Nejnavštěvovanější odborný portál
pro stavebnictví a technická zařízení budov
estav.tvnový videoportál

ZZT - známé principy v nových aplikacích

Proces zpětného získávání tepla (ZZT) je v praktických aplikacích často ne zcela přesně podle nejčastěji využívané technologie označován vžitým termínem rekuperace tepla. V příspěvku předneseném na konferenci Klimatizace a větrání 2004 autor popisuje používané principy zpětného získávání tepla z teoretického hlediska a zmiňuje i nejpoužívanější technické aplikace. Upravený příspěvek byl zveřejněn v časopisu VVI 4/2004.

V moderních objektech, nově stavěných nebo rekonstruovaných, jsou podstatně snižovány tepelné ztráty prostupem obvodovým pláštěm zvyšováním jeho izolačních vlastností. V takových objektech se sníženou energetickou spotřebou výrazně narůstá podíl tepelných ztrát větráním. Podnětem k vývoji zařízení pro ZZT ve vzduchotechnice v současné době je snaha o zlepšení hospodaření s energií jako nejlepšího způsobu snížení provozních nákladů při nejlepší ochraně ovzduší díky omezení spotřeby energie - a to jak v zimním, tak v letním provozu (u klimatizovaných budov). V celkové ekonomické bilanci přináší ZZT také snížení investičních nákladů, vhledem k odstranění některých komponentů a ke snížení potřebné výkonnosti zdrojů tepla a chladu.

Klimatizační zařízení upravují vlhký vzduch. Proto je třeba při ZZT rozlišovat, zda jde o teplo citelné - jímž se mění teplota vzduchu, nebo latentní (vázané) - sdělované při vypařování vody nebo při kondenzaci vodní páry - které ovlivňuje měrnou vlhkost vzduchu anebo celkové - dané součtem citelného a latentního - které mění entalpii. V letním provozu mluvíme o "ZZ chladu" - i když víme, že teplo může přecházet samovolně jen z teplejší látky na chladnější - ve smyslu druhého zákona termomechaniky. Vždy jde o využití potenciálu tepla nebo chladu v odpadním vzduchu (jeho teploty), který jinak bez užitku odchází do okolí budovy.

O možnostech ZZT z odpadního vzduchu pojednal souborně profesor Chyský v Technickém průvodci Větrání a klimatizace. Uvedl závažné technické a ekonomické problémy instalace zařízení ZZT, kterými jsou malé rozdíly teplot mezi odváděným a přiváděným vzduchem, malý součinitel přestupu tepla ze vzduchu do stěn zařízení vzhledem k malým rychlostem a zvýšení tlakových ztrát, které zatěžují ventilátory. Podstatné jsou také investiční náklady na ZZT a omezená životnost zařízení. Doporučený postup ekonomického hodnocení obsahuje všechny potřebné položky a jeho použití je nutné jen doplnit aktuálními cenami energie a odpisovými položkami (úroky). Hodnocení investice je možné rozšířit o vliv dostupnosti financí, např. podle článku Ing. Vajsara ve VVI 3/94.

V příspěvku uvedu příklady progresivních způsobů využití kapalinových okruhů, rotačních a přepínacích výměníků, které mohou podnítit projektanty k úvahám o jejich aplikaci v našich podmínkách. Jsou to zařízení, která překonávají mnohé, výše uvedené, technické a ekonomické problémy a vedou k úspěšné realizaci. Nové konstrukce a soustavy činí ZZT atraktivní i přes jejich cenu. Dosahují tohoto efektu především neobvykle vysokými hodnotami účinností při malých provozních nákladech a při "přátelském" provozu. Těchto parametrů dosahují především uplatněním fyzikálních zákonitostí.

Kapalinové okruhy se dostaly na index pro nutnost budování bariér vůči jedovatým příměsím nemrznoucích látek. Také účinnost jejich ZZT, která dosahovala jen 40 až 50 %, je činila nezajímavými vůči regeneračním výměníkům nebo kompaktním deskovým výměníkům, které byly projektovány a dodávány jako součást dvouventilátorových klimatizačních jednotek (KJ).
Výsledkem soudobého vývoje jsou mnohařadé (např. s 18 řadami) výměníky, které jsou zapojeny v čistém protiproudu voda - vzduch, dosahují účinnosti přes 90 %, mají relativně malé tlakové ztráty na straně vzduchu díky větší rozteči hladkých lamel ze silnějšího plechu (větší rozteče měly i dříve výměníky Janka typizované pro ZZT), které se jednoduše odmrazují. Kromě výhody dané možností dispozičního vzdálení proudu venkovního a odpadního vzduchu a sériovém dělení výměníku v odpadním vzduchu mají možnost dělit také výměník v proudu venkovního vzduchu. Nejedovaté příměsi v okruhu mohou být dokonce kompostovány a odpadá tak starost s jejich likvidací. Zásady pro vodní cesty platí i nadále - přenos tepla uvnitř musí být v turbulentní oblasti rychlostní ale hlavně tepelné mezní vrstvy, tj. s hodnotou Re > 5000.

Vysoká účinnost umožňuje hospodárné využívání chladu z odpadního vzduchu v klimatizovaných budovách, při možnosti využít rozdíl mezi teplotami venkovního a odváděného vzduchu 32/26 °C. Vysoká účinnost výměníků nemaří teplotní potenciál tepla (exergii). Příklad využití viz VVI 4/2002, s. 174. Tyto výměníky nabízejí multifunkční využití:
  • adiabatické nepřímé chlazení se sprchováním výměníku na straně odpadního vzduchu
  • odvlhčování v zařízení se 100 % venkovního vzduchu např. pro plavecké bazény, kde umožňuje spojit v odvodu všechny prostory s rozdílnými teplotami a vlhkostmi - bazén, šatny, sprchy a vedlejší prostory;
  • nízkoteplotní ohřívače např. s chladicí vodou od strojů nebo s dochlazováním vratné vody centralizovaného zásobování teplem, případně vodou ze slunečních kolektorů (voda 40/25, vzduch 20/38 °C);
  • chladiče vzduchu v místnostech při větrání zaplavováním k odvodu citelného tepla s teplotami např. vody 18/28 a vzduchu 30/20 °C.
Deskové výměníky jsou ve větší míře než dosud řazeny za sebe a při různém uspořádání sprchovány. Po řadu let uváděla tento princip u nás např. Menerga. Na sprchované ploše dochází k odpařování vody a potřebné teplo se odebírá vzduchu, který proudí kolem druhé strany desky výměníku a je ochlazován. O využití tohoto principu byla publikována informace ve VVI 5/2003 a pojednával o ní také příspěvek Ing. Laina na konferenci Klimatizace a větrání 2004.

Kvalitativně novým je kanálový protiproudý výměník (VVI 4/2002, s. 174) fy. Paul s účinností 90 %. Patentované zapojení kanálků do přiváděcích a odváděcích komor jej chrání před kopiemi. Max. průtok 625 m3/h však limituje jeho použití - pokud by nebyl použit v paralelním zapojení.

Zcela samostatnou kategorií jsou deskové výměníky z upraveného papíru, který působí jako molekulové síto a propouští vodní páru. Dosahují v zimě účinnosti ZZV 30 až 40 %.

Rotační regenerační výměníky se na našem trhu sortimentem rozšiřují. Mají rotory tří typů, podle úpravy povrchu teplosměnné plochy vzhledem k přenosu vlhkosti:

Kondenzační rotory - citelného tepla - z Al folií, u kterých může docházet ke kondenzaci par z odpadního vzduchu v místě kola, kde teplota folie klesne pod teplotu rosného bodu. Účinnost zpětného získávání vlhkosti (ZZV) je proto malá a omezená na zimní období.

Entalpijní (entalpické) rotory - hygroskopické - z chemicky naleptaných folií, které mají kapilární strukturu povrchu. Kromě kondenzace za příznivých podmínek dochází také k přenosu vodní páry adsorpčním účinkem. Celkový přenos vlhkosti - změna měrné vlhkosti Δx není však se stejnou účinností jako přenos citelného tepla - změna teploty Δt. Představa, že jde o dokonalou výměnu entalpie, nebývá proto vždy naplněna, vzhledem k menší účinnosti přenosu vlhkosti vůči účinnosti přenosu citelného tepla.

Sorpční rotory - desikační - mají na nosném podkladu z Al, keramické nebo skelné vláknité folie nanesenu vrstvu sorpčního materiálu (např. silikagelu nebo zeolitu, který působí jako molekulární síto) - podrobněji viz VVI 2/2001, s. 62. Tyto rotory přenášejí vlhkost přibližně nezávisle na stavu vzduchu (bez kondenzace) a tedy také v létě.

Jejich povrch tvoří desikanty, látky (sorbenty) schopné opakovaně adsorbovat a uvolňovat vodní páru. Jsou to tuhé látky s velkou porózitou, jejíž povrch dosahuje několika set m2 na 1 g látky. Působí na principu adsorpce, fyzikálním procesu vytváření vrstvy vodní páry (příměsi) na povrchu tuhé látky (bez kondenzace). Hybnou silou adsorpce je rozdíl (p2 - p1) parciálních tlaků příměsi v okolním vzduchu p2 a v pórech částice desikantu p1.

Prakticky se dnes používají tři druhy adsorbentů s různými vlastnostmi, které je předurčují pro různé aplikace (odvlhčování, chlazení, vysoušení s různými požadavky na Δx při různé vstupní relativní vlhkosti vzduchu φ):

Silicagel, běžný a levný adsorbent, přenos vlhkosti je vysoký, má dobrou jímavost (sorpční schopnost) i při relativní vlhkosti φ = 100 %, je vhodný pro odvlhčování (dehumidifikaci), je málo selektivní a spolu se žádaným přenosem vodní páry mohou proto být přenášeny také škodlivé příměsi.

Aktivovaný oxidovaný hliník. Al2O3 se vytvoří řízenou korozí Al plechu ponořením hotových rotorů do roztoku bromidu. Tyto rotory jsou nejlevnější, přenos vlhkosti je však malý, mají malou jímavost, selektivita je malá - vzniká možnost přenosu nežádoucích příměsí.

Molekulová síta (např. zeolity), původem určená pro petrochemický průmysl, mají monodisperzní strukturu pórů, která zamezuje adsorpci molekul větších než rozměr pórů. Tato vlastnost způsobuje jedinečnou přednost vůči ostatním desikantům v případech, kdy rozhoduje zabránění přenosu nežádoucích příměsí. Rotory se vyznačují velkou jímavostí vodní páry při nízkých měrných vlhkostech x, která se však příliš nezvětšuje při vyšších φ. Pokles jímavosti při vyšších teplotách je malý.

Adsorpční vlastnosti každého z desikantů lze upravovat těmito parametry porézního povrchu:
  • velikostí vnitřního styčného povrchu - změnou hustoty vlnění nosných fólií (výška a rozteč),
  • celkovým objemem kapilár,
  • rozsahem průměrů kapilár.
Entalpické rotory mají obvykle délku 100 až 250 mm, výšku vln 1,5 až 2 mm, teplosměnnou plochu 1600 až 3300 m2/m3, jsou tedy velmi "kompaktní", točí se 2 až 20 otáčkami za minutu.

Přenos příměsí desikanty
Desikanty adsorbují kromě vody celou řadu par a plynů. Tyto příměsi mohou být adsorbovány, jen pokud je pro ně v kapilárách místo vedle vodní páry. Při periodické činnosti rotorů nejsou nikdy desikanty párou zcela nasyceny a je v nich proto místo i pro pohlcení jiných příměsí z protékajícího vzduchu. Také bakterie a tuhé aerosoly, dostatečně malé vzhledem k pórům, mohou být a jsou adsorbovány. Pokud je parciální tlak plynných příměsí ve venkovním vzduchu menší, mohou být desorbovány do přiváděného venkovního vzduchu a vráceny do klimatizovaného prostoru.

Selektivitu adsorpce lze vysvětlit rozborem velikosti molekul (tzv. kinetických rozměrů), viz tab. 1 průměrů molekul. Adsorbována může být jen molekula, jejíž rozměr je menší než rozměr pórů v desikantu. Adsorbovatelnost molekul závisí kromě velikosti také na jejich tvaru (kulovitý, přímkový, hvězdicový, cyklický) a na jejich polaritě. Např. CO je méně adsorbován než H2O, i když molekuly mají stejný rozměr.

Tab. 1 - Kinetické průměry molekul součástí a příměsí vzduchu

Molekula Průměr v nm
(nanometry = 10-9 m)
Helium He 0,2
Vodík H 0,24
Vodní pára H2O, kyslík O2, CO, CO2 0,28
Dusík N2 0,3
Čpavek NH3, sirovodík H2S 0,36
Metan 0,4
Etanol 0,44
Propan 0,49
Freon R22 0,53
Toluen 0,67
Benzen 0,68
Trietylamin 0,84

Přenos vlhkosti dobře znázorňuje závislost účinnosti na tzv. kondenzačním potenciálu, jímž je rozdíl mezi měrnou vlhkostí odváděného vzduchu a měrnou vlhkostí nasyceného venkovního vzduchu při jeho teplotě, K = xi - x"e. V zimě je K > 0, v létě je K < 0.


Obr. 1 - Účinnost ZZV rotorů K - kondenzačních, H - hygrospických, S - sorpčních, v závislosti
na kondenzačním potenciálu. Výsledky měření na instalovaných zařízeních - podle E. Becka - HLH 5/2003.

Při použití sorpčních rotorů v jednotkách s kondenzačním rotorem lze vzduch v létě chladit bez klasického chladicího zařízení. Zařízení musí mít další rotor citelného tepla. O aplikaci desikačních rotorů byly publikovány příklady na minulé konferenci v roce 1997 (Chmelík, Putta) i v řadě příspěvků ve VVI (Polách 5/2000).


Obr. 2 - Kondenzační potenciál K = xi - x"e a jeho změny v průběhu roku.
V zimě a v přechodném období K1, K2 > 0, v létě K3 < 0

(Křivka středních stavů vzduchu venku dle TP 31, Chyský, J, Hemzal, K. a kol.: Větrání a klimatizace 1993, s. 456)


Některá doporučení
  • Pro větrací zařízení bez mechanického chlazení jsou vhodné levnější kondenzační rotory (citelného tepla).
  • Tam, kde se v létě musí vzduch odvlhčovat, mají význam sorpční rotory, které zmenší nebo vyloučí chladicí zařízení.
  • Účinnost ZZV entalpijních rotorů v přechodném ročním období a za provozu chlazení je malá. Pro větší cenu vzhledem ke kondenzačním rotorům se proto nevyplatí.
Potřebné jsou účinné adiabatické zvlhčovače, kterými jsou pračky vzduchu nové generace. Především je odstraněna jejich nehygieničnost a náročnost na obsluhu značně snížena, takže mohou vyniknout jejich termodynamické přednosti adiabatického ochlazování. V takový klimatizačních jednotkách musí být pračky dvě. O principu praček NOVA viz VVI 4/2002 s. 174. Moderní pračky nabízí také fa. AxAir.

Přepínací regenerační výměníky v podobném půdorysném uspořádání, jako měly jednotky Koventerm 4 (podle AO 242937/1987 - Chyský - Hemzal), nabízí v dokonalém provedení fa. Menerga. Je zajímavé, že doba jednoho cyklu 40 s, která byla ekonomická, je použita také u nových jednotek. Potíže se zkratem, které jsou vlastní všem regeneračním jednotkám, rotačním i přepínacím, limitují jejich použití a vyžadují pečlivou kalkulaci tlakových poměrů tak, aby čerstvý vzduch vytlačoval netěsnostmi pronikající vzduch odpadní.

Shoda známých principů s používanými u nejmodernějších konstrukcí dokládá oprávněnost názvu mého příspěvku. Je také dokladem potenciálních možností, které ve vývoji oboru klimatizace jsou. Jen musí být uchopeny správnými lidmi, kteří je dokáží nejen vymyslet a vyrobit, ale hlavně prodat.

Nejdůležitější otázky, na něž musí mít odpovědi projektant a které použije k rozhodování stavebník - investor, jsou:
  • Kdy je ekonomicky výhodné použít ZZT?
  • Jak ZZT zařadit do VZT zařízení?
  • Jak je dimenzovat k dosažení maximálních úspor?
  • Jak velké úspory energie lze očekávat?
  • Zvýší ZZT cenu zařízení nebo sníží?
Nástrojem jsou výpočtové programy, do kterých by měl projektant "vidět", aby mohl posoudit věrohodnost výsledků.

Příspěvek byl přednesen na konferenci Klimatizace a větrání 2004. Upravený příspěvek byl zveřejněn ve VVI 4/2004, str. 143 - 145.