Rekuperacija topline u ventilacijskim sustavima: princip rada i izvedbene varijante

Tijekom ventilacije iz prostorije se uklanja ne samo otpadni zrak, već i dio toplinske energije. Zimi to dovodi do povećanja računa za energiju.

Smanjiti neopravdane troškove, bez štete za izmjenu zraka, omogućit će rekuperacija topline u ventilacijskim sustavima centraliziranog i lokalnog tipa. Za regeneraciju toplinske energije koriste se različite vrste izmjenjivača topline – rekuperatori.

U članku su detaljno opisani modeli uređaja, njihove konstrukcijske značajke, principi rada, prednosti i nedostaci. Prikazane informacije pomoći će u odabiru optimalne varijante za uređenje ventilacijskog sustava.

Pojam rekuperacije: princip rada izmjenjivača topline

U prijevodu s latinskog, rekuperacija znači naknada ili ponovno dobivanje. U odnosu na reakcije izmjene topline, rekuperacija se karakterizira kao djelomični povrat energije utrošene na provođenje tehnološkog djelovanja u svrhu primjene u istom procesu.

U ventilacijskom sustavu princip rekuperacije koristi se za uštedu toplinske energije.

Po analogiji, rekuperacija hlađenja događa se u vrućem vremenu – tople dovodne mase zagrijavaju izlazni "otpadni" zrak i njihova temperatura se smanjuje.

Proces regeneracije energije odvija se u rekuperacijskom izmjenjivaču topline. Uređaj uključuje element za izmjenu topline i ventilatore za pumpanje zračnih tokova u različitim smjerovima. Za upravljanje procesom i kontrolu kvalitete dovoda zraka koristi se automatski sustav.

Konstrukcija je razvijena tako da se dovodni i odvodni tokovi nalaze u odvojenim odjeljcima i ne miješaju – iskorištavanje topline odvija se kroz stijenke izmjenjivača topline.

Razumjeti i shvatiti što je ventilacija s rekuperacijom pomoći će pregledna shema cirkulacije zraka.

Kroz odsisne otvore u vlažnim prostorijama (WC, kupaonica, kuhinja) odvodi se otpadni zrak. Prije nego što se ukloni van, prolazi kroz rekuperator i ostavlja dio topline. Dovedeni zrak kreće se u suprotnom smjeru, zagrijava se i ulazi u dnevne sobe (+).

Opravdanost rekuperatora u ventilaciji

O svrsishodnosti uređenja rekuperativne ventilacije može se govoriti nakon procjene učinkovitosti sustava i usporedbe njegovih prednosti s nedostacima.

Od otpadnog zraka koji se izvlači van uzima se dio topline i prenosi svježim strujama koje se potiskuju prema unutrašnjosti prostorije. To omogućuje smanjenje gubitaka topline do 70% (+).

Potreba za korištenjem rekuperacije topline najaktualnija je u zgradama s prisilnim odvodom zraka. U pravilu, to su zgrade male inercije izgrađene korištenjem inovativnih tehnologija toplinske izolacije (kuće od sendvič-panela, plin silikatnih ploča, pjenastih blokova).

U takvim zgradama zidovi slabo akumuliraju toplinu, a prirodna izmjena zraka je neučinkovita.

Međutim, problemi s cirkulacijom zraka karakteristični su i za „tradicionalne” građevine od opeke i betona. Prisutnost hermetičkih toplinsko-zvučno izolacijskih PVC prozora blokira cirkulaciju s prirodnim poticajem – dotok svježeg zraka se zaustavlja, a propuh u ventilacijskom kanalu se preokreće ili teži nuli.

Rješenje problema „europrozora” – organizacija prisilne ventilacije. Sustav obnavlja izmjenu zraka, ali pritom se gubici topline povećavaju do 60%. I tu se više ne može bez toplinske rekuperacije.

Učinkovitost izmjenjivačkog procesa izražava se u postocima i pokazuje količinu utrošene topline iz otpadnog zraka za zagrijavanje svježeg „dovodnog” zraka.

Pokazatelj iskoristivosti ventilacijske rekuperacije topline:

• 0% – otvoren prozor – topli zrak odlazi u atmosferu, a hladni ulazi unutra, snižavajući temperaturu u prostoriji;
• 100% – dovodni zrak zagrijava se do temperature „otpadnog” zraka – tehnički je nemoguće ostvariti;
• 30-90% – dopušteni parametar, dobrom se smatra rekuperacija s učinkovitošću od 60% i više, iskoristivost iznad 80% – izvrsna izmjena topline.

Učinkovitost sustava ovisi o vrsti rekuperatora, dimenzijama prostorije i protoku zraka. U svakom slučaju, korištenje rekuperacijske ventilacije čak i s iskoristivošću od 30% isplativije je nego njezino izostajanje. Osim značajne uštede na energetskim resursima, «regeneracija» topline poboljšava ukupnu mikroklimu u prostoriji.

Nedostaci korištenja izmjenjivača topline:

1. Ovisnost o energiji. Kupnja klimatizacijske opreme opravdana je ako će potrošnja električne energije biti znatno manja od njezine uštede nakon ugradnje rekuperatora.
2. Kondenzacija. Zbog razlike temperatura na stijenkama izmjenjivača topline može se kondenzirati vlaga. Zimi postoji vjerojatnost zaleđivanja, što prijeti naglim smanjenjem iskoristivosti ili kvarom rekuperatora.
3. Buka tijekom rada. Neki modeli tijekom rada proizvode brujanje. Ako danju taj nedostatak nije osobito zamjetan, noću buka uzrokuje nelagodu. Rekuperatori s poboljšanom izolacijom rade tiho.

Visoka početna ulaganja često postaju glavni argument protiv energetski učinkovite ventilacije.

Isplativo je ulagati novac u onaj sustav koji će se isplatiti unutar 5-8 godina. Treba uzeti u obzir da će za održavanje kompleksa biti potrebni dodatni troškovi, na primjer, povremena zamjena ventilatora.

Značajke različitih vrsta izmjenjivača topline

Konstrukcija rekuperatora određuje shemu kretanja toplinskog medija, učinkovitost ventilacijskog sustava, klasu potrošnje energije i cijenu opreme. Primjenjuje se pet varijanti izmjenjivača topline: pločasti, rotacijski, toplinske cijevi, komorni uređaji i modeli s međumedijem.

Pločasti rekuperator – jednostavnost konstrukcije

Osnova izmjenjivača topline jest hermetička komora s mnoštvom paralelnih zračnih kanala. Kanali su odvojeni pregradama – toplinski provodnim pločama izrađenim od čelika ili aluminija.

Valovite ploče (60-70 komada) grupirane su u jednom bloku tako da se formirani kanali nalaze unakrsno jedan prema drugome – stvorena turbulencija poboljšava izmjenu topline (+)

Struje plinova kreću se jedna prema drugoj, križaju se u kaseti rekuperatora, ali se ne miješaju. Toplinska izmjena odvija se istovremenim hlađenjem i zagrijavanjem pločica s različitih strana.

Prednosti unakrsnog izmjenjivača topline:

• jednostavnost montaže i podešavanja opreme;
• isključenje kontakta zračnih masa;
• pristupačna cijena i kompaktne dimenzije;
• odsutnost trzajućih i pokretnih dijelova.

Pokazatelj učinkovitosti varira u rasponu 40-70%.

Glavni nedostatak pločastog modela – taloženje kondenzata u odvodnom kanalu i stvaranje leda zimi. Za odmrzavanje agregata ulazna struja preusmjerava se zaobilazeći izmjenjivač topline, a topli izlazni tok otapa led na pločama.

U režimu «odmrzavanja» ušteda energije ne događa se, za zagrijavanje ulaznog zraka koriste se kaloriferi snage do 5 kW. Prosječna vrijednost učinkovitosti pada za 20% (+)

Moguća su dva puta rješavanja problema:

1. Prethodno zagrijavanje ulaznog toka zraka do temperature pri kojoj je stvaranje leda isključeno.
2. Rekuperator s pločama od higroskopske celuloze. Materijal upija vlagu iz otpadnih zračnih masa i prenosi je novopridošlim tokovima.

Pri odabiru unakrsnog izmjenjivača topline treba uzeti u obzir radne značajke ploča.

Njihove karakteristike ovise o materijalu izrade:

1. Aluminijska folija – pristupačna cijena, ali ograničena učinkovitost zimi. Osim toga, ne preporučuje se za stambene prostore zbog isušivanja zraka. Modifikacije s aluminijskim «punjenjem» – optimalna opcija za kupke i bazene.
2. Plastične pregrade – po cijeni slične metalnim proizvodima, ali se odlikuju poboljšanom radnom učinkovitošću.
3. Celulozni izmjenjivač topline – sprječava zaleđivanje i održava normalan sadržaj vlage unutar prostorije.

Higrocelulozni rekuperator je najekonomičniji i optimalan za ventilaciju stambenih zgrada.

Rotacijski rekuperator – visoka učinkovitost sustava

Izmjenjivač topline prikazan je u obliku cilindra ispunjenog slojevima rebrastog metala. Tijekom rotacije bubnjaste jedinice, u svaki odjeljak naizmjenično dolaze topli ili hladni mlazovi zraka.

Konstrukcija rotacijskog rekuperatora: osovina okretanja i dva zračna kanala. Jedan dio rotora zagrijava se 'otpadnim' zrakom, bubanj se okreće i toplina se preusmjerava hladnim masama koje su koncentrirane u susjednom kanalu (+)

Učinkovitost izmjene topline određena je brzinom okretanja rotora, a radna učinkovitost se može podešavati.

Argumenti 'za' rotacijski rekuperator:

• povrat topline do 65-90%;
• ekonomičnost potrošnje električne energije;
• djelomična nadoknada vlage – može se bez ovlaživača;
• razdoblje povrata – do 4 godine.

Unatoč visokoj učinkovitosti, izmjenjivač topline bubnjastog tipa nije postao lider među sličnim uređajima.

Nedostaci ventilacijskog sustava:

1. Primjesa onečišćenog zraka u dovod. Kroz mikrokanale naizmjenično cirkuliraju odvodne i dovodne mase, stoga se oko 3-8% 'otpadnog' zraka vraća natrag. Bubanj često prenosi miris izlaznog zraka.
2. Složenost konstrukcije. Rotirajući dijelovi rotora zahtijevaju redovito održavanje i povremenu zamjenu. Pokretni elementi tijekom rada stvaraju buku i vibracije.
3. Visoka cijena. Cijena rotacijskih modela viša je nego kod pločastih proizvoda. To je uvjetovano uporabom složene mehanike u konstrukciji bubnjastog izmjenjivača topline.
4. Velike dimenzije. Montaža se izvodi u prostranoj ventilacijskoj komori.

Zbog glomaznosti, rotacijske jedinice koriste se pretežno u industrijskim postrojenjima.

Kako bi se minimiziralo miješanje strujanja zraka, rotacijski rekuperatori nadopunjuju se međusektorima – ovdje se mikrokanali pročišćavaju svježim zrakom koji se vraća natrag u odvod. Nedostatak sheme – smanjenje učinkovitosti (+)

Povezani izmjenjivači topline – glikolni model

Rekuperacijsku jedinicu s međunosiocem topline zbog konstrukcijskih značajki često nazivaju povezanim izmjenjivačima topline ili glikolnim agregatom. To je jedan od najfleksibilnijih sustava za iskorištavanje topline. Jedan izmjenjivač topline ugrađuje se u dovodni kanal, a drugi – u odvod.

U shemi priključka prisutni su: cirkulacijska pumpa, ekspanzijska posuda, zračni ventil, kontroler, temperaturni senzor, sigurnosni ventil, indikator tlaka (+)

Princip rada. Glikolna smjesa cirkulira između izmjenjivača topline. Temperatura medija za prijenos topline raste zahvaljujući zagrijanoj odvodnoj struji, a zatim se toplinska energija prenosi svježem zraku. Zatvoreni sustav sprječava miješanje suprotnih zračnih masa.

Značajke rada izmjenjivača topline s toplinskim medijem:

• Učinkovitost – 45-55%;
• podešavanje učinkovitosti pomoću pumpe – odabire se brzina kretanja antifriza;
• mogućnost postavljanja dovodnih i odvodnih zračnih kanala udaljenih jedan od drugoga (do 800 m);
• montaža rekuperatora izvodi se okomito ili vodoravno;
• u jakom mrazu površina odvodnog izmjenjivača topline se smrzava – pojavljuje se led; upotreba antifriza omogućuje rad rekuperatora bez odmrzavanja;
• rok otplate sustava – do 2 godine;
• dopuštena je kombinacija 1 odvoda i više dovodnih kanala ili obrnuto.

Volumen odvodnog i dovodnog zraka treba biti približno jednak. Takvi se rekuperatori obično koriste ako je dovodni zrak otrovan ili jako zagađen, kada miješanje strujanja nije dopušteno.

Komorni modul – svestranost primjene

Konstrukcijski, komorni izmjenjivač topline je zatvorena kutija, iznutra podijeljena pomičnom zaklopkom. Pomična pregrada određuje način rada rekuperatora.

Odvod prolazi duž jednog kanala, a dovod ulazi u drugu komoru. U izmjenjivaču topline tople mase zagrijavaju stijenke prvog odjeljka. Nakon nekog vremena zaklopka se pomiče i strujanje zraka mijenja smjer.

Kao rezultat – dovod se kreće duž toplih stijenki prvog zračnog kanala, a «odvod» zagrijava površinu druge komore. U određenom trenutku pregrada se vraća nazad i ciklus se ponavlja.

Prednosti komornog izmjenjivačkog sklopa:

• Učinkovitost – 80-90%;
• u tandemu s kvalitetnom toplinskom izolacijom troškovi grijanja svode se na minimum;
• jednostavnost montaže – pomoć stručnjaka bit će potrebna pri odabiru parametara ventilacijske jedinice;
• očuvanje razine vlažnosti;
• isključeno je smrzavanje sustava.

Komorni rekuperator – izvrstan izbor za regije u kojima tijekom godine dulje razdoblje postoji znatna neravnoteža između temperature unutar prostorije i vani.

Nedostaci sklopa za regeneraciju topline su:

• potreba redovitog tehničkog održavanja pokretnih elemenata;
• suprotne zračne struje djelomično se miješaju – mirisi i nečistoće mogu dospjeti natrag u zgradu.

Radi smanjenja primjesa sustav se oprema filtarskim elementom. Zrak postaje čišći, ali učinkovitost rekuperatora pada.

Toplinske cijevi – zatvoreni sustav izmjene topline

Rekuperator se sastoji od mnogo bakrenih ili aluminijskih cijevi ispunjenih lako isparljivom tvari, primjerice freonom. Princip rada cijevnog izmjenjivača topline temelji se na fizičkim procesima – promjeni stanja tvari pri zagrijavanju.

Termocijev se postavlja okomito – donji kraj izmjenjivača u odvodnom kanalu, a gornji u dovodnom zračnom vodu. Izlazni tokovi obilaze kraj cijevi – freon se zagrijava, ključa i isparava (+)

Plin se podiže i predaje toplinsku energiju dovodu, nakon čega se freon kondenzira i slijeva na dno rekuperatora. Termički ciklus se ponavlja u krugu.

Tehničko-eksploatacijske karakteristike cijevnog izmjenjivača topline:

• učinkovitost uređaja – do 65%;
• nečujnost rada zbog odsutnosti pokretnih dijelova;
• jednostavnost konstrukcije i nezahtjevnost u održavanju;
• kompaktnost – male dimenzije i mala težina;
• energetska neovisnost – toplinski medij cirkulira prirodnim putem;

Velika prednost je u tome što se zračne struje dovoda i povrata ne miješaju.

Slabe strane toplinskih cijevi:

• visoka razina učinkovitosti postiže se u uskom temperaturnom rasponu – kod naglog pregrijavanja sav freon ispari, a kod nedovoljnog zagrijavanja intenzitet isparavanja se usporava;
• niska čvrstoća cijevi – promjena oblika ili gubitak brtvljenja smanjuje radnu sposobnost opreme.

Cjevasti rekuperatori koriste se u privatnoj gradnji, u administrativnim, uredskim zgradama i malim industrijskim površinama.

Načini organizacije rekuperativne ventilacije

Rekuperacija se uređuje na jedan od načina: centralizirano i decentralizirano. U prvom slučaju kroz izmjenjivač topline prolaze ventilacijski tokovi iz cijelog prostora, u drugom – iz jedne sobe.

Centralizirani kompleks – dovodno-odsisna jedinica

Centralizirani sustav se uređuje u fazi izgradnje ili kapitalne modernizacije ventilacijskog sustava.

Odabire se prisilni dovodno-odvodni uređaj (PVU) s ugrađenim rekuperatorom. Glavni kriterij odabira – ukupna produktivnost kompleksa izračunata na cijeli volumen zraka u objektu (+)

PVU s rekuperatorom osigurava dovoljnu izmjenu zraka čak i u kućama s hermetički zatvorenim prozorima. Pritom se zračni tokovi ravnomjerno raspoređuju, ne stvarajući propuh.

Složeni dovodno-odvodni uređaji monobloknog tipa opremljeni su:

• ventilatorima – 24-satna opskrba čistim zrakom i ispust struja zasićenih ugljičnim dioksidom;
• grijačima – predgrijavanje dovoda;
• filterima – zadržavaju prašinu i mikročestice;
• rekuperatorom – mogu se koristiti različiti tipovi uređaja.

Funkcionalnost nekih PVU proširena je timerom za odgodu rada, regulatorom snage, senzorima razine vlažnosti itd.

Kućište monoblok modela prekriveno je materijalom za apsorpciju buke, zbog čega rad ventilacijskog uređaja postaje vrlo tih. Moguće su vertikalne, horizontalne i viseće izvedbe ventilacijskih uređaja.

Dobro su se pokazali rekuperacijski monoblok uređaji proizvođača: Vents (Ukrajina), Dantherm (Danska), Daikin (Japan), Dantex (Engleska).

Lokalni uređaji – dodatak postojećem ventilacijskom sustavu

Za obnovu cirkulacije zračnih masa u prostoriji koja se koristi prikladni su decentralizirani dovodnici zraka s rekuperacijom topline.

Oni se ugrađuju u fasadu zgrade ili se montiraju kroz prozor. Njihov glavni zadatak – poboljšanje dovodne ventilacije u kući.

U lokalnim rekuperatorima predviđeni su ventilator i pločasti izmjenjivač topline. «Rukav» dovodnika zraka izoliran je materijalom za apsorpciju buke. Upravljačka jedinica kompaktnih ventilacijskih uređaja smještena je na unutarnjem zidu.

Značajke decentraliziranih ventilacijskih sustava s rekuperacijom:

• Učinkovitost – 60-96%;
• Niska produktivnost – uređaji su predviđeni za osiguranje izmjene zraka u prostorijama do 20-35 m²;
• Pristupačna cijena i širok izbor agregata, od običnih zidnih ventila do automatiziranih modela s višestupanjskim sustavom filtracije i mogućnošću regulacije vlažnosti;
• Jednostavnost montaže – za puštanje u rad nije potrebno polaganje zračnih kanala, ugraditi zidni ventil može se samostalno.

Popularni proizvođači lokalnih rekuperatora: Prana (Ukrajina), O.Erre (Italija), Blizzard (Njemačka), Vents (Ukrajina), Aerovital (Njemačka).

Važni kriteriji odabira zidnog dovodnika zraka: dopuštena debljina zida, produktivnost, učinkovitost rekuperatora, promjer zračnog kanala i temperatura medija koji se prenosi.

Zaključci i koristan video na temu

Usporedba rada prirodne ventilacije i prisilnog sustava s rekuperacijom:

Princip funkcioniranja centraliziranog rekuperatora, izračun učinkovitosti:

Uređaj i redoslijed rada decentraliziranog izmjenjivača topline na primjeru zidnog ventila Prana:

Kroz ventilacijski sustav iz prostorije odlazi oko 25-35% topline. Za smanjenje gubitaka i učinkovito iskorištavanje topline koriste se rekuperatori. Klimatska oprema omogućuje korištenje energije iskorištenih masa za zagrijavanje ulaznog zraka.

Imate li što dodati ili pitanja o radu različitih ventilacijskih rekuperatora? Molimo ostavite komentare na objavu i podijelite iskustva s radom takvih uređaja. Obrazac za kontakt nalazi se u donjem bloku.