Dovodno-ispušna ventilacija s rekuperacijom topline: princip rada, pregled prednosti i nedostataka

Dolazak svježeg zraka u hladnom razdoblju dovoidi do potrebe za njegovim zagrijavanjem radi osiguravanja ispravne mikroklime prostorija. Kako bi se minimalizirali troškovi električne energije, može se koristiti dovodno-odsisna ventilacija s povratom topline.

Razimijevanje načela njezina rada omogućit će maksimalno učinkovito smanjenje gubitaka topline uz očuvanje dovoljne količine zamjenskog zraka. Pokušajmo razjasniti ovo pitanje.

Ušteda energije u ventilacijskim sustavima

U jesensko-proljetnom razdoblju ozbiljan je problem pri ventilaciji prostorija velika temperaturna razlika između dolaznog i unutarnjeg zraka. Hladni zrak se spušta prema dolje i stvara nepovoljnu mikroklimu u stambenim zgradama, uredima i proizvodnim pogonima ili nedopustiv vertikalni temperaturni gradijent u skladištu.

Uobičajeno rješenje problema je integracija kalorifera u dovodu ventilaciju, pomoću kojega se zagrijava struja zraka. Takav sustav zahtijeva potrošnju električne energije, dok značajna količina toplog zraka koji izlazi van dovodi do znatnih gubitaka topline.

Izaz zraka van s intenzivnom parom služi kao pokazatelj znatnih gubitaka topline, koje se može iskoristiti za zagrijavanje ulazne struje.

Ako su kanali za dovod i odvod zraka smješteni blizu, moguće je djeliomično prenijeti toplinu izlaznog toka ulaznom. To će omogućiti smanjenje potrošnje električne energije kalorifera ili potpuno odricanje od njega. Uređaj za osiguranje izmjene topline između raznotemperaturnih tokova plinova naziva se rekuperator.

U toplom godišnjem dobu, kada temperatura vanjskog zraka značajno prelazi sobnu, može se koristiti rekuperator za hlađenje ulaznog toka.

Uređaj bloka s rekuperatorom

Unutarnje ustrojstvo sustava dovodno-odsisne ventilacije s integrianim rekuperatorom dovoljno je jednostavno, stoga je moguća njihova samostalna kupnja i ugradnja po elementima. U slučaju da sastavljanje ili samostalna montaža izaziva poteškoće, mogu se nabaviti gotova rješenja u obliku tipičnih monobloknih ili individualnih sastavnih konstrukcija po narudžbi.

Tipična shema uređaja dovodno-odvodnog ventilacijskog sustava s rekuperatorom smještenim u jedinstvenom kućištu može se dopuniti drugim komponentama prema odluci korisnika

Osnovni elementi i njihov parametri

Kućište s toplinskom i zvučnom izolacijom izrađuje se u pravilu od čeličnog lima. U slučaju zidne montaže, ono mora izdržati pritisak koji nastaje prilikom pjenjenja pukotina oko bloka, kao i spriječiti vibracije od rada ventilatora.

U slučaju raspodijeljenog usisa i dovoda zraka u različite prostorije, na kućište se priključuje sustav zračnih kanala. On se oprema ventilima i zaklopkama za raspodjelu tokova.

U nedostatku zračnih kanala, na dovodni otvor sa strane prostorije postavlja se rešetka ili difuzor za raspodjelu strujanja zraka. Na dovodni otvor sa strane ulice montira se vanjska usisna rešetka kako bi se spriječio ulazak ptica, velikih kukaca i nečistoća u ventilacijski sustav.

Kretanje zraka osiguravaju dva ventilatora aksijalnog ili centrifugalnog tipa. U prisutnosti rekuperatora, prirodna cirkulacija zraka u dovoljnom obujmu nije moguća zbog aerodinamičkog otpora koji stvara taj element.

Prisutnost rekuperatora zahtijeva ugradnju filtara fine filtracije na ulazu obaju tokova. To je potrebno za smanjenje intenziteta začepljenja prašinom i masnim naslagama tankih kanala izmjenjivača topline. U protivnom, za potpuno funkcioniranje sustava morat će se povećati učestalost provođenja preventivnih radova.

Filtre fine filtracije potrebno je povremeno mijenjati ili čistiti. U protivnom, povećani otpor strujanju zraka postat će uzrok kvara ventilatora.

Jedan ili više rekuperatora zauzimaju glavni obujam dovodno-odvodnog uređaja. Montiraju se u središte konstrukcije.

U slučaju jakih mrazeva tipičnih za područje i nedovoljne učinkovitosti rekuperatora za zagrijavanje vanjskog zraka, može se dodatno ugraditi kalorifer. Također, po potrebi se montiraju ovlaživač, ionizator i drugi uređaji za stvaranje povoljne mikroklime u prostoriji.

Suvremeni modeli predviđaju prisutnost elektroničke upravljačke jedinice. Složenije modifikacije imaju funkcije programiranja načina rada ovisno o fizičkim parametrima zračnog okruženja. Vanjske ploče imaju privlačan izgled, zahvaljujući čemu se mogu dobro uklopiti u svaki interijer prostorije.

Rješenje problema nastanka kondenzata

Hlađenje zraka koji dolazi iz prostorije stvara uvjete za oslobađanje vlage i stvaranje kondenzata. U slučaju velike brzine protoka, veći dio ne stigne se nakupiti u rekuperatoru i izlazi van. Pri sporom kretanju zraka značajan dio vode ostaje unutar uređaja. Stoga je potrebno osigurati prikupljanje vlage i njezino odvođenje izvan kućišta dovodno-ispušnog sustava.

Osnovni uređaj za prikupljanje i odvod kondenzata je posuda smještena ispod rekuperatora s nagibom prema odvodnom otvoru

Vlaga se odvodi u zatvoreni spremnik. Smješta se isključivo unutar prostorije kako bi se izbjeglo smrzavanje odvodnih kanala pri negativnim temperaturama. Ne postoji pouzdan algoritam za izračun količine dobivene vode pri korištenju sustava s rekuperatorom, stoga se određuje eksperimentalno.

Ponovna upotreba kondenzata za ovlaživanje zraka nije poželjna jer voda upija mnoge zagađivače, poput ljudskog znoja, mirisa itd.

Značajno smanjiti količinu kondenzata i izbjeći probleme povezane s njegovim nastankom moguće je organiziranjem zasebnog ispušnog sustava za kupaonicu i kuhinju. Upravo u tim prostorijama zrak ima najveću vlažnost. U slučaju više ispušnih sustava, izmjenu zraka između tehničke i stambene zone potrebno je ograničiti ugradnjom nepovratnih ventila.

U slučaju hlađenja izlaznog toka zraka na negativne temperature unutar rekuperatora, kondenzat prelazi u led, što uzrokuje smanjenje slobodnog presjeka toka i, kao posljedicu, smanjenje volumena ili potpuni prestanak ventilacije.

Za periodično ili jednokratno odmrzavanje rekuperatora ugrađuje se bypass – obilazni kanal za kretanje dovodnog zraka. Pri propuštanju toka u obilazak uređaja dolazi do prekida prijenosa topline, zagrijavanja izmjenjivača topline i prijelaza leda u tekuće stanje. Voda otječe u spremnik za prikupljanje kondenzata ili isparava van.

Princip izvedbe bypassa nije složen, stoga je pri riziku od stvaranja leda svrsishodno predvidjeti takvo rješenje, jer je odmrzavanje rekuperatora drugim načinima složeno i dugotrajno.

Pri prolasku toka kroz bypass nema zagrijavanja dovodnog zraka putem rekuperatora. Stoga je pri aktivaciji ovog načina rada potrebno automatsko uključivanje kalorifera.

Značajke različitih vrsta rekuperatora

Postoji nekoliko konstrukcijski različitih inačica izvedbe izmjene topline između hladne i zagrijane struje zraka. Svaka od njih ima svoje posebne značajke koje određuju osnovnu namjenu za svaki tip rekuperatora.

Pločasti unakrsnostrujni rekuperator

U osnovi konstrukcije pločastog rekuperatora su tankostijene ploče, spojene naizmjenično na način da se izmjenjuje prolaz struja različitih temperatura između njih pod kutom od 90 stupnjeva. Jedna od modifikacija takvog modela je uređaj s rebrastim kanalima za prolaz zraka. On ima viši koeficijent izmjene topline.

Naizmjenični prolaz tople i hladne struje zraka kroz ploče ostvaruje se savijanjem rubova ploča i brtvljenjem spojeva poliesterskom smolom

Ploče za izmjenu topline mogu biti izrađene od različitog materijala:

• bakar, mjed i legure na bazi aluminija imaju dobru toplinsku vodljivost i nisu podložni hrđi;
• plastika od polimernog hidrofobnog materijala s visokim koeficijentom toplinske vodljivosti ima malu težinu;
• higroskopna celuloza omogućuje kondenzatu da prodre kroz ploču i vrati se natrag u prostoriju.

Nedostatak je mogućnost stvaranja kondenzata pri niskim temperaturama. Zbog malog razmaka između ploča vlaga ili inje znatno povećavaju aerodinamički otpor. U slučaju zaleđivanja potrebno je zatvoriti ulaznu struju zraka radi odmrzavanja ploča.

Prednosti pločastih rekuperatora su sljedeće:

• niska cijena;
• dugi vijek trajanja;
• dugo razdoblje između preventivnog održavanja i jednostavnost njegovog provođenja;
• male dimenzije i mala težina.

Takav tip rekuperatora najčešći je za stambene i uredske prostore. Također se koristi i u nekim tehnološkim procesima, na primjer za optimizaciju izgaranja goriva pri radu peći.

Bubnjasti ili rotorski tip

Princip djelovanja rotacijskog rekuperatora temelji se na rotaciji izmjenjivača topline, unutar kojeg su smješteni slojevi rebrastog metala visokog toplinskog kapaciteta. Kao rezultat interakcije s izlaznom strujom zagrijava se sektor bubnja, koji zatim predaje toplinu ulaznom zraku.

Sitnoćelijski izmjenjivač topline rotacijskog rekuperatora sklon je začepljenju, stoga treba posebno paziti na kvalitetan rad filtara fine filtracije.

Prednosti rotacijskih rekuperatora su sljedeće:

• prilično visok stupanj djelovanja (KPD) u usporedbi s konkurentnim tipovima;
• povrat velike količine vlage, koja u obliku kondenzata ostaje na bubnju i isparava pri kontaktu s ulaznim suhim zrakom.

Ovaj tip rekuperatora rjeđe se koristi za stambene zgrade za ventilaciju po stanovima ili po kućama. Često se primjenjuje u velikim kotlovnicama za povrat topline u peći ili za velike prostore industrijske ili trgovačko-zabavne namjene.

Međutim, ova vrsta uređaja ima značajne nedostatke:

• relativno složena konstrukcija s pokretnim dijelovima, uključujući elektromotor, bubanj i remenski pogon, što zahtijeva stalno održavanje;
• povišena razina buke.

Ponekad se za uređaje ovog tipa može pronaći izraz “regenerativni izmjenjivač topline”, što je ispravnije od “rekuperator”. Naime, mali dio izlaznog zraka vraća se natrag zbog nepotpunog prianjanja bubnja uz kućište konstrukcije.

To nameće dodatna ograničenja na mogućnost korištenja uređaja takve vrste. Na primjer, kao toplinski medij ne može se koristiti onečišćeni zrak iz peći za grijanje.

Sustav na temelju cijevi i plašta

Cijevni rekuperator sastoji se od sustava tankih cijevi malog promjera smještenih u izoliranom kućištu, kroz koje se odvija dotok vanjskog zraka. Kroz kućište se izvodi odvod tople zračne mase iz prostorije, koja grije ulazni tok.

Odvod toplog zraka potrebno je izvoditi kroz kućište, a ne kroz sustav cijevi, jer je iz njih nemoguće ukloniti kondenzat

Glavne prednosti cijevnih rekuperatora su sljedeće:

• visoka učinkovitost, zahvaljujući protustrujnom principu kretanja toplinskog medija i ulaznog zraka;
• jednostavnost konstrukcije i odsutnost pokretnih dijelova osigurava nisku razinu buke i rijetku potrebu za održavanjem;
• dugi vijek trajanja;
• najmanji presjek među svim vrstama uređaja za rekuperaciju.

Cijevi za uređaj takvog tipa izrađuju se od lakih metalnih legura ili, rjeđe, od polimera. Ovi materijali nisu higroskopni, stoga pri značajnoj razlici temperatura tokova može doći do stvaranja intenzivnog kondenzata u kućištu, što zahtijeva konstrukcijsko rješenje za njegovo uklanjanje. Još jedan nedostatak je da metalno punjenje ima značajnu težinu, unatoč malim dimenzijama.

Jednostavnost konstrukcije cijevnog rekuperatora čini ovaj tip uređaja popularnim za samostalnu izradu. Kao vanjsko kućište obično se koriste plastične cijevi za zračne kanale, izolirane poliuretanskom pjenom.

Uređaj s međumedijem za prijenos topline

Ponekad se dovodni i odvodni zračni kanali nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugog. Do takve situacije može doći zbog tehnoloških karakteristika zgrade ili sanitarnih zahtjeva za pouzdanim odvajanjem zračnih tokova.

U ovom slučaju koristi se posredni toplinski medij koji cirkulira između zračnih kanala kroz izolirani cjevovod. Kao medij za prijenos toplinske energije koristi se voda ili vodeno-glikolna otopina, čiju cirkulaciju osigurava rad toplinske crpke.

Rekuperator s posrednim toplinskim medijem predstavlja veliki i skupi uređaj, čija je uporaba ekonomski opravdana za prostorije s velikim površinama.

U slučaju da postoji mogućnost korištenja drugog tipa rekuperatora, bolje je ne primjenjivati sustav s posrednim toplinskim medijem, jer ima sljedeće značajne nedostatke:

• nizak stupanj korisnog djelovanja (KPD) u usporedbi s drugim vrstama uređaja, stoga se za male prostorije s malim protokom zraka takvi uređaji ne upotrebljavaju;
• značajan volumen i težina cijelog sustava;
• potreba za dodatnom električnom crpkom za cirkulaciju tekućine;
• povišena buka od rada crpke.

Postoji modifikacija ovog sustava, kada se umjesto prisilne cirkulacije tekućine za izmjenu topline koristi medij s niskom točkom vrenja, na primjer freon. U tom slučaju kretanje po krugu moguće je na prirodan način, ali samo ako je dovodni zračni kanal smješten iznad odvodnog.

Takav sustav ne zahtijeva dodatne troškove električne energije, ali radi na grijanje samo pri značajnoj temperaturnoj razlici. Osim toga, potrebno je precizno podešavanje točke promjene agregatnog stanja tekućine za izmjenu topline, koje se može ostvariti metodom stvaranja potrebnog tlaka ili određenog kemijskog sastava.

Osnovni tehnički parametri

Poznavajući potrebnu učinkovitost ventilacijskog sustava i stupanj korisnog djelovanja (KPD) izmjene topline rekuperatora, lako je izračunati uštedu na grijanju zraka za prostoriju pri konkretnim klimatskim uvjetima. Uspoređujući potencijalnu korist s troškovima nabave i održavanja sustava, može se opravdano odlučiti u korist rekuperatora ili standardnog kalorifera.

Često proizvođači opreme nude modelnu liniju u kojoj se ventilacijski blokovi slične funkcionalnosti razlikuju po volumenu izmjene zraka. Za stambene prostorije ovaj parametar potrebno je izračunati prema tablici 9.1. SP 54.13330.2016

Koeficijent korisnog djelovanja (KKD)

Pod stupnjem korisnog djelovanja (učinkovitošću) rekuperatora podrazumijeva se učinkovitost prijenosa topline, koja se izračunava prema sljedećoj formuli:

K = (T_p – T_n) / (T_v – T_n)

Gdje je:

• T_p – temperatura ulaznog zraka u prostoriju;
• T_n – temperatura vanjskog zraka;
• T_v – temperatura zraka u prostoriji.

Maksimalna vrijednost učinkovitosti pri uobičajenoj brzini strujanja zraka i određenom temperaturnom režimu navodi se u tehničkoj dokumentaciji uređaja. Stvarna vrijednost bit će nešto manja.

U slučaju samostalne izrade pločastog ili cijevnog rekuperatora za postizanje maksimalne učinkovitosti prijenosa topline potrebno je pridržavati se sljedećih pravila:

• Najbolju izmjenu topline osiguravaju protustrujni uređaji, zatim križnostrujni, a najmanju – s jednosmjernim kretanjem obaju tokova.
• Intenzitet izmjene topline ovisi o materijalu i debljini stijenki koje razdvajaju tokove, kao i o trajanju boravka zraka unutar uređaja.

Poznavajući učinkovitost rekuperatora može se izračunati njegova energetska učinkovitost pri različitim temperaturama vanjskog i unutarnjeg zraka:

E (W) = 0,36 x P x K x (T_v – T_n)

gdje je P (m³/h) – protok zraka.

Izračun učinkovitosti rekuperatora u novčanom ekvivalentu i usporedba s troškovima njegove nabave i montaže za dvokatnicu ukupne površine 270 m² pokazuje opravdanost ugradnje takvog sustava.

Cijena rekuperatora s visokom učinkovitošću prilično je visoka, imaju složenu konstrukciju i značajne dimenzije. Ponekad se ti problemi mogu zaobići ugradnjom nekoliko jednostavnijih uređaja na način da ulazni zrak prolazi kroz njih uzastopno.

Kapacitet ventilacijskog sustava

Volumen propuštenog zraka određuje se statičkim tlakom, koji ovisi o snazi ventilatora i glavnim komponentama koje stvaraju aerodinamički otpor. U pravilu, točan izračun nije moguć zbog složenosti matematičkog modela, stoga se za tipične monoblok konstrukcije provode eksperimentalna ispitivanja, a za pojedinačne uređaje vrši se odabir komponenti.

Snagu ventilatora potrebno je odabrati uzimajući u obzir propusnu sposobnost ugrađenih rekuperatora bilo koje vrste, koja je u tehničkoj dokumentaciji navedena kao preporučena brzina strujanja ili volumen zraka koji uređaj propušta u jedinici vremena. U pravilu, dopuštena brzina zraka unutar uređaja ne prelazi vrijednost od 2 m/s.

U suprotnom, pri visokim brzinama u uskim elementima rekuperatora dolazi do naglog porasta aerodinamičkog otpora. To dovodi do nepotrebnih troškova električne energije, neučinkovitog zagrijavanja vanjskog zraka i skraćenja vijeka trajanja ventilatora.

Grafikon ovisnosti gubitka tlaka o brzini strujanja zraka za nekoliko modela visokoučinkovitih rekuperatora prikazuje nelinearni rast otpora, stoga se treba pridržavati zahtjeva za preporučeni volumen izmjene zraka navedenih u tehničkoj dokumentaciji uređaja.

Promjena smjera strujanja zraka stvara dodatni aerodinamički otpor. Stoga je pri modeliranju geometrije zračnog kanala unutar prostorije poželjno minimizirati broj zavoja cijevi od 90 stupnjeva. Difuzori za raspršivanje zraka također povećavaju otpor, stoga je poželjno ne koristiti elemente sa složenim uzorkom.

Prljavi filtri i rešetke stvaraju značajne smetnje kretanju strujanja, stoga ih je potrebno povremeno čistiti ili mijenjati. Jedan od učinkovitih načina procjene začepljenosti je ugradnja senzora koji prate razliku tlaka na dionicama prije i poslije filtera.

Zaključci i koristan video na temu

Princip rada rotacijskog i pločastog rekuperatora:

Mjerenje stupnja djelovanja pločastog rekuperatora:

Kućanski i industrijski ventilacijski sustavi s integriranim rekuperatorom dokazali su svoju energetsku učinkovitost u očuvanju topline unutar prostorija. Danas postoji mnogo ponuda za prodaju i ugradnju takvih uređaja, kako u obliku gotovih i isprobanih modela, tako i po narudžbi. Izračun potrebnih parametara i montažu moguće je izvesti samostalno.

Ako ste prilikom upoznavanja s informacijama imali pitanja ili ste pronašli netočnosti u našem materijalu, molimo vas da svoje komentare ostavite u bloku ispod.