Rekuperatorji in regeneratorji toplote
Ena izmed pomembnih komponent stavbnih prezračevalnih naprav je rekuperator oziroma regenerator toplote. To je prenosnik toplote, v katerem odtočni zrak odda toploto in v določenih primerih tudi vlago svežemu zunanjemu zraku ter ga s tem ogreje oziroma ohladi. Pri tem del toplote, ki bi jo z naravnim prezračevanjem izgubili, privedemo nazaj v prostor.
Govorimo torej o vračanju zavržene toplote oziroma o rekuperaciji toplote. Rekuperatorji so zasnovani tako, da zunanji in odtočni zrak ne prideta do medsebojnega stika, torej sta ločena s tanko steno, preko katere prehaja le toplota in v nekaterih primerih tudi vlaga. Izdelani so iz vodoodpornega materiala, najpogosteje iz aluminija ali plastike (PP ali PVC).
Pri procesu ohlajanja toplega vlažnega zraka na hladnih površinah prihaja do faznih sprememb vlage v zraku, ki se v obliki drobnih kapljic (kondenz) nabira na površini rekuperatorja. Kondenz se steka v zbiralno posodo pod rekuperatorjem in nato odteka naprej v odtok. Z uporabo entalpijskih (pogosto narejenih iz celuloznih vlaken) rekuperatorjev lahko do 75 % vlage privedemo nazaj v prostor in posledično zmanjšamo potrebo po dodatnem vlaženju zraka.
Stopnja vračanja zavržene toplote je ocenjena v odstotkih in je poleg zasnove in zgradbe rekuperatorja odvisna tudi od pretoka zraka skozi rekuperator. Ločimo več tipov rekuperatorjev, ki se med seboj razlikujejo po zgradbi in posledično po učinkovitosti (ploščni, cevni, vzporedni, entalpijski itd.). V kompaktnih prezračevalnih napravah so zaradi visoke temperaturne učinkovitosti, enostavnega vzdrževanja in dostopne cene najpogosteje vgrajeni ploščni protitočni rekuperatorji ali rotacijski regeneratorji, s temperaturno učinkovitostjo do 95 % .
Osnovni tipi rekuperatorjev, ki se najpogosteje uporabljajo v prezračevalni tehniki so:
- rotacijski,
- ploščni (križni, sotočni in protitočni),
- lamelni,
- cevni (toplotna cev).
Regeneracijski prenosnik toplote
Je prenosnik toplote z rotacijskim kolesom za prenos toplotne energije iz enega zračnega toka v drugega, ki lahko vključuje tudi materiale za latenten prenos toplote. Sestavni deli tovrstnih toplotnih prenosnikov so tudi pogonski mehanizem, ohišje ali okvir ter tesnila za zmanjšanje obvoda ali puščanja zraka iz posameznega toka. Takšni prenosniki toplote omogočajo različne stopnje rekuperacije vlage, odvisno od uporabljenega materiala.
Rotacijski regenerator
Kot pove že ime, gre za kolo, ki se vrti s pomočjo pogonskega motorja. Kolo je sestavljeno iz številnih luknjic (cevk) skozi katere potujeta svež zunanji (hladen) in prostorski odtočni (topel) zrak. Topel in izrabljen prostorski zrak, ki ga ventilator potiska skozi luknjice, ogreje površino kolesa (kovino - običajno aluminij). Ta nato z vrtenjem prenese toploto na stran svežega zraka in ga ogreje. Svež in ogret zrak nato dovodni ventilator dovaja v bivalni prostor. Slika spodaj prikazuje potek zraka in temperatur skozi rotacijski regenerator, pri čemer modra barva predstavlja hladen zrak, rdeča pa toplega.
Odtočni zrak (zrak iz prostora)
Zavrženi zrak (zrak, ki gre iz objekta)
Zunanji zrak
Vtočni zrak (zrak, ki gre v prostor)
Pri običajnih rotacijskih rekuperatorjih se poleg toplote nazaj v prostor privede tudi del vlage. Stopnjo vračanja vlage lahko povišamo s posebnimi higroskopičnimi nanosi. Tovrstni nanosi nase vežejo (adsorbcija) in vpijajo (absorbcija) vodne molekule iz odvodnega zraka. Svež zunanji zrak nato prevzame vlago iz nanosa in se s tem navlaži. Tako pri klasičnih kot higroskopskih kolesih torej ne potrebujemo dodatne zbiralne posode in odtoka za kondenz. Vrtilna hitrost kolesa je lahko stopenjska (vklop / izklop) ali variabilna (VSD – Variable Speed Drive) in vpliva na učinkovitost vračanja zavržene toplotne energije, ki se pri tovrstnih prenosnikih giblje okoli vrednosti 80 %.
Rotacijske regeneratorje najdemo tako v modulnih kot kompaktnih napravah.
Rekuperacijski prenosnik toplote
Je prenosnik toplote brez gibljivih delov, namenjen za prenos toplotne energije iz enega zračnega toka na drugega. Poznamo ploščni ali cevni prenosnik z vzporednim, križnim ali nasprotnim tokom oziroma kombinacijo tokov ter ploščni ali cevni prenosnik toplote s parno difuzijo.
Ploščni rekuperator
Je najbolj razširjen tip rekuperatorja, zlasti pri manjših (stavbnih) prezračevalnih napravah z vračanjem zavržene toplote. Prednosti pred ostalimi tipi rekuperatorjev so predvsem visoka zanesljivost delovanja, tesnost med obema zračnima tokovoma (zunanji in odtočni zrak se ne mešata) ter enostavno vzdrževanje. Ploščni rekuperator je sestavljen iz vzporednih valovitih plošč, med katerimi potuje hladen in topel zrak.
Plošče so sestavljene tako, da topel (prostorski) in hladen (zunanji) zrak ne prideta do stika, torej se ne mešata. V primeru, ko se topel zrak na hladnih površinah rekuperatorja ohladi pod točko rosišča, pride do izločanja vlage iz zraka in na stenah rekuperatorja se začne pojavljati kondenz. Zato mora biti material, iz katerega je rekuperator sestavljen, odporen na vlago. Najpogosteje so izdelani iz aluminija ali plastike (PP in PVC), lahko pa tudi iz celuloznih vlaken.
Celulozna vlakna del vlage iz toplega odtočnega zraka vpijejo (absorbirajo) ter prenesejo na zunanji zrak (nazaj v prostor), zato odvod kondenza v tem primeru ni potreben. Med slabosti lahko omenimo možnost zaledenitve. Voda, ki se v obliki kondenza nabira na notranjih hladnih stenah rekuperatorja, lahko pri nizkih zunanjih temperaturah prične zmrzovati, prekomerno zmrzovanje in nabiranje ledu pa lahko poškodujeta rekuperator. Naprave s tovrstnim tipom rekuperatoja imajo zato vgrajen obvod zraka (by-pass), ki v času odtaljevanja omogoča preusmeritev zraka mimo rekuperatorja.
Nekatere pa imajo vgrajene tudi predgrelnike, ki dovodni zrak pred vstopom v rekuperator ogrejejo. Poznamo križne, protitočne in sotočne ploščne rekuperatorje. Protitočni rekuperatorji dosegajo najvišjo temperaturno učinkovitost, tudi do 95 %, medtem ko križni nekje do 70 %. K visoki učinkovitosti protitočnih rekuperatorjev pripomore velika površina, preko katere prehaja toplota in daljši čas oziroma pot obeh tokov zraka.
V nasprotju z rotacijskimi regeneratorji, v katerih zunanji in odtočni zrak obdržita smer toka, se pri križnih in protitočnih rekuperatorjih smer toka zraka spremeni.
Tok zraka v protitočnem rekuperatorju:
Odtočni zrak (zrak iz prostora)
Zavrženi zrak (zrak, ki gre iz objekta)
Zunanji zrak
Vtočni zrak (zrak, ki gre v prostor)
Ploščne rekuperatorje najdemo tako v modulnih kot kompaktnih napravah vseh velikosti. Poleg zračnih kanalskih priključkov morajo imeti naprave s tovrstnimi rekuperatorji tudi priključke za odtok kondenza ter ustrezno izvedbo sifona.
Lamelni rekuperator
Uporablja se za čiste prostore, kjer veljajo najvišje higienske zahteve (zdravstvene ustanove, farmacija itd.), pogosto pa tudi v primerih, ko zrak vsebuje vnetljive in strupene snovi. Slaba stran lamelnih rekuperatorjev je nizka učinkovitost (35 % do 45 %) in dodaten sistem za povezavo obeh registrov v zaprti krog. Pri lamelnih rekuperatorjih imamo namreč dva toplotna prenosnika, v katerih protizmrzovalna tekočina (voda 60 %, glikol 40 %) predstavlja medij za prenos toplote. Cirkulacijska črpalka poskrbi za ustrezno kroženje tekočine iz toplega prenosnika (odvodni zrak) na hladi prenosnik (zunanji zrak), zato jim pogosto pravimo tudi cirkulacijski prenosniki toplote.
Tipi naprav z vgrajenim sistemom za vračanje zavržene energije (rekuperacija - protitočni rekuperator, regeneracija - rotacijski regenerator)
Poznamo torej:
- Lokalne mehanske prezračevalne naprave, ki prezračujejo pretežno en prostor
- centralne mehanske prezračevalne naprave, ki so namenjene za prezračevanje več prostorov hkrati.
Lokalne prezračevalne naprave z vračanjem zavržene energije (z rekuperacijo ali regeneracijo)
V glavnem služijo za prezračevanje enega prostora. Običajno so to naprave za stavbno prezračevanje, kjer prezračujemo vsak prostor zase. Vgradnja je najpogosteje stenska in ne zahteva dodatnih razvodnih kanalov. Potrebno je narediti le preboj zunanjega ovoja stavbe za dovodni in odvodni zrak ter poskrbeti za dovod električne energije. V večini primerov so naprave izvedene tako, da je kondenz, ki nastaja pri ohlajanju toplega odvodnega zraka na hladnih stenah rekuperatorja, speljan na prosto skozi odvodni zračni kanal. Če naprava ni izvedena na tak način, je potrebno ustrezno izvesti tudi odtok za kondenz.
Ker je lokalna prezračevalna naprava vgrajena v bivalnem prostoru, je zelo pomembno, da je delovanje naprave tiho in brez vibracij, ki so lahko vzrok tudi za dodaten hrup. Rotor motorja, na katerega je pritrjena vetrnica ventilatorja, mora biti dinamično uravnotežen. V tovrstnih napravah se vse več uporabljajo elektronsko komutirani motorji (EC motorji), ki so tišji in za svoje delovanje porabijo manj električne energije od običajnih. Izvor hrupa pa ni le motor, temveč tudi zrak, ki potuje skozi zračne poti v napravi. Hitrost zraka je prav zaradi tega razloga omejena (do 5 m/s), kar privede do različnih konstrukcijskih rešitev vsakega proizvajalca.
Vsi proizvajalci težijo k cilju izdelati čim manjšo in za prostor nemotečo napravo, ki bo poleg energetsko učinkovitega delovanja omogočala tudi enostavno posluževanje in servisiranje. Tako so na voljo različne izvedbe tovrstnih naprav, ki pa jih po svoji funkciji združujejo pretežno enake sestavne komponente. Vgradnja je lahko nadometna ali podometna. Pri nadometni vgradnji je vidna večina naprave, pri čemer sta v steni le dovodni in odvodni kanal. Pri podometni vgradnji pa je naprava poglobljena v steno in je na steni viden le del naprave. Naprava dovaja v prostor svež zunanji zrak in istočasno odvaja izrabljen prostorski zrak na prosto, v okolico (slika 3.1). Za ustrezno distribucijo zraka služita dovodna in odvodna rešetka, ki poskrbita, da zrak ustrezno zaokroži po prostoru. Zrak se pred vstopom v napravo prečisti v zračnih filtrih in šele nato vstopa v rekuperator toplote, s čimer so notranji elementi naprave zaščiteni pred umazanijo (prah, insekti...), ki je v zraku.
Centralne prezračevalne naprave z vračanjem zavržene energije
Služijo za prezračevanje celotnega objekta. Zrak se v napravi centralno ''pripravi'' in distribuira po zračnih kanalih v vsako ločeno prezračevalno cono (prostor). Poznamo kompaktno in modulno izvedbo centralnih prezračevalnih naprav. Pri kompaktni izvedbi so vse komponente (filtri, ventilatorji, rekuperator, krmilnik itd.) tovarniško vgrajene v skupnem ohišju [3], [8].
Kompaktna hišna / stavbna centralna prezračevalna naprava
Naprave je potrebno le povezati na kanalski razvod ter električno energijo in že so pripravljene na delovanje (pogost izraz za tovrstne naprave je tudi ''plug and play'' naprave). Modulne prezračevalne naprave so sestavljene iz različnih delov ohišja (modulov) in omogočajo poljubno obliko in funkcionalnost oziroma obdelavo zraka. Najpogosteje gre za naprave večjih dimenzij in pretokov, ki se zaradi vgradnje in transporta izdelajo in dobavijo po segmentih.
Za prezračevanje stanovanjskih objektov se najpogosteje uporabljajo kompaktne centralne prezračevalne naprave, ki omogočajo enostavno vgradnjo in uporabo.
Stavbne centralne naprave niso namenjene za hlajenje ali ogrevanje objektov. Z dodatnimi dograjenimi grelniki ali hladilniki, ki se dograjujejo na kanalski razvod pokrijemo zgolj toplotne izgube, ki nastanejo zaradi prezračevanja, torej dvignemo ali znižamo temperaturo zraka za par stopinj (odvisno od moči grelnika/hladilnika).
Količina zraka in toplotna moč kanalskih grelnikov ali hladilnikov je vsekakor premajhna, da bi z njimi ogreli oziroma ohladili celoten objekt. V primeru, da je učinkovitost vračanja zavržene energije zelo visoka, dodatni elementi za dogrevanje ali hlajenje niso potrebni. K vgradnji visoko učinkovitih rekuperatorjev in regeneratorjev težijo že vsi proizvajalci,določene organizacije pa za varčne naprave razpisujejo subvencije.
Ena izmed tovrstnih v Sloveniji je Eko sklad, ki spodbuja razvoj na področju varstva okolja z omogočanjem kreditov oziroma poroštev za okoljske naložbe ter z drugimi oblikami pomoči. Sklad vzpodbuja naložbe, ki so skladne z nacionalnim programom varstva okolja in okoljsko politiko Evropske unije.
[3] Recknagel, Sprenger, Schramek: Taschenbuch für Heizung + Klima Technik2005/2006. Oldenbourg Industrieverlag GmbH, München, Nemčija.
[7] Meltem Wärmerückgewinnung GmbH & Co. KG: Dezentrale wohnraumlüftung mitwärmerückgewinnung. Alling, Nemčija, 2016.
[8] Systemair AB: Air Handling Units. Dostopno na:https://www.systemair.com/globalassets/downloads/leaflets-and-catalogues/english/e8244_ahu_catalogue_2014.pdf : ogled 10.7.2016
