Wymiennik entalpiczny, czyli jak usprawnić wentylację nie tylko zimą

Ważnym zadaniem central rekuperacyjnych (central nawiewno-wywiewnych z odzyskiem ciepła) jest odzyskiwanie ciepła ze strumienia powietrza wywiewanego. Rekuperator, w którym zostanie zastosowany wymiennik entalpiczny, pozwala na odzyskanie większej ilości ciepła niż wynikałoby to z różnicy temperatury między strumieniami powietrza.

materiał przygotowany przez Partnera Strefy Instalatora – firmę Alnor


Zasadą rekuperacji (odzysku ciepła z powietrza wywiewanego, Heat Reclaim) jest wymiana ciepła między strumieniem powietrza wywiewanego a strumieniem powietrza nawiewanego. Ilość wymienianego ciepła zależy od różnicy temperatury między strumieniami. Ciepło zawarte w strumieniu powietrza wywiewanego nie jest tracone, a umożliwia podniesienie temperatury powietrza nawiewanego. Dzięki temu na ogrzanie pomieszczeń potrzebna jest mniejsza ilość energii, co w prosty sposób prowadzi do jej oszczędności.

Odzysk ciepła a obniżenie wilgotności

Pozytywne zjawisko wymiany ciepła między strumieniami wiąże się z mniej korzystnym obniżeniem wilgotności względnej powietrza nawiewanego do pomieszczeń. W okresie grzewczym (głównie przejściowym jesień/zima i zimą) w klimacie umiarkowanym, w strefie którego leży Polska, wilgotność względna powietrza zewnętrznego jest niższa niż przez pozostałe pory roku. Podniesienie temperatury strumienia powietrza powoduje dalsze obniżenie wilgotności. Do pomieszczeń napływa zatem powietrze o niskiej wilgotności względnej, odczuwane przez użytkowników jako suche i negatywnie wpływające na ich komfort. Niższa wilgotność względna powietrza ma też znaczenie z punktu widzenia termodynamiki. Zawarta w powietrzu para wodna, ze względu na wysokie ciepło właściwe 1970 J/(kg∙K), stanowi nośnik znacznej ilości energii (tzw. ciepła utajonego). Zatem odzysk ciepła utajonego miałby znaczenie zarówno dla oszczędności energii, jak i dla komfortu użytkowników.

Wymiennik entalpiczny, czyli jaki?

Dlatego producenci central rekuperacyjnych oferują rozwiązania umożliwiające odzysk zarówno ciepła jawnego (związanego z różnicą temperatury między strumieniami powietrza), jak i utajonego (związany z energią zawartą w parze wodnej w powietrzu). Dla zaakcentowania, że odzyskiwane jest nie tylko ciepło jawne, do opisu tego rozwiązania i jego skuteczności stosuje się pojęcie entalpii.

Entalpię gazu należy rozumieć jako jego stan (potencjał) termodynamiczny, będący miarą całkowitej energii w określonych warunkach (jednostką jest J/kg). W przypadku powietrza napływającego do pomieszczeń, będącego mieszaniną gazów niekondensujących i pary wodnej, entalpia powietrza wilgotnego (I) jest sumą entalpii powietrza suchego i pary wodnej:

I = Ip+x∙Iw

gdzie:

  • Ip – entalpia powietrza suchego [J/kg]
  • Iw – entalpia pary wodnej [J/kg]
  • x – wilgotność bezwzględna powietrza [kg/kg]

Entalpia powietrza wilgotnego jest więc nie tylko funkcją temperatury, ale zależy w dużym stopniu od zawartości pary wodnej.

Z technicznego punktu widzenia odzysk entalpii odbywa się w wymienniku ciepła. Dla zaakcentowania odzysku “całego” ciepła (jawnego + utajonego) nosi on nazwę wymiennika entalpicznego (rzadziej spotykana nazwa – entalpijnego).

Jak przebiega odzysk entalpii?

Od strony praktycznej, w sektorze budynków niemieszkalnych odzysk entalpii najczęściej odbywa się w wymienniku obrotowym. Natomiast popularność, szczególnie w budynkach mieszkalnych jednorodzinnych, zyskuje entalpiczny wymiennik płytowy. W klasycznym wymienniku przeciwprądowym (zbudowanym z lamel, najczęściej aluminiowych) następuje wymiana ciepła jawnego między strumieniem powietrza wywiewanego a strumieniem powietrza nawiewanego. W wymienniku entalpicznym między strumieniami powietrza nawiewanego i wywiewanego następuje także wymiana ciepła utajonego. Odbywa się ona przez przenoszenie pary wodnej z powietrza wywiewanego do powietrza nawiewanego. Rozwiązanie takie ma dwie zalety – po pierwsze, strumień powietrza nawiewanego ma wyższą wilgotność względną. Po drugie, na wymienniku nie wykrapla się woda, dzięki czemu nie trzeba odprowadzać kondensatu. Nie następuje też szronienie wymiennika w warunkach niskiej temperatury (nawet do -6⁰C). Rozwiązanie to eliminuje także konieczność stosowania dodatkowego nawilżacza powietrza, czy to kanałowego, czy lokalnego, dla konkretnego pomieszczenia

Z czego zrobiony jest wymiennik entalpiczny?

Tak rozumiany odzysk entalpii wymaga odpowiedniego rozwiązania materiałowego wymiennika. Zamiast typowych lameli, stosuje się selektywną (przepuszczającą tylko parę wodną) membranę. Membrana ta może być wykonana z celulozy nasączonej solą higroskopijną lub ze specjalnego kopolimeru (tworzywa sztucznego). Materiał ma optymalną strukturę. Odległość między jego włóknami zapewnia przepuszczanie cząsteczek wody oraz zatrzymywanie większych cząsteczek (np. zanieczyszczeń). Dodatkowo, co ma znaczenie ze względów higienicznych, wymiennik jest zabezpieczony specjalnym materiałem silnie biostatycznym. Zapobiega on rozwojowi mikroorganizmów, głównie bakterii i grzybów. Rozwiązanie biostatyczne może być albo powłoką nanoszoną na materiał wymiennika, albo elementem wbudowanym w kopolimer.

Sprawność wymiennika entalpicznego

O sprawności wymiennika entalpicznego mówi sprawność odzysku entalpii h :

h= (I2-I1)/(I3-I1)

gdzie:

  • I1 – entalpia powietrza nawiewanego – przed wymiennikiem [J/kg]
  • I2 – entalpia powietrza nawiewanego – za wymiennikiem [J/kg]
  • I3 – entalpia powietrza wywiewanego – przed wymiennikiem [J/kg]

Zimą różnica (I3-I1) jest znaczna. Z kuchni, łazienek, pralni i podobnych pomieszczeń, z których odbywa się wywiew, odpływa powietrze o wysokiej temperaturze i wilgotności, a więc znacznej entalpii ( I3), natomiast z zewnątrz napływa powietrze suche i zimne, a więc o niskiej entalpii ( I1). Składnik ma wysoką wartość związaną zarówno z wysoką temperaturą powietrza wywiewanego, jak i z jego wysoką wilgotnością względną. Dlatego duże znaczenie ma różnica entalpii (I2-I1) między strumieniem powietrza nawiewanego przed wymiennikiem a strumieniem powietrza za wymiennikiem – wymaga to więc nie tylko odzysku ciepła jawnego, ale i wilgoci. Sprawność odzysku wilgoci zależy od materiału wymiennika. Przykładowo, rekuperatory HRU-ERGO firmy Alnor z celulozowymi wymiennikami umożliwiają odzysk 62-78 % wilgoci z powietrza wywiewanego. Modele PremAIR-E wyposażone są w wymienniki z membraną z tworzywa sztucznego i osiągają odzysk wilgoci do 88%.

Jednocześnie należy podkreślić, że sprawność temperaturowa wymiennika entalpicznego jest niższa niż dla wymiennika klasycznego (odpowiednio 80-85% kontra 94%). Wynika to z tego, że w wymienniku entalpicznym strumień powietrza nawiewanego uzyskuje temperaturę niższą niż uzyskałby w wymienniku klasycznym. Jednocześnie jego energia jest wyższa, dzięki ciepłu utajonemu – energii zawartej w parze wodnej. Zatem powietrze o niższej temperaturze, ale wyższej wilgotności może spełnić rolę “magazynu energii”. Dzięki temu utrzymanie oczekiwanej w pomieszczeniu temperatury może być tańsze niż w przypadku nawiewania powietrza cieplejszego, ale o wyraźnie niższej wilgotności.

Co jeszcze warto wiedzieć o wymienniku entalpicznym

Obecne przepisy ekoprojektu (Rozporządzenie UE 1253/2014) oraz norma badawcza PN-EN 13141-7 Wentylacja budynków — Badanie właściwości elementów/wyrobów do wentylacji budynków mieszkalnych — Część 7: Badanie właściwości urządzeń wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej (z odzyskiwaniem ciepła) do wentylacji mechanicznej budynków jednorodzinnych nie uwzględniają „bonusu” ciepła utajonego w wynikach pomiarowych efektywności odzysku. Zatem rekuperatory z wymiennikami entalpicznymi na papierze mogą prezentować niższe wartości odzysku niż wskazywałyby ich możliwości. M.in. z tego względu trwają europejskie konsultacje, czy (i jak) uwzględnić odzysk ciepła utajonego w przepisach.

Zalety wymiennika entalpicznego można odczuć również latem, kiedy proces jest odwrotny – ciepło jawne i wilgoć odbierane są z powietrza zewnętrznego. Odzysk ciepła utajonego może znacząco zredukować zapotrzebowanie na energię potrzebną do chłodzenia.

“Zwykły” rekuperator można przekształcić w rekuperator entalpiczny, dzięki wymianie wymiennika z klasycznego na entalpiczny w ramach już zamontowanego urządzenia.

Warto przeczytać także:

Leave a Comment