocynkowanej, które zwijane są spiralnie, tworząc formę walca. Konstrukcyjnie urządzenie podzielone jest na dwie niezależne przestrzenie przeznaczone dla strumieni powietrza nawiewanego i powietrza wywiewanego. Taka budowa umożliwia wymianę ciepła między strumieniami, przy zachowaniu ich pełnej separacji, co przekłada się na wysoką wydajność oraz efektywność energetyczną systemu wentylacyjnego.

Przestrzenie przeznaczone dla powietrza nawiewanego i wywiewanego w wymiennikach spiralnych są dokładnie oddzielone od siebie za pomocą uszczelnienia. Dzięki temu możliwe jest odzyskiwanie ciepła z powietrza usuwanego, bez ryzyka jego mieszania z nawiewanym. Charakterystyczna spiralna budowa urządzenia powoduje, że przepływ powietrza odbywa się po trajektorii okrężnej, co łączy w sobie ruch przeciwprądowy i częściowo krzyżowy. Wysoka powierzchnia wymiany energii cieplnej oraz długi dystans, który musi pokonać powietrze, zapewniają odporność wymiennika na szronienie. Kiedy stosunek ilości powietrza nawiewanego do wywiewanego wynosi 1:1 to efektywność urządzenia przekracza 85%.

Wymienniki sorpcyjne obrotowe

Sorpcyjny obrotowy wymiennik ciepła wyposażony jest w dodatkowy materiał higroskopijny, który umożliwia absorpcję pary wodnej z przepływającego powietrza. Dzięki temu urządzenie może odzyskać nawet do 90% wilgoci z powietrza wywiewanego. Proces absorpcji pary wodnej nie opiera się na zjawisku kondensacji i zachodzi zarówno w okresie zimowym, jak i letnim. Zastosowanie wymiennika sorpcyjnego obrotowego jest szczególnie korzystne w pomieszczeniach z problemami niskiej wilgotności powietrza, gdzie wprowadzenie innych typów urządzeń, jak np. wymiennik przeciwprądowy, nie przynosiłoby oczekiwanych rezultatów ze względu na brak możliwości odzysku wilgoci.

Wymienniki Metalpic

Wymienniki Metalpic charakteryzują się bardzo wysoką szczelnością i odpornością na nierówne ciśnienie. Ponadto ich konstrukcja sprawia, że są one wysoce przepuszczalne dla pary wodnej, ale nie dla zapachów, czy też innych gazów i substancji lotnych. Wymienniki w technologii Metalpic wyróżniają się także wysoką wydajnością temperaturową. Wynika to z użytych do ich produkcji materiałów, dzięki którym powierzchnia wymiany ciepła jest większa, a ich wydajność wzrasta nawet do 90 procent. Technologia Metalpic to połączenie zalet wymiennika aluminiowego HRV i polimerowego ERV.