Jednotka pro zpětné získávání tepla ve vzduchotechnice pro arktické podmínky

V chladných arktických podmínkách je velmi obtížné použití tradičních systémů mechanické ventilace vzhledem k dlouho trvající zimě a teplotám hluboko pod bodem mrazu s extrémy kolem -45 °C. Energie potřebná pro ohřev studeného vzduchu u systémů bez zpětného získávání tepla (ZZT) je enormně vysoká vzhledem k velkému počtu denostupňů. V případě vhánění chladného venkovního vzduchu přímo do místnosti vznikají problémy s nerovnoměrností teplotního pole, pro obyvatele takovýchto objektů znamená značný diskomfort. Z tohoto důvodu jsou přívody čerstvého vzduchu uživateli často ucpávány, což způsobuje zhoršení kvality vnitřního prostředí a zvyšuje riziko vzniku plísní a dalších problémů spojených s vysokou vlhkostí v místnostech.
Při použití výměníků pro ZZT v teplotách pod bodem mrazu hrozí zamrzání kondenzátu a postupné zablokování výměníku na straně odpadního vzduchu a tím odstavení celého systému ventilace. V současnosti se jako protimrazová ochrana používá předehřev přívodního vzduchu. Toto řešení však spotřebuje velké množství energie a snižuje potenciál výměníku ZZT. Druhou používanou variantou je by-pass přívodního vzduchu, kdy částečně zamrzlým výměníkem přestane proudit chladný vzduch, takže teplý odpadní vzduch výměník postupně rozmrazí. Během rozmrazování je však třeba ohřívat nepředehřátý přívodní vzduch, což snižuje celkovou účinnost výměníku.
Tento článek se zabývá konstrukcí a chováním prototypu výměníku pro ZZT, určeného pro arktické podmínky, vybaveného funkcí průběžného rozmrazování bez použití přídavné energie. Výměník byl vyvinut na Technical University of Denmark a již pátým rokem je umístěn a testován v experimentálním nízkoenergetickém domě v městě Sisimiut v Grónsku.

¤ Nízkoenergetický dům - Sisimiut, Grónsko, noční pohled

Konstrukce výměníku

Výměník tvoří dva protiproudé deskové výměníky Klingenburg GS 45/300 zapojené do série. Pořadí výměníků je možné měnit pomocí mechanické klapky tak, že výměník, který byl na chladnější straně a v němž se mohl tvořit led, je nyní na straně teplejší, a je tudíž rozmrazován proudem teplého odpadního vzduchu (viz schéma na obr. 1).

¤ Obr. 1. Schéma pozic výměníku

Jednotlivé polohy klapky jsou patrné z obr. 2. Mechanická klapka je ovládána časovým spínačem.

¤ Obr. 2. Jednotlivé polohy klapky

Skříň výměníku je izolována tepelnou izolací šířky 50 mm z pěnového skla. Výměník měl být původně umístěn na vytápěné půdě, ta však z ekonomických důvodů vytápěna není. Proto byl kolem výměníku vybudován dřevěný box izolovaný vrstvou kamenné vlny o šířce 100 mm. Výrobcem udávaná teplotní účinnost při sériovém zapojení dvou výměníků a průtoku vzduchu 200 m³/h je 96 %.
Dopravu vzduchu zajišťují dva samostatně stojící ventilátory Exhausto BESB 250. Rovněž teplovodní ohřívač pro dohřev vzduchu je umístěn zvlášť.

Funkce výměníku

Výměník byl detailně zkoumán v období od března do května 2010. Teploty na všech čtyřech napojeních do výměníku a teplotní účinnost během nejchladnějšího období jsou uvedeny na obr. 3.

¤ Obr. 3. Průběh teplot ve všech čtyřech napojeních na výměník (24.-26.3.2010)

Na obr. 3 je možné vidět, že teplota předehřátého přívodního vzduchu téměř neklesne pod 15 °C. Vzduch by tudíž mohl být bez dalšího dohřevu vháněn rovnou do místnosti, aniž by se riskoval enormní diskomfort způsobený nerovnoměrností teplotního pole. I přesto je v případě nízkoenergetického domu v Sisimiutu dohříván na pokojovou teplotu, aby průvan nevznikal vůbec. V grafu je rovněž možné vidět pokles a opětovný nárůst účinnosti způsobený změnou pořadí výměníků (v době testu byl časovač klapky nastaven na t = 2,4 h, tj. 20 změn v období 48 hodin). Po celou dobu testování nebyl zaznamenán žádný kondenzát opouštějící výměník. Průměrná teplotní účinnost výměníku během testování byla 68 %, což je podstatně méně, než udává výrobce. Tento pokles může být způsoben netěsnostmi mechanické klapky výměníku, čímž dochází k by-passu části vzduchu kolem deskových výměníků. Rovněž samotná změna pořadí výměníků snižuje účinnost. Je tedy žádoucí, aby funkce klapky byla aktivní pouze v případě reálné hrozby zamrzání výměníku a nikoli celoročně, jak je tomu doposud.
Během nejnižších venkovních teplot (t < -10 °C) je možné zpozorovat pokles průměrné účinnosti, který je způsoben tvorbou ledu. Ten následně blokuje vzduchové kanálky výměníku. To potvrzuje i nárůst tlakové ztráty výměníku v tomto období, viz obr. 4.

¤ Obr. 4. Tlaková ztráta výměníku a průtok odpadního vzduchu (24.-26.3.2010)

Zvýšení tlakové ztráty může mít částečně na svědomí zvýšení průtoku vzduchu, (to však nastalo i v dřívějších periodách a nárůst tlakové ztráty byl minimální). Primárně je tedy nárůst tlakové ztráty přisuzován akumulaci ledu uvnitř výměníku.
Pro přesnější představu o tom, jestli a kolik vody zůstává ve výměníku, ať už v tekuté či pevné formě, byl proveden výpočet rozdílů absolutních vlhkostí odpadního vzduchu před a za výměníkem. Rozdíly v průběhu času je možné vidět na obr. 5, kde záporné hodnoty značí akumulaci vlhkosti ve výměníku a kladné hodnoty pak značí odtah dříve nahromaděné vlhkosti odpadním vzduchem.

¤ Obr. 5. Rozdíl absolutních vlhkostí odpadního vzduchu před vstupem a po výstupu z výměníku (24.-26.3.2010) Φ_výstup - Φ_vstup

Z předchozího grafu a vzhledem k faktu, že nebyl změřen žádný kondenzát vytékající z výměníku, je zřejmé, že ve výměníku dochází k akumulaci vlhkosti. Funkce výměníku však nebyla po celou dobu ohrožena a výměník byl schopen pracovat nepřetržitě. Předpokládá se tedy, že rozmrazovací funkce je schopna udržovat eventuální námrazu na takové úrovni, aby nezablokovala celý výměník. Voda nahromaděná ve výměníku během chladných period se v průběhu období s vyššími teplotami odpaří do odpadního vzduchu, čemuž nasvědčuje fakt, že v nádobě na měření objemu kondenzátu umístěné na potrubí z výměníku nebyl během celého testování pozorován žádný kondenzát.

¤ Jednotka pro zpětné získávání tepla

Závěr

Během testování bylo ověřeno, že vyvinutý prototyp jednotky pro ZZT vybavený unikátní rozmrazovací funkcí je schopen nepřetržitého provozu i v teplotách pod -10 °C. Pro zvýšení jeho účinnosti se doporučuje změnit strategii pro kontrolu klapky tak, aby rozmrazovací funkce byla aktivní pouze v případě reálného nebezpečí tvorby ledu (tzn. při teplotách pod bodem mrazu). Rovněž je žádoucí, aby byla prověřena těsnost mechanické klapky, která může zásadním způsobem ovlivňovat účinnost celého výměníku.