Automatyka: elektronika w wentylacji i rekuperacji cz.1 - rodzaje wymienników i jak działają?

Jak działa wentylacja grawitacyjna? - wady rozwiązania

Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie odpowiedniej instalacji wentylacyjnej. Najczęściej stosuje się wentylację grawitacyjną, wykorzystującą naturalny ciąg powietrza. Świeże powietrze dostaje się do pomieszczenia przez nawiewniki, a częściej przez drobne nieszczelności w drzwiach i oknach. Funkcję kanału wywiewnego pełni dodatkowy przewód kominowy. Różnica gęstości powietrza ciepłego w domu i chłodniejszego ponad nim powoduje powstanie ciągu kominowego, a różnica ciśnień pozwala na powolną wymianę powietrza w domu. Gdy nie ma różnicy temperatur powietrza wewnątrz i na zewnątrz, nie ma ruchu powietrza, więc wentylacja nie działa, co jest szczególnie uciążliwe latem.

Poważnym problemem jest również ekonomiczność tego typu rozwiązania.

Powietrze to także nośnik ciepła. W związku z tym w okresie zimowym wentylacja grawitacyjna powoduje wychłodzenie pomieszczeń, a w okresie letnim (jeśli działa) – dodatkowe ich nagrzanie. Z ekonomicznego punktu widzenia obie sytuacje nie są pożądane. Szacuje się, że wentylacja grawitacyjna odpowiada za 30–40% strat cieplnych w budynkach. Szacowane straty w budynkach energooszczędnych przedstawiono na rysunku 1.

Rys.1 Szacowane straty w budynkach energooszczędnych

Wentylacja grawitacyjna - trendy architektoniczne

Kolejne problemy związane z wentylacją grawitacyjną pojawiły się stosunkowo niedawno: wskutek zmiany trendów architektonicznych budowane domy są coraz niższe, a zdecydowanie bardziej rozłożyste. Zmniejsza to różnicę ciśnień między wlotem a wylotem kanału wywiewnego, wydatnie osłabiając skuteczność wentylacji. Trend energooszczędności wymusił również stosowanie skutecznej izolacji termicznej budynku, zmniejszając przy tym liczbę naturalnych kanałów, przez które może być dostarczone do pomieszczeń świeże powietrze.

Następnym problemem wentylacji grawitacyjnej jest brak regulacji przepływu powietrza.

Co prawda możliwe jest zastosowanie okapów z wentylatorami, otwarcie bądź uchylenie okien, jednak tego typu rozwiązania są nieekonomiczne oraz nie gwarantują komfortu w pomieszczeniu (otwarcie okien w zimie spowoduje wychłodzenie pomieszczenia, a w lecie doprowadzone powietrze wcale nie musi być chłodniejsze od powietrza wywiewanego). Wraz z uwidacznianiem się niedoskonałości wentylacji grawitacyjnej pojawiały się metody redukcji bądź eliminacji wyżej opisanych problemów.

Pierwszą było zastosowanie obiegów wymuszonych. Zasada działania wentylacji z obiegami wymuszonymi jest identyczna jak wentylacji grawitacyjnej, wprowadzone zostały jedynie urządzenia powodujące zwiększenie ciągu: wentylatory, okapy, wiatraki nakominowe oraz centrale nawiewne bądź nawiewno-wywiewne – rysunek 2. Wspomniane rozwiązania pozwalają sterować ciągiem powietrza, jednak nie eliminują problemów związanych z ekonomią, stratami ciepła. Ciepło nagromadzone w pomieszczeniu jest usuwane wraz z powietrzem wywiewanym, czyli jest bezpowrotnie tracone.

Rys.2 Schemat wspomagania wentylacji grawitacyjnej

Rekuperacja - co to jest?

Układ, który pozwala odzyskiwać ciepło w instalacji wentylacyjnej, nazywa się rekuperatorem (łac. recuperatio – odzysk). Instalację rekuperacyjną można podzielić na dwie części. Pierwszą z nich jest centrala rekuperacyjna, drugą – zazwyczaj niesterowalny „standardowy” system wentylacyjny. Przykład instalacji wentylacyjnej z centralą rekuperacyjną przedstawiono na rysunku 3. Schemat działania rekuperacji wraz z zaleceniami montażowymi pokazano na rysunku 4.

Rys.3 Przykład instalacji wentylacyjnej z centralą rekuperacyjną

Najprostsza centrala rekuperacyjna

Najprostsza centrala rekuperacyjna składa się z: wymiennika ciepła pozwalającego na odzysk znacznej części energii zmagazynowanej w powietrzu wywiewanym, dwóch odseparowanych kanałów pozwalających na przepływ powietrza wraz z wentylatorami wymuszającymi przepływ, filtrów eliminujących przenikanie cząstek stałych oraz układu sterującego. Zadaniem wymiennika ciepła jest przekazanie części energii cieplnej powietrza wywiewanego powietrzu nawiewanemu.

Sterownik centrali odpowiada za realizowanie właściwych trybów pracy, wyposażony jest on w najprostszej konfiguracji wyłącznie w czujniki temperatury. Inne elementy, jak czujniki wilgotności, stężenia CO2, nagrzewnice, chłodnice, są układami opcjonalnymi, podnoszącymi komfort użytkowania rekuperatora. W zależności od tego, czy w układzie dochodzi do bezpośredniego mieszania się mas powietrza, możliwe jest wyróżnienie dwóch typów wymienników: płytowych i obrotowych.

Rys.4 Schemat działania rekuperacji wraz z zaleceniami montażowymi

W przypadku wymiennika płytowego kanały nawiewny i wywiewny przez cały czas eksploatacji pozostają od siebie odseparowane. Do wymiany ciepła dochodzi tylko na obszarze styku dwóch wyżej wymienionych kanałów. W zależności od sposobu zwiększania odzysku ciepła, wyróżnia się następujące typy wymienników płytowych: przeciwprądowe, krzyżowe i spiralne.

Rekuperacja - rodzaje wymienników

Istnieją także wymienniki, w których dochodzi do bezpośredniego mieszania się mas powietrza nawiewanego i wywiewanego, nazywanych od swojej konstrukcji wymiennikami obrotowymi. Układy tego typu zbudowane są z naprzemiennie nawiniętej wokół osi obrotu karbowanej i gładkiej folii aluminiowej tworzącej w ten sposób zwój kanalików. Powietrze wywiewane przepływa przez wymiennik. Jeśli temperatura wymiennika jest niższa niż powietrza wywiewanego, to część energii cieplnej zostanie przekazana wymiennikowi, jeśli nie – przepływ ciepła nastąpi w przeciwną stronę.

Następnie rotor jest obracany i do kanałów trafi a powietrze zewnętrzne. Jeśli temperatura wspomnianego powietrza jest niższa niż temperatura wymiennika, zostanie ono ogrzane, jeśli nie – schłodzone. Powietrze o zmienionej w ten sposób temperaturze trafi a następnie do kanału nawiewnego i stąd rozprowadzane jest po pomieszczeniach. Na rysunku 5 zilustrowana została zasada działania wymienników różnych typów.

Rys.5 Zasady działania wymienników różnych typów

Do najważniejszych zalet wymienników płytowych zaliczyć można brak elementów ruchomych wymagających mechanicznego sterowania, odporność na ciągi zwrotne powietrza oraz brak mieszania się powietrza między kanałami. Do wad można zaliczyć bardzo duże gabaryty. Wymienniki płytowe mają jeszcze inną bardzo ważną cechę, która w zależności od sytuacji może być ich zaletą bądź wadą; nie zapewniają wymiany wilgoci. Fakt ten będzie zdecydowanym problemem, gdy temperatura zewnętrzna spada poniżej zera stopni Celsjusza, gdyż może pośrednio doprowadzić do oszronienia wymiennika. Brak odzysku wilgoci może być jednak zjawiskiem pozytywnym, np. w przypadku stosowania ich w pomieszczeniach o dużej wilgotności.

Wymienniki obrotowe nie mają wad typowych dla wymienników płytowych, są zdecydowanie mniejsze, a bezpośrednie mieszanie się strumieni powietrza umożliwia odzysk wilgoci i wydatnie zmniejsza ryzyko zamarznięcia wymiennika. Z drugiej strony wymiennik obrotowy, by móc działać właściwie, potrzebuje silnika, który wymaga zasilania (co podnosi koszty użytkowania instalacji) oraz sygnałów sterujących prędkością obrotową (co wymaga bardziej zaawansowanych, droższych sterowników).

Centrala rekuperacyjna, nawet wyposażona w wymiennik o najwyższym poziomie odzysku ciepła, nie będzie spełniała właściwie swej funkcji, jeśli w kanałach przepływowych nie będzie istniał stały ciąg powietrza. Ciąg ten wymuszany jest przez wentylatory. W instalacjach rekuperacyjnych wentylatory mają regulację prędkości obrotowej. W starszych konstrukcjach stosowało się rozwiązania ze skokową regulacją prędkości obrotowej.

W nowszych konstrukcjach stosuje się układy z płynną regulacją prędkości obrotowej, zapewniające cichszą pracę rekuperacji. Wentylatory instalacji rekuperacyjnej są dobrane tak, by zadany ciąg uzyskiwać przy połowie maksymalnej wartości prędkości wentylatora. Umożliwia to między innymi kompensowanie zabrudzenia filtrów. Filtry umożliwiają częściowe zabezpieczenie wymiennika przed zabrudzeniem oraz zabezpieczają przed dostaniem się szkodliwych pyłów do pomieszczenia, co jest szczególnie ważne w dużych miastach. W zależności od stopnia zatrzymywania cząstek filtry mają różne klasy.

Regulacja pracy rekuperacji odbywa się dzięki czujnikom temperatury. W większości central można spotkać cztery czujniki temperatury, są to kolejno: czujnik temperatury nawiewu (montowany w kanale nawiewnym za wymiennikiem), czujnik wywiewu (montowany w kanale wywiewnym przed wymiennikiem), czujnik czerpni (czasem tożsamy z czujnikiem temperatury zewnętrznej, montowany w kanale nawiewnym przed wymiennikiem), czujnik wyrzutni (montowany w kanale wywiewnym za wymiennikiem).

W rozbudowanych układach wentylacyjnych można też spotkać dodatkowe czujniki: czujnik temperatury powietrza GWC, czyli gruntowego wymiennika ciepła, czujnik za wymiennikiem w kanale nawiewnym służący jako źródło sygnału dla algorytmów antyzamrożeniowych wymiennika bądź nagrzewnicy, czy czujnik pokojowy, wedle którego dobierane są algorytmy regulacyjne. Mimo że wymiennik gruntowy nie jest elementem niezbędnym do działania centrali rekuperacyjnej, jego zastosowanie pozwala w znaczący sposób obniżyć koszty działania całej instalacji.

Jak sama nazwa wskazuje, wykorzystuje on ciepło zawarte w gruncie. Pozwala na uzyskanie wstępnie schłodzonego bądź podgrzanego (w zależności od pory roku) powietrza. Należy pamiętać o tym, że pojemność cieplna GWC jest ograniczona i po pewnym czasie korzystania z niego konieczne może być zamknięcie przepustnic celem regeneracji wymiennika – ominięcie go. W wymiennikach płytowych stosuje się dodatkowe kanały umożliwiające poprowadzenie strumienia powietrza nawiewanego z pominięciem wymiennika, tzw. bypass (czyt. bajpas).

Przepustnica sterująca kanałem bajpasu otwierana jest zazwyczaj w dwóch przypadkach: gdy powietrze zewnętrzne ze względu na jego temperaturę można bezpośrednio wykorzystać do ogrzania/ochłodzenia pomieszczeń bądź gdy istnieje możliwość zamrożenia wymiennika. Następnym elementem centrali jest komora mieszająca. Umożliwia ona mieszanie powietrza wywiewanego z wchodzącym do pomieszczenia. Rozwiązanie to obniża skuteczność wentylacji, redukuje jednak koszty ogrzewania, stosuje się je np. do wstępnego podgrzania powietrza w pomieszczeniu.

Kolejnymi elementami rozszerzającym funkcjonalności centrali rekuperacyjnej są nagrzewnice. Przed wymiennikiem montowana jest nagrzewnica pierwotna, zabezpieczająca wymiennik przed zamarznięciem. Za wymiennikiem montowana jest nagrzewnica wtórna, służąca do zwiększenia komfortu cieplnego. Ze względu na sposób realizacji możliwe jest wyróżnienie kilku typów nagrzewnic: wodna, elektryczna i freonowa (będąca pompą ciepła, mogąca dodatkowo chłodzić). W przypadku pierwszej z nich „dostarczycielem” ciepła jest woda pochodząca z domowej instalacji grzewczej, w przypadku drugiej – grzałka elektryczna.

Niezależnie od typu nagrzewnice muszą być wyposażone w zabezpieczenia. W przypadku nagrzewnicy wodnej jest to zabezpieczenie uniemożliwiające jej zamrożenie przy niskich temperaturach powietrza wentylowanego. Zamarznięciu nagrzewnicy wodnej można zapobiec, stosując wodne roztwory glikolu i dodatkowy wymiennik płytowy. W przypadku nagrzewnic elektrycznych powinny być stosowane zabezpieczenia, uniemożliwiające jej przegrzanie. Nagrzewnice obniżają względną wilgotność powietrza, co może powodować obniżenie komfortu używania centrali rekuperacyjnej. Zdecydowanie najdroższą nagrzewnicą w eksploatacji jest nagrzewnica elektryczna.

Fot.6 Wnętrze przykładowej centrali rekuperacyjnej

Analizując układy rozszerzające funkcjonalności centrali rekuperacyjnej, nie sposób także nie wspomnieć o dodatkowych czujnikach parametrów powietrza. Dzięki układom tego typu możliwe jest szybkie reagowanie na zmieniający się w czasie rzeczywistym skład powietrza. W centralach rekuperacyjnych stosuje się następujące czujniki: czujniki wilgotności (montowane zazwyczaj w łazienkach), czujniki CO2 (montowane zwykle w salonie i/lub sypialniach), czujniki lotnych związków organicznych (montowane w kuchni) oraz czujniki podciśnienia pozwalające wykryć i skompensować zabrudzenie filtrów.

Zazwyczaj tylko część elementów składowych centrali umieszczanych jest bezpośrednio w obudowie co pozwala znormalizować ich wykonanie. Typowo w obudowie znajdują się podstawowe elementy systemu rekuperacyjnego: wymiennik ciepła, wentylatory, filtry oraz nagrzewnica pierwotna. Pozostałe elementy montuje się poza obudową odpowiednio wkomponowując je w system: przed centralą w kanale nawiewnym – przepustnicę GWC, za centralą w tym samym kanale – nagrzewnicę wtórną i chłodnicę. Wnętrze przykładowej centrali rekuperacyjnej przedstawiono na fotografii 6.

Ostatnim elementem składowym typowej centrali rekuperacyjnej jest sterownik, zapewniający właściwe operowanie wszystkimi elementami sterowalnymi centrali na podstawie odczytów z czujników. Zajmiemy się nim w kolejnym artykule.