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?

Opublikował 25.12.2011 mgr inż. Krzysztof Lis i oznaczył hasłami , ,

6 komentarzy do artykułu “Sprawność rekuperacji (odzysku ciepła) w wentylacji mechanicznej”

  1. Zatem wciąż nie ma pewności, czy lepszym rozwiązaniem byłby sam rekuperator np.HR Brink, czy tenże w tandemie z GWC.A może rekuperator najnowszej generacji, czyli entalpiczny bez GWC lepiej sobie poradzi z odzyskiem ciepła? Które rozwiązanie będzie bardziej skuteczne?

  2. @Darek: to trudne pytanie. Wymiennik entalpiczny powoduje, że do domu wraca spora część wilgoci, a więc też duża część energii, którą w przeciwnym wypadku musielibyśmy zużyć na wytworzenie tej wilgoci (np. nawilżaczem).

  3. Wydawało mi się,że wentylacja ma właśnie ograniczać wilgotność w domu…

  4. No oprócz usuwania dwutlenku węgla, to owszem, zadaniem wentylacji jest usuwanie z domu wilgoci.

    Niestety, bardzo często wentylacja powoduje przesuszanie powietrza.

  5. Przede wszystkim dziękuję za ten blog i chęć dzielenia się wiedzą 🙂
    Odkopuję stary wpis, ale czy te wymienniki entalpiczne w ogóle się sprawdzają? Mój tok rozumowania jest taki: 1) „przekazanie” wilgoci ma nastąpić w wymienniku z ciepłego powietrza wywiewanego do zimnego nawiewanego, 2) powietrze z zewnątrz jest zimne, a więc jego wilgotność względna jest już i tak duża, 3) zakładając, powietrze nawiewane ma wilgotność ~80% (w uproszczeniu, bo w wymienniku trochę zostanie podgrzane), to „przekazanie” nawet tych 20% wilgotności z powietrza wywiewanego nie przyczyni się do znacznego podniesienia wilgotności bezwzględnej powietrza wewnątrz domu.
    Czy moje rozumowanie jest prawidłowe? Może czegoś nie uwzględniłem?

    Pytanie luźno powiązane z artykułem. Czy są jakieś rozwiązanie centralnego nawilżania pomieszczeń, np. żeby po wyjściu z rekuperatora, ale przed wtłoczeniem do pomieszczeń powietrze było „odpowiednio” nawilżone. Chodzi mi o rozwiązanie, które wyeliminuje konieczność instalacji nawilżaczy powietrza w każdym pomieszczeniu, w którym chcemy mieć „dobre” powietrze?

  6. @Adam: zależy, jak zdefiniować, czy „się sprawdzają”. Pozwalają odzyskać część wilgoci z powietrza wywiewanego, co jest cenne, bo wraz z wilgocią ucieka sporo energii. A więc nie tylko mają lepszą sprawność odzysku ciepła, ale też mniej wysuszają powietrze.

    Ale jeśli wentylacja za bardzo wysusza powietrze, to trzeba zmniejszyć jej intensywność. Bo to właśnie usuwanie wilgoci jest podstawowym celem istnienia wentylacji w domu.

    Rozwiązania z nawilżaczami oczywiście są, stosuje się je np. w centralach klimatyzacyjnych, ale nie jest to tanie rozwiązanie. A więc — patrz wyżej. Przy wentylacji nie ma wcale potrzeby instalacji nawilżaczy, o ile dom jest szczelny a instalacja wentylacyjna nie jest przewymiarowana.

Pozostaw komentarz

Subscribe without commenting