Zpětné získávání tepla (ZZT): účinnost a úspora

Zpětné získávání tepla (ZZT) je přenos tepelné energie z odváděného vzduchu na vzduch přiváděný pomocí tepelného výměníku. Teplotní účinnost se vypočítá: $\eta_T = \dfrac{t_2 - t_1}{t_{ex} - t_1}$, kde $t_1$ je teplota přiváděného vzduchu před výměníkem, $t_2$ za výměníkem a $t_{ex}$ teplota odváděného vzduchu.

Kdy je ZZT povinné (legislativa)

Dle vyhlášky č. 264/2020 Sb. (o energetické náročnosti budov) musí být u nucené výměny vzduchu s intenzitou $n>1{,}0\ \text{h}^{-1}$ (resp. $n>2\ \text{m}^3/(\text{m}^3\cdot\text{h})$ po dobu nejméně 8 h denně) osazeno zařízení ZZT s ověřenou celkovou účinností minimálně 60 %. Konkrétní typové hodnoty a výpočtové postupy dále upřesňují ČSN 73 0331-1 (dříve TNI 73 0331) a ČSN EN 16798-3.

Ecodesign: minimální účinnost ZZT ve VZT jednotce

Vyhláška č. 264/2020 Sb. se týká budovy. Na výrobek míří nařízení Komise (EU) č. 1253/2014, které provádí směrnici 2009/125/ES o ekodesignu a platí pro větrací jednotky s elektrickým příkonem od 30 W. Jednotku, která požadavky nesplní, nelze v EU uvést na trh – ať už ji projektant zvolí kdekoli.

Pro nebytové obousměrné jednotky se ZZT (NRVU) stanoví minimální teplotní účinnost zpětného získávání tepla:

Platí od	Ostatní systémy ZZT (deskový, rotační…)	Kapalinový okruh (glykol/voda)
1. 1. 2016	67 %	63 %
1. 1. 2018 (aktuální)	73 %	68 %

• Systém ZZT musí mít tepelný bypass.
• Účinnost se podle přílohy IX nařízení stanovuje za referenčních podmínek a jde o suchou teplotní účinnost (bez kondenzace, při stejných hmotnostních průtocích obou proudů). Entalpická účinnost rotoru se do požadavku nezapočítává a katalogová hodnota ze zimních podmínek s kondenzací proto není srovnatelná.
• Ekodesign navíc omezuje měrný příkon ventilátorů (SFP), takže vyšší účinnost nelze „koupit“ libovolně velkým tlakovým spádem výměníku.

V praxi tak ecodesign určuje spodní hranici u každé dodané jednotky (73 %), kdežto vyhláška 264/2020 Sb. (60 %) rozhoduje o tom, zda ZZT v budově vůbec musí být. Pro dimenzování a energetický výpočet se použije vždy skutečná účinnost zvolené jednotky, nikoli zákonné minimum – mezi 73 % a 85 % se roční úspora z příkladu níže liší zhruba o 15 MWh.

Typy ZZT výměníků

Deskový rekuperátor (křížový nebo protiproudý)

Proudy vzduchu jsou odděleny kovovými nebo plastovými deskami - neprobíhá přenos vlhkosti, pouze citelného tepla.

• Teplotní účinnost: křížové uspořádání cca 50–70 %, protiproudé cca 80–93 %
• Výhody: nízká cena, jednoduchá údržba, žádný přenos zápachu
• Nevýhody: nutný bypass pro rozmrazování při t < −5 °C (přiváděný vzduch), kondenzát na straně odpadního vzduchu

Rotační entalpický výměník

Rotor ze sorpčního materiálu se otáčí (5–10 ot/min) mezi přiváděcím a odváděcím proudem - přenáší teplo i vlhkost.

• Celková (entalpická) účinnost: 75–85 %
• Výhody: přenos vlhkosti snižuje potřebu zvlhčování v zimě
• Nevýhody: přenos zápachu (max. 5 %) nutno zvažovat, vyšší cena; rozmrazování méně problematické

Glykol/voda okruh

Dva výměníky spojené potrubím s glykolovým okruhem - vzduchové proudy nejsou v kontaktu.

• Účinnost: 40–60 %
• Výhody: oddělení proudů (zápachy, hygienicky citlivé provozy)
• Nevýhody: nižší účinnost, pumpa

Výpočet ZZT

Teplotní účinnost (sensible)

$$\eta_T = \frac{t_2 - t_1}{t_{ex,1} - t_1}$$

Příklad (zima):

• $t_1 = -12$ °C (venkovní vzduch)
• $t_{ex,1} = +22$ °C (odváděný vzduch z místnosti)
• $\eta_T = 75\ \%$

$$t_2 = t_1 + \eta_T \cdot (t_{ex,1} - t_1) = -12 + 0{,}75 \cdot (22 - (-12)) = -12 + 25{,}5 = +13{,}5\ ^{\circ}\text{C}$$

Vzduch na vstupu do ohřívače je 13,5 °C místo −12 °C.

Úspora tepelného výkonu

$$\Delta \Phi = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot (t_2 - t_1) = \dot{m} \cdot 1{,}006 \cdot 25{,}5$$

Příklad: $\dot{m} = 2$ kg/s → $\Delta \Phi = 2 \cdot 1{,}006 \cdot 25{,}5 =$ 51,3 kW. O tolik je ohřívač odlehčen v nejchladnějším dni roku – je to číslo pro dimenzování, ne pro roční bilanci.

Roční úspora energie

Roční úsporu nelze získat vynásobením tohoto výpočtového výkonu počtem provozních hodin: výpočtový stav odpovídá nejchladnějšímu dni roku, kdežto po zbytek topného období je rozdíl teplot mnohem menší. Výpočet musí vycházet z průměrné venkovní teploty v topném období $\bar{t}_1$:

$$E_{\text{roční}} = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot \eta_T \cdot (t_{ex,1} - \bar{t}_1) \cdot \tau_{\text{topení}} \quad \text{[kWh]}$$

kde $\tau_{\text{topení}}$ = roční počet hodin provozu v topném období (typicky 3 000–4 500 h/rok v ČR).

Příklad: pro Prahu (Karlov) uvádí ČSN 38 3350 průměrnou venkovní teplotu otopného období 4,3 °C při jeho délce 225 dní (hranice vytápění 13 °C). Pro $\tau_{\text{topení}} = 3500$ h:

$$E_{\text{roční}} = 2 \cdot 1{,}006 \cdot 0{,}75 \cdot (22 - 4{,}3) \cdot 3500 \approx 93\,500\ \text{kWh} \approx \mathbf{93{,}5}\ \textbf{MWh/rok}$$

Naivní násobení (51,3 kW × 3 500 h ≈ 180 MWh) by úsporu téměř zdvojnásobilo. I tak je výsledek pro budovu provozovanou jen přes den mírně optimistický: průměr 4,3 °C zahrnuje i noci a v pracovní době je venku tepleji.

ZZT v Mollierově diagramu

Deskový rekuperátor (bez přenosu vlhkosti)

Přiváděný vzduch: posun svisle nahoru (konstantní $x$) od bodu 1 (venkovní vzduch) směrem k teplotě odváděného vzduchu.

Odváděný vzduch: posun svisle dolů - možná kondenzace na lamelách pod rosným bodem odváděného vzduchu. Oba posuny se dají ověřit tužkou na prázdném listu k tisku — u ZZT je nejrychlejší kontrola právě ta grafická, protože nesmyslný sklon čáry je vidět dřív než chyba v tabulce.

Rotační výměník (s přenosem vlhkosti)

Přiváděný vzduch: posun diagonálně - roste $t$ i $x$ (přidává se vlhkost z odváděného vzduchu).

Kondenzace v ZZT a rozmrazování

V zimě kondenzuje vlhkost z odváděného vzduchu na studených lamelách - je nutný odtok kondenzátu (sifon, odvod do kanalizace).

Při venkovní teplotě pod přibližně −5 °C (závisí na stavu odváděného vzduchu) hrozí namrzání kondenzátu na lamelách. Řešení:

1. Bypass venkovního vzduchu - část studeného venkovního (přiváděného) vzduchu obteče výměník, odváděný vzduch se tak méně ochladí a teplota lamel stoupne
2. Elektrický předehřev přiváděného vzduchu - předehřev před rekuperátorem
3. Rotační výměník - přirozeně odolnější díky rotaci (rozmrazování mechanické)

Praktické doporučení pro výběr

Aplikace	Doporučení
Rodinný dům, bytová jednotka	Protiproudý deskový (η > 85 %)
Kancelář, škola, hotel	Deskový nebo rotační
Restaurace (zápachy)	Glykol okruh nebo deskový se vzduchovou mezerou
Velká výrobní hala	Rotační (velké průtoky, výrazná vlhkostní bilance)
Nemocnice, čistý provoz	Deskový (žádný přenos mezi vzduchy)

Normy a předpisy

• ČSN EN 16798-3 - teplovzdušné systémy, požadavky na ZZT
• ČSN 73 0331-1 (dříve TNI 73 0331) - energetická náročnost budov: typické hodnoty pro výpočet
• Nařízení Komise (EU) č. 1253/2014 (ekodesign větracích jednotek) - minimální teplotní účinnost ZZT 73 % (kapalinový okruh 68 %) a tepelný bypass
• EN 308 - tepelné výměníky, metody zkoušení výkonu
• VDI 3803 - větrání a klimatizace, základní požadavky