Wymiennik entalpiczny – zasada działania, zastosowanie, korzyści

Rekuperator może odzyskiwać nie tylko ciepło jawne (związane z różnicą temperatury). Urządzenie, w którym zastosowano wymiennik entalpiczny, pozwala na odzyskanie większej ilości ciepła. Chodzi o tzw. ciepło utajone, “ukryte” w parze wodnej zawartej w powietrzu.

Odzysk ciepła z powietrza wywiewanego sprawia, że obniża się wilgotność względna powietrza nawiewanego do pomieszczeń. Ma to znaczenie szczególnie w okresie grzewczym. W Polsce jest to czas niższej wilgotności względnej powietrza zewnętrznego. Dodatkowo, podniesienie temperatury strumienia powietrza powoduje dalsze obniżenie wilgotności. Zatem do pomieszczeń napływa powietrza odczuwane jako “suche”. Co więcej, para wodna zawiera tzw. ciepło utajone, które można odzyskać. Wynika to z wysokiego ciepła właściwego pary wodnej – 1970 J/(kg∙K). Wymienniki ciepła, które pozwalają odzyskać zarówno ciepło jawne (związane z różnicą temperatury między strumieniami powietrza), jak i utajone (związane z energią zawartą w parze wodnej w powietrzu), noszą nazwę entalpiczne (rzadziej spotykana nazwa to entalpijne).

Entalpia jako pojęcie fizyczne przydatne w technice

Entalpia gazu stanowi jego potencjał termodynamiczny – miarę całkowitej energii w określonych warunkach (jednostką jest J/kg). Powietrze wentylacyjne, będące mieszaniną gazów niekondensujących i pary wodnej, ma całkowitą entalpię stanowiącą sumę entalpii powietrza suchego i entalpii pary wodnej:

I = I_p+x∙I_w

gdzie:

• I_p – entalpia powietrza suchego [J/kg]
• I_w – entalpia pary wodnej [J/kg]
• x – wilgotność bezwzględna powietrza [kg/kg]

Entalpia powietrza wilgotnego zależy od temperatury i od zawartości pary wodnej.

Jak przebiega odzysk entalpii?

W budynkach niemieszkalnych odzysk entalpii najczęściej odbywa się w wymienniku obrotowym, zaś w mieszkalnych – w entalpicznym wymienniku płytowym. Zachodzi w nim, oprócz wymiany ciepła jawnego, także wymiana ciepła utajonego (przez przenoszenie pary wodnej z powietrza wywiewanego do powietrza nawiewanego). Odzysk entalpii zachodzi z następującą sprawnością 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. Powietrze wywiewane (kuchnie, łazienki, pralnie etc.) ma wysoką entalpię (I₃) za sprawą wysokiej temperatury i wilgotności. Powietrze świeże ma niską entalpię (I₁) – jest suche i zimne. Stąd różnica entalpii między strumieniem powietrza nawiewanego przed wymiennikiem a strumieniem powietrza za wymiennikiem (I₂-I₁) powinna być jak najwyższa. Zatem pożądany jest odzysk zarówno ciepła jawnego, jak i wilgoci.

Sprawność temperaturowa wymiennika entalpicznego jest niższa niż dla wymiennika klasycznego, ponieważ strumień powietrza nawiewanego uzyskuje temperaturę niższą niż uzyskałby w wymienniku klasycznym. Do tego, ekoprojekt (Rozporządzenie UE 1253/2014) i norma PN-EN 13141-7 nie uwzględniają ciepła utajonego w pomiarach efektywności odzysku. Zatem rekuperatory z wymiennikami entalpicznymi na papierze mogą prezentować niższe wartości odzysku. Niemniej jednak powietrze o niższej temperaturze, ale wyższej wilgotności pełni rolę “magazynu energii”. Dzięki temu utrzymanie w pomieszczeniu oczekiwanej temperatury może być tańsze niż w przypadku nawiewania powietrza cieplejszego, ale suchszego.

Wymiennik entalpiczny – rozwiązania techniczne

Zamiast typowych lameli wymiennika stosuje się membranę przepuszczającą parę wodną, ale nie przepuszczającą większych cząstek, np. zanieczyszczeń. Może ona być wykonana z celulozy nasączonej solą higroskopijną (rozwiązanie coraz rzadziej spotykane) lub ze specjalnego kopolimeru. Dodatkowo wymiennik może być zabezpieczony materiałem biostatycznym, który zapobiega rozwojowi mikroorganizmów.

Warto dodać, że na wymienniku nie wykrapla się woda ani nie następuje szronienie (nawet -6⁰C). Dzięki temu nie trzeba odprowadzać kondensatu, a stosowanie nagrzewnicy wstępnej jest wyraźnie ograniczone. Jego zastosowanie eliminuje także konieczność stosowania dodatkowego nawilżacza powietrza. Latem wymiennik entalpiczny może odbierać ciepło jawne i wilgoć z powietrza zewnętrznego, co zmniejsza zapotrzebowanie na energię potrzebną do chłodzenia.

“Zwykły” rekuperator można przekształcić w rekuperator entalpiczny. Wystarczy wymienić wymiennik klasyczny na wymiennik entalpiczny w już zamontowanym urządzeniu.

Zdjęcie główne: wymienniki entalpiczne firmy Core