Wymiennik entalpiczny - czym jest i jak działa?

Wymiennik entalpiczny

Co to jest rekuperator entalpiczny?
 

Rekuperatorem entalpicznym przyjęło się nazywać w naszym kraju specyficznego rodzaju konstrukcje, pozwalające na jednoczesny odzysk ciepła i wilgoci z wywiewanego powietrza. Podstawową różnicą między wymiennikiem entalpicznym a standardowym jest użycie selektywnej, paroprzepuszczalnej membrany celulozowej w miejsce stosowanych standardowo metalowych lameli. Aby w pełni zrozumieć zasadę działania urządzenia warto przypomnieć czym jest entalpia.

Jak działa wymiennik entalpiczny?
 

W rekuperatorze z przeciwprądowym wymiennikiem entalpicznym HRE-ERGO ciepło przekazywane jest bezpośrednio, wraz z cząsteczkami pary wodnej. Przenikają one do powietrza nawiewanego przez specjalną, porowatą celulozę z której wykonany jest wymiennik. Jako że nie następuje wykraplanie się wody, nie ma ryzyka oszronienia powierzchni rekuperatora, gwarantując nieprzerwaną wentylację i niższe zużycie energii przez centralę.

 

Efektywność odzysku temperatury (oparta na pomiarze temperatury) w rekuperatorze podwieszanym HRU-ERGO wartość do 85%, jest więc niższa niż efektywność analogicznego, tradycyjnego wymiennika przeciwprądowego. Dzieje się tak, gdyż nie następuje podwyższenie temperatury powietrza nawiewanego kosztem wykraplającej się wody.

Jednak przenikająca nawiewanego powietrza para wodna o temperaturze pokojowej posiada pewną energię, której uwzględnienie powoduje uzyskanie całkowitej efektywności przekraczającej 100%. Mimo iż taka wartość wydaje się niemożliwa do osiągniecia, warto zauważyć że podobne obliczenia wykonuje się dla pieców CO wykorzystujących zjawisko kondensacji, a wartość sprawności powyżej jedności wynika z wykorzystania tego normalnie niestosowanego w typowych rozwiązaniach efektu.

Wymiennik entalpiczny

Fizyka transferu wilgoci przez entalpiczną membranę polimerową (foto. CORE

Warto uświadomić sobie, że powietrze o temperaturze nawet 15 stopni i wilgotności 60% ma wyższą zawartość ciepła niż suche powietrze ogrzane do temperatury 19 oC i 30% wilgotności (parametry możliwe do uzyskania w tradycyjnej rekuperacji), co jest związane oczywiście z różną ilością ogrzanej pary wodnej w nich zawartej. Wydawało by się, że bardziej zależy nam na osiągnieciu odpowiedniej temperatury wewnątrz pomieszczenia, gdyż to ją bezpośrednio odczuwamy, niż wysokiej wartość dość abstrakcyjnego parametru jak entalpia.  

Jest to oczywiście prawdą, iż dla naszego komfortu kluczowe są temperatura i wilgotność powietrza, jednak to tak naprawdę ciepło (wyrażone jako entalpia) jest tym co tracimy przez ściany i okna budynku, a skuteczny odzysk tej energii pozwala ograniczyć koszt ogrzewania budynku. Paradoksalnie więc, łatwiej i taniej utrzymać w ogrzewanym mieszkaniu stałą temperaturę nawiewając chłodniejsze, wilgotne powietrze działające jak swego rodzaju bufor cieplny, niż suche i przegrzane. 

Wymiennik entalpiczny celulozowyWykorzystany do budowy wymiennika HRE-ERGO materiał posiada specjalną strukturę. Odległość między włóknami celulozy odpowiada wielkości cząsteczki wilgoci, co pozwala to na separację większych cząsteczek, oraz swobodny przepływ pary wodnej. Selektywność materiału oraz zastosowane filtry powietrza pozwalają skutecznie ograniczyć zanieczyszczenia oraz nieprzyjemne zapachy które mogą przedostać się do pomieszczeń.

Jest to wyjątkowo ważne w zapewnieniu komfortu i higieny użytkowania systemu wentylacji. Bardzo istotnym faktem jest, że materiał z którego wykonany jest wymiennik został pokryty specjalną powłoką antybakteryjną, która ma silną zdolność do zabijania różnego typu bakterii oraz zapobieganiu rozrostowi grzybów w jednostce. Powłoka jest również odporna na ścieranie.


 

Co to jest entalpia?
 

Określa ona potencjał termodynamiczny gazu, co w największy uproszczeniu jest miarą energii niesionej przez czynnik przy danych parametrach, czyli tak zwaną zawartość ciepła.  W przypadku powietrza,  które jest mieszaniną gazów niekondensujących (suchych) i pary wodnej stosuje się wielkość zwaną entalpią powietrza wilgotnego o zawartości wilgoci x [kg/kg]. Definiuje się ją jako sumę entalpii 1 kg powietrza suchego i x kg pary wodnej. 

 Wzór entalpii

gdzie:
I – entalpia powietrza wilgotnego
ip – entalpia powietrza suchego [J/kg]
iw – entalpia pary wodnej [J/kg]
x – wilgotność bezwzględna powietrza [kg/kg]

Oznacza to, że ilość energii niesionej przez powietrze silnie zależy od zawartości pary wodnej  i związanej z nią energią (tzw. ciepło utajone). W wielu konstrukcjach wykorzystuje się ideę odzysku ciepła utajonego zawartego w wywiewanym powietrzu. Tradycyjne rozwiązania opierają się na wykropleniu wody na ściankach wymiennika, co podwyższa sprawność wymiennika, ale rodzi konieczności odprowadzenia skroplin oraz znacząco wysusza powietrze dostające się do budynku.
 


Czy rekuperacja osusza powietrze?

Standardowe ogrzewanie powietrza zawsze powoduje jego osuszenie, niezależnie od rodzaju zastosowanej wentylacji. Jego wilgotność względna znacznie spada, a efekty tego zjawiska są szczególnie odczuwalne zimą. Nawiewanie stosunkowo ciepłego i suchego powietrza prowadzi do nieprzyjemnego wysychania błon śluzowych, znacznie obniżając komfort przebywających wewnątrz osób. Konieczne jest wtedy stosowanie dodatkowych nawilżaczy, które oprócz generowania kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, obniżają temperaturę nawiewu w skutek rozpylenia wody w powietrzu. Ogranicza to korzyści wynikające z rekuperacji i odzysku temperatury w standardowej jednostce.


Rekuperatory z odzyskiem ciepła i wilgoci

W rekuperatorze HRU-ERGO z wymiennikiem entalpicznym powietrze zostaje nawilżone parą wodną zawierającą energię cieplną z pomieszczeń, a więc o temperaturze wyższej niż temperatura powietrza nawiewanego. Powstaje jednak pytanie - co w sytuacji kiedy chcemy obniżyć wilgotność na przykład w kuchni, czy łazience a nie ją zwiększać? Warto pamiętać że powietrze przesycone parą wodną jest nieprzerwanie usuwane z wentylowanego pomieszczenia.

Ze względu na mechanizm przekazywania wilgoci wewnątrz struktury wymiennika, do budynku nawiewane jest powietrze o mniejszej zawartości wilgoci niż powietrze wyciągowe. W ogólnym bilansie energetycznym, a przede wszystkim w odczuwaniu komfortu klimatycznego wymiennik entalpiczny góruje nad wymiennikiem o standardowej budowie. Nie występuje również ryzyko zagrzybienia kanałów wentylacyjnych, istniejące w przypadku nawilżaczy kanałowych. 

Każda z central rekuperacyjnych HRU-ERGO posiada 10 biegów, pozwalające dostosować wydatek powietrza wentylacyjnego do kubatury pomieszczeń  i aktualnych potrzeb. Dzięki automatycznie aktywowanej funkcji By-Pass możliwe jest przesyłanie powietrza z pominięciem wymiennika, w okresach w których różnice temperatury zewnętrznej i wewnętrznej są niewielkie. Rekuperatory działa wtedy jak zwykła nawiewno-wywiewna centrala wentylacyjna.


Zalety rekuperatora z odzyskiem ciepła i wilgoci

•    bardzo wysoka sprawność odzysku ciepła, co przekłada się na duże oszczędności energii
•    wewnętrzny odzysk wilgoci, a więc poprawienie komfortu klimatycznego i warunków zdrowotnych wewnątrz budynku, bez stosowania dodatkowego nawilżacza
•    brak szronienia, a więc ponownie wyższa średnioroczna sprawność rekuperatora i niezakłócona wentylacja
•    łatwe sterowanie


Wymiennik entalpiczny - wady

Wymienniki entalpiczne są często stosowane w systemach rekuperacji, gdzie poza odzyskiem ciepła zależy nam również na odzysku wilgoci. Chociaż mają wiele zalet, istnieją również pewne wady związane z ich zastosowaniem. Poniżej kilka przykładów:

•    wymienniki entalpiczne są zazwyczaj droższe w zakupie niż tradycyjne wymienniki ciepła. Wyższe koszty początkowe mogą być czynnikiem ograniczającym ich powszechne zastosowanie.
•    wymienniki entalpiczne mogą być bardziej podatne na problemy związane z zanieczyszczeniem, takimi jak osady lub kurz. To może wpływać na ich wydajność i wymagać regularnego utrzymania czystości.
•    mają ograniczony zakres temperatury, w którym efektywnie działają. W niektórych warunkach, zwłaszcza w ekstremalnie niskich temperaturach, mogą występować problemy z ich funkcjonowaniem.
•    w przypadku niektórych konstrukcji wymienników entalpicznych może wystąpić pewne przenikanie zapachów z jednego strumienia powietrza do drugiego, co może być efektem niepożądanym.
•    mniejsza kontrola nad poziomem wilgotności niż w przypadku zwykłego wymiennika.

Mimo tych potencjalnych wad, wymienniki entalpiczne mają wiele zalet, takich jak poprawa efektywności energetycznej, redukcja kosztów ogrzewania i chłodzenia oraz poprawa jakości powietrza wewnętrznego. Ostateczny wybór technologii wymiennika zależy od indywidualnych potrzeb, warunków klimatycznych i preferencji użytkownika.

 
REKUPERACJA
PROJEKTOWANIE
x
Alnor Systemy Wentylacji
Aleja Krakowska 10
05-552 Wola Mrokowska
Polska

tel. +48 22 737 40 00