Sprawność rekuperacji (odzysku ciepła) w wentylacji mechanicznej

Kilka dni temu na forum Muratora pojawiła się dyskusja odnośnie sprawności rekuperacji, czyli odzysku ciepła w wentylacji mechanicznej. Dzięki temu, że w centrali wentylacyjnej montujemy wymiennik ciepła, odzyskujemy sporą część energii niesionej przez powietrze wentylacyjne.

Jeśli mamy w domu wentylację grawitacyjną, przez nieszczelności w oknach lub nawiewniki wpuszczamy zimne powietrze, a ciepłe i wilgotne powietrze ucieka przez kanały wentylacyjne w łazience i kuchni. Aby zmniejszyć te straty ciepła, zmuszeni jesteśmy stosować wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła — bo ograniczenie intensywności wymiany powietrza jest przyczyną porastania ścian grzybem.

Sprawność rekuperatora

Rekuperator, czyli wymiennik ciepła montowany w centrali wentylacyjnej, pozwala odzyskać jedynie część ciepła uciekającego z ogrzanym, zużytym powietrzem. Producenci jednak bardzo chętnie podają jego sprawność, a często sięga ona ponad 90%. Z czego to wynika?

Najczęściej podawana jest temperaturowa sprawność rekuperatora, która jest pewnym uproszczeniem. Aby to wyjaśnić, posłużę się przykładem.

Weźmy pod uwagę wymiennik ciepła, który pobiera powietrze z zewnątrz o temperaturze 0°C, gdy z domu wyrzucamy powietrze o temperaturze 20°C. Po przejściu przez wymiennik, świeże powietrze ogrzewane jest do temperatury 18°C, a zużyte — schładzane do 2°C. Jaką sprawność ma ten rekuperator?

Temperaturowa sprawność odzysku ciepła odnoszona jest do takich warunków, w których całkowicie schłodzimy powietrze zużyte, odbierając od niego całość ciepła. Oznaczałoby to, że powietrze zużyte ma po wyjściu z wymiennika temperaturę 0°C. Tymczasem faktycznie odzyskujemy tyle ciepła, ile potrzeba do ogrzania świeżego powietrza do temperatury, jaką ma ono na wyjściu z rekuperatora. Czyli na naszym przykładzie:

sprawność = (ogrzanie powietrza świeżego) / (maksymalna ilość energii do odzyskania z powietrza wywiewanego)
η = (18 – 0) / (20 – 0) = 90%.

Ale to jest duże uproszczenie.

Wilgoć i wentylacja

Już kiedyś wyjaśniłem tu na blogu zagadnienia wilgoci, wilgotności i wentylacji, dlatego nie będę powtarzać całego tego wywodu (choć zapraszam do jego obejrzenia, jeśli coś opisane poniżej będzie niejasne).

W dużym skrócie:

• w domu mamy mnóstwo generatorów wilgoci, takich jak pranie, czajnik, kwiaty, czy wreszcie my sami,
• wilgoć usuwamy pod postacią pary wodnej za pomocą wentylacji,
• z zewnątrz nasze domy czerpią powietrze zimniejsze, o mniejszej zawartości wilgoci.

W rekuperatorze następuje odzysk ciepła również poprzez skraplanie pary wodnej znajdującej się w zużytym powietrzu. Niestety, w zwykłym rekuperatorze (pomijając tzw. wymienniki entalpiczne) nie mamy do czynienia z wymianą wilgoci i para wodna po skropleniu trafia do kanalizacji.

Rozszerzmy nasz przykład o dane dotyczące wilgotności pomieszczeń: powietrze w domu ma wilgotność 50%, a powietrze na zewnątrz — 80%. To oczywiście nie oznacza, że w powietrzu na zewnątrz mamy więcej pary wodnej, niż w powietrzu domowym. Te wilgotności to tzw. wilgotności względne, odnoszące się do maksymalnej ilości wilgoci, którą może przyjąć powietrze w danej temperaturze. A ta zmienia się wraz z temperaturą powietrza.

Czyli nasze powietrze w domu, mając wilgotność względną 50%, mieści w sobie ok. 8,7 g pary wodnej w 1 m³ powietrza. Tymczasem powietrze z zewnątrz ma wilgotność względną 80%, ale to oznacza tylko ok. 3,6 g pary wodnej w 1 m³ powietrza. Czyli z każdym 1 m³ powietrza wywiewanego z domu usuwamy z niego ok. 5,1 g wody (wilgoci).

Każdy gram pary wodnej to spora ilość energii (a kto nie wierzy, niech spróbuje odparować garnek wody). Entalpia (czyli ilość energii niesiona w strumieniu powietrza) powietrza wilgotnego, które usuwamy z domu wynosi 46,2 kJ/m³. Gdybyśmy schłodzili to powietrze do 0°C, mielibyśmy entalpię 11,3 kJ/m³. Oznacza to, że maksymalnie mamy do dyspozycji 34,9 kJ/m³ w strumieniu powietrza wywiewanego.

Wilgoć a odzysk ciepła i sprawność rekuperacji

Aby policzyć, ile energii uda nam się odzyskać, musimy jeszcze zobaczyć parametry świeżego powietrza podgrzanego w wymienniku (rekuperatorze). Ilość wilgoci w tym powietrzu (w gramach/m³) się nie zmieni, ale przy temperaturze 18°C da nam ona wilgotność względną ok. 24%. Entalpia tego powietrza po podgrzaniu to 30,8 kJ/m³. Entalpia powietrza czerpanego z zewnątrz wynosi 9 kJ/m³.

Czyli mamy do dyspozycji 34,9 kJ/m³ a odzyskujemy tylko (30,8-9) = 21,8 kJ/m³ energii. Oznacza to, że nasza rzeczywista sprawność naszego wymiennika ciepła wynosi:

η = 21,8 – 34,9 = 62,5%.

Znacznie mniej, prawda?

Zobacz także