Jak wspomniałem we wcześniejszych wpisach, jedną z podstawowych funkcji sterownika centrali jest zabezpieczenie rekuperatora przed zamarznięciem. Niestety, niezależnie od tego, czy funkcja ta realizowana jest za pomocą dodatkowej nagrzewnicy, czy przepustnicy obejściowej (by-pass’u), wiąże się to bądź z koniecznością dostarczenia dodatkowej energii, bądź obniżenia sumarycznej sprawności odzysku. W tym wpisie przedstawię obliczenia, pokazujące jak zastosowanie przepustnicy obejściowej wpływa sprawność odzysku ciepła.

Struktura układu sterowania

Rozważania oprzemy na układzie, którego strukturę pokazałem na rysunku poniżej. Jak widzimy na schemacie, w miejscu, gdzie skropliny mogą zamarzać (wylot wywiewu) umieszczamy czujnik temperatury. Układ zabezpieczenia rekuperatora działa w ten sposób, że regulator steruje przepustnicą obejściową wymiennika tak, aby uzyskana temperatura za rekuperatorem po stronie wywiewu nie była niższa od ustalonej wartości TR, którą zwykle przyjmuje się w zakresie 0,5..5°C. Dzięki przepuszczeniu części powietrza nawiewanego (zimnego) poza wymiennikiem, powietrze ciepłe (wywiewane) ogrzewa rekuperator nie dopuszczając do jego zamarznięcia.

Wpływ stopnia otwarcia przepustnicy obejściowej na temperaturę za rekuperatorem po stronie wywiewu

Aby pokazać, jak warunki zamarzania rekuperatora zależą od jego parametrów, przeprowadziłem symulację pracy dwóch wymienników produkcji firmy Heatex: L0200/1.5/A200 oraz L0200/3.0/A200. Dla zrównoważonych strumieni powietrza w przedstawionych warunkach wymienniki uzyskują odpowiednio sprawności odzysku: 86% i 72%. Pierwsza z przeprowadzonych symulacji polegała na sprawdzeniu, jak temperatura na wylocie wywiewu zależy od stopnia otwarcia przepustnicy obejściowej. W obu przypadkach założyłem następujące parametry powietrza: 20°C/40% (na wlocie wywiewu) oraz -15°C/90% (na wlocie nawiewu) oraz strumień powietrza wywiewanego 100m3/h. Jak widzimy na rysunku, jeśli chcemy uzyskać za wymiennikiem temperaturę powietrza powyżej zera, by-pass rekuperatora o większej sprawności musi być otwarty na około 50%, podczas gdy dla jego konkurenta wystarczy jedynie 33%.

Zależność temperatury za rekuperatorem po stronie wywiewu od stopnia otwarcia przepustnicy obejściowej. Wyniki pochodzą z programu doboru producenta: http://heatexselect.heatex.com

Wpływ temperatury powietrza zewnętrznego na temperaturę powietrza za wymiennikiem po stronie wywiewu

Kolejny test polegał na sprawdzeniu, kiedy załączy się zabezpieczenie. Obliczenia wykonano dla tych samych wymienników ciepła co poprzednio, przy założeniu stałych parametrów powietrza na wlocie wywiewu (20°C/40%) oraz równych strumieni nawiewnego i wywiewnego (100m3/h).
Z przedstawionego wykresu wynika, że dla wymiennika o większej sprawności zabezpieczenie załączy się już przy temperaturze zewnętrznej około -4°C, podczas gdy dla wymiennika o mniejszej sprawności dopiero przy temperaturze -10°C. Jest to zgodne z naszymi poprzednimi rozważaniami: im większa sprawność odzysku ciepła – tym bardziej schładzane jest powietrze wywiewane z pomieszczenia.

Zależność temperatury za rekuperatorem po stronie wywiewu od temperatury powietrza przed rekuperatorem po stronie nawiewu. Wyniki pochodzą z programu doboru producenta: http://heatexselect.heatex.com

Rzeczywista sprawność odzysku ciepła z uwzględnieniem działania automatyki zabezpieczającej

Z przedstawionego wcześniej wykresu wynika, że dla powietrza o parametrach -15°C/90% na wlocie nawiewu, około 50% powietrza musi być przepuszczone przez przepustnicę obejściową wymiennika L0200/1.5/A200. Takie otwarcie przepustnicy bypassu powoduje, że po wymieszaniu strumieni powietrza nawiewanego za wymiennikiem uzyskamy temperaturę  około 2,4°C. W przypadku braku zabezpieczenia, zgodnie z programem doboru producenta, uzyskalibyśmy temperaturę 15,2°C. Podobna analiza przeprowadzona dla temperatury powietrza zewnętrznego -10°C prowadzi do wyników: bypass 37%, temperatura powietrza nawiewanego za wymiennikiem po zmieszaniu 8,3°C, temperatura nawiewu bez zastosowania bypassu: 15,6°C. Z prostych obliczeń wynika, że rzeczywista temperaturowa sprawność odzysku ciepła w stosunku do układu bez zabezpieczenia spadła w pierwszym przypadku z 86,3% (odzyskiwana moc 1kW) do 49,7% (odzyskiwana moc 0,58kW) a w drugim przypadku z 85,3% (0,86kW) do 61% (0,61kW).

Jak widzimy, wtedy gdy chcielibyśmy odzyskiwać jak najwięcej energii (a więc przy najniższych temperaturach zewnętrznych) załącza się zabezpieczenie przeciwzamrożeniowe wymiennika. Co gorsza, im lepszy wymiennik (wyższa sprawność odzysku ciepła), tym szybciej (dla wyższej temperatury zewnętrznej) zabezpieczenie zadziała. Widzimy również, że rzeczywista sprawność odzysku ciepła znacząco spada dla niskich temperatur, powodując, że powietrze wywiewane przekaże do strumienia nawiewnego znacznie mniej energii niż się spodziewamy.

Wprawdzie przedstawiona analiza dotyczy jednej ze struktur układu sterowania, ale wyciągnięte wnioski będą poprawne również dla innych układów zabezpieczeń przeciwzamrożeniowych rekuperatora wpływających na rzeczywistą sprawność odzysku ciepła. Krótki artykuł o zastosowaniu dodatkowej nagrzewnicy elektrycznej w centrali rekuperacyjnej i jej wpływie na sprawność odzysku ciepła umieściłem na zaprzyjaźnionym portalu: portalinstalacyjny.pl.

Jaki jest rzeczywisty całoroczny zysk z zastosowania rekuperacji?

Na to pytanie powinien odpowiedzieć producent centrali. Powinien on przedstawić klientowi zestawienie rzeczywistych sprawności całego układu z uwzględnieniem zastosowanej metody zabezpieczenia wymiennika dla pełnego zakresu temperatur zewnętrznych. Zestawienie takie, oprócz informacji o sprawności układu, powinno zawierać również dane dotyczące rocznych kosztów eksploatacji związanych z poborem energii elektrycznej przez centralę dla punktu pracy określonego przez projektanta naszej wentylacji. Większość renomowanych producentów central rekuperacyjnych dysponuje tzw. programami doboru urządzeń, przy pomocy których wykonanie takiej analizy jest stosunkowo proste. Przedstawione przez producenta dane mogą być podstawą decyzji o opłacalności (lub jej braku) budowy gruntowego wymiennika ciepła.