Zpětné získávání tepla ve větrání a klimatizaci (II)

Trubkové rekuperační výměníky ZZT

Trubkové výměníky ZZT jsou svým principem podobné deskovým výměníkům, ale teplosměnnou plochou je svazek trubek, kterými protéká vzduch (většinou odváděný) a z vnější strany je svazek obtékán vzduchem přiváděným.

Konstrukce a účinnosti

Výhodou trubek je jejich vyšší pevnost, což umožňuje i použití méně běžných materiálů, jako je sklo či plasty. Dále mohou být trubkové výměníky použity pro znečištěný vzduch, neboť je jejich čištění snažší. Naproti tomu nevýhodou je menší teplosměnná plocha a z toho plynoucí nižší účinnost. Ta dosahuje hodnot pouze 30 až 50%.

Ostatní posuzované aspekty jsou u trubkových výměníků podobné jako u výměníků deskových.

V praxi nacházejí trubkové výměníky ZZT uplatnění hlavně v technologických provozech, kde je přes ně odváděn znečištěný vzduch či spaliny.

Rotační regenerační výměníky

Regenerační výměníky s rotující akumulační hmotou nacházejí velmi široké uplatnění především u větších klimatizačních zařízení. Jejich hlavní výhodou je velmi vysoká účinnost, relativně malé rozměry a možnost přenosu nejen tepla citelného, ale i vlhkosti (tepla vázaného).

Rotující akumulační hmota regeneračního výměníku ve tvaru válce s drobnými kanálky rotuje mezi proudem přiváděného a odváděného vzduchu.

Schéma a fotografie rotačního regeneračního výměníku

Konstrukce a účinnosti

Rotující teplosměnná a akumulační hmota je upevněna v rámu a poháněna el. motorem. Akumulační rotor může být z řady materiálů. Často je z je hliníkového plechu, používají se i plasty nebo tvrzená papírovina. Pro přenos vlhkosti se povrch teplosměnné plochy upravuje nanesením hydroskopické vrstvy.

Při průchodu z odváděného do přiváděného vzduchu prochází rotor tzv. pročišťovací zónou. Zde jsou kanálky profukovány proudem čistého vzduchu, čímž se snižuje přenos nečistot z odváděného vzduchu. Pro správnou funkci pročištění a zamezení pronikání odváděného vzduchu netěsnostmi okolo rotoru, je třeba zajistit mírný přetlak přiváděného vzduchu oproti vzduchu odváděnému.

Teplotní účinnost rotačních výměníků bez hydroskopické hmoty dosahuje 60 až 80%, vlhkostní účinnost 10 až 20%.

U rotorů s hydroskopickou vrstvou vzrůstá vlhkostní účinnost na 60 až 70%.

Rotační výměníky je možné snadno regulovat nebo zcela vypnout změnou otáček. Aby se zabránilo nestejnoměrnému opotřebení rotoru, zajišťuje většinou regulace občasné otočení rotoru i v době, kdy je mimo provoz.

Bezpečnost

V rotačních výměnících nejsou proudy přiváděného a odváděného vzduchu bezpečně odděleny a existuje proto vysoké riziko přenosu škodlivin. Z toho důvodu nejsou rotační výměníky vhodné pro případy, kde je odváděný vzduch znečištěn pachy, zárodky, vlákny, prachem, tukem či olejem.

Rotační výměníky lze použít i tehdy, je-li přípustný nízký přenos škodlivin. V takovém případě je třeba doplnit o pomocné detekční zařízení či využít speciální konstrukce.

Přepínací výměníky

Přepínací výměníky regenerační jsou konstruovány tak, že akumulační hmota zůstává ve stejné poloze a přepínají se proudy vzduchu. Přepínací výměníky mají dvě komory naplněné akumulační hmotou a soustavu klapek, která přepíná přiváděný a odváděný vzduch tak, aby procházel přes tyto komory střídavě. Tyto výměníky dosahují vysokých účinností, ale jejich konstrukce je poměrně složitá a jejich rozměry jsou větší.

Teplotní účinnost přepínacích výměníků je 60 až 90%, vlhkostní účinnost může být 50 až 70 %.

Schéma ZZT s kapalinovým okruhem

U přepínacích výměníků nelze zabránit přenosu škodlivin z odváděného vzduchu do vzduchu přiváděného, proto je lze použít pouze v případě, že odváděný vzduch není znečištěn, nebo tam, kde je nízký přenos škodlivin přípustný.

Systémy s kapalinovým okruhem

Systém ZZT s kapalinovým okruhem je tvořen jedním regeneračním výměníkem vzduch-voda v odváděném vzduchu, a druhým ve vzduchu přiváděném. Oba výměníky jsou propojeny kapalinovým okruhem s oběhovým čerpadlem, expanzní nádobou a regulačními prvky. Vzhledem k tomu, že zařízení je určeno i pro nízké teploty vzduchu, je třeba jako oběhovou kapalinu použít nemrznoucí směs. Konstrukce výměníků musí odpovídat čistotě a charakteru vzduchu, ve kterém je umístěn. Většinou se používají běžné rekuperační výměníky s lamelami. Pro silně znečištěný vzduch se mohou použít i výměníky bez žeber, či výměníky z chemicky odolných materiálů.

Obvykle se používá běžných víceřadých (dvě až čtyři řady) výměníků, počet řad výměníku zásadně ovlivňuje účinnost tohoto systému. Jako oběhová kapalina slouží nemrznoucí směs. Systémy s kapalinovým okruhem mají vysokou flexibilitu. U těchto systémů není třeba společné vedení přiváděného a odváděného vzduchu. Tyto systémy lze také snadno doplnit o další zdroj tepla nebo ho i kombinovat s dalšími vzduchotechnickými či jinými kapalinovými systémy.

Účinnost běžného systému s kapalinovým okruhem je 30 až 50%.

Jsou-li použity speciální víceřadé (deset až dvacet řad) konstrukce výměníků s protiproudými vrstvami, může být dosaženo účinnosti 70 až 80%.

Odvod kondenzátu je řešen stejně jako u běžných chladičů.

Systémy ZZT s kapalinovým okruhem patří mezi nejbezpečnější systémy vzhledem k nulovému riziku přenosu škodlivin z odváděného vzduchu do vzduchu přiváděného. Lze je použít i pro provozy, kde nesmí dojít k přenosu ani při havárii zařízení.

Schéma tepelné trubice

Tepelné trubice

Systém ZZT s přirozeným oběhem chladiva je ve své základní variantě tvořen uzavřenou trubicí (tzv. termosifon), jejíž jedna polovina (spodní) je v proudu odváděného vzduchu a druhá (horní) v proudu vzduchu přiváděného. Tepelná trubice je naplněna chladivem, ve spodní části dochází k varu a odpařování chladiva. Teplo potřebné k odpaření se odebírá z proudu odváděného vzduchu. Páry chladiva stoupají vzhůru, kde kondenzují v proudu studeného čerstvého vzduchu, kterému předají kondenzační teplo a znovu stékají po stěnách zpět do spodní části. Použité chladivo a tlak v trubici musí odpovídat teplotám vzduchu. Tato základní konstrukce prošla dalším vývojem, a existují i kapilární tepelné trubice, které je možné umístit i vodorovně.

Tepelné trubice mají většinou vnější povrch opatřen žebry, aby se zintezivnil přenos tepla ze vzduchu do tepelné trubice a naopak.

Tepelné trubice patří mezi bezpečné systémy ZZT, kde je riziko přenosu škodlivin z odváděného vzduchu nepatrné. Lze je použít i pro případy, kdy je odváděný vzduch znečištěn pachy, zárodky, vlákny, prachem, tukem či olejem a přenos znečištění není přípustný. V případě pomocného detekčního zařízení či speciální konstrukce je lze na znečištěný vzduch použít i tam, kde není dovolen přenos škodlivin ani při poruše nebo defektu zařízení.

Ekonomie ZZT

Při posuzování prosté návratnosti investice do ZZT je třeba vyhodnotit cenu roční úspory energie na vytápění, vlhčení a případně i chlazení a snížit ji o cenu energie, kterou spotřebovalo vlastní zařízení ZZT. Takto upravená úspora se potom porovná s investičními náklady. Pro vyhodnocování návratnosti existuje řada ekonomických nástrojů, které však nejsou předmětem tohoto článku.

Roční úsporu energie na ohřev vzduchu lze, při předpokladu konstantní účinnosti a průtoků vzduchu, stanovit ze střední tepoty venkovního vzduchu v době provozu zařízení a počtu hodin provozu.

Energie spotřebovaná zařízením ZZT je součtem spotřeby el. energie pohonu systému ZZT (čerpadla vodních okruhů, pohon rotačních výměníků) a navýšení spotřeby el. energie ventilátorů díky tlakovým ztrátám ZZT. Při přesném výpočtu lze zohlednit i to, že většina el. energie dodaná do čerpadel a ventilátorů se ve formě tepla dostane do přiváděného vzduchu a je tudíž využita k jeho ohřevu.

Závěr

Zřízení ZZT by měla být v nynější době již nedílnou součástí zařízení větrání a klimatizace. Existuje řada typů ZZT a lze proto najít zařízení vhodné i pro méně typické aplikace a režimy provozu. Vývoj zařízení ZZT stále probíhá, a tím se zlepšují jak jejich technické parametry, tak jejich aplikace a provozování. Při návrhu nového či rekonstrukci stávající vzduchotechniky, bychom se již neměli rozhodovat zda ZZT či bez ZZT, ale spíš jaká konstrukce ZZT je pro danou aplikaci vhodná. Menší zařízení pro zpětné získávání tepla nacházejí široké uplatnění při větrání nízkoenergetických domů či bytů, kde výrazně snižují spotřebu energie pro větrání. Široké uplatnění nacházejí zařízení ZZT při výstavbě nových administrativních budov, kde se výrazně uplatní i přenos vlhkosti. Pro případy, kdy není možné přivést odváděný a přiváděný vzduch do jednoho místa, jsou stále zlepšovány parametry zařízení s kapalinovým okruhem.

Literatura

Chyský, J. Hemzal, K.: Větráni a klimatizace, Bolit-b press, Praha 1993.
VDI 2071 Zpětné získávání tepla ve vzduchotechnických zařízeních, Prosinec 1997
WWW stránky výrobců ZZT: Atrea, Klingenburg, Rekuper Sychrov, Menerga