Rekuperácia tepla: výpočet účinnosti a úspor

Spätné získavanie tepla (SZT) je prenos tepelnej energie z odvádzaného vzduchu na privádzaný vzduch pomocou tepelného výmenníka. Teplotná účinnosť sa vypočíta: $\eta_T = \dfrac{t_2 - t_1}{t_{ex} - t_1}$, kde $t_1$ je teplota privádzaného vzduchu pred výmenníkom, $t_2$ za výmenníkom a $t_{ex}$ teplota odvádzaného vzduchu.

Kedy sa SZT vyžaduje (legislatíva)

Na Slovensku vyplýva požiadavka na spätné získavanie tepla z energetických parametrov budovy. Podľa vyhlášky č. 364/2012 Z. z. (ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov) sa pri budovách s veľmi nízkou potrebou energie – najmä pri budovách s takmer nulovou potrebou energie (trieda A0) – vyžaduje spätné získavanie tepla z odpadového vzduchu s účinnosťou najmenej 60 %. Konkrétne výpočtové postupy upresňuje STN EN 16798-3.

Ekodizajn: minimálna účinnosť SZT vo VZT jednotke

Vyhláška č. 364/2012 Z. z. sa týka budovy. Na výrobok sa vzťahuje nariadenie Komisie (EÚ) č. 1253/2014, ktoré vykonáva smernicu 2009/125/ES o ekodizajne a platí pre vetracie jednotky s elektrickým príkonom od 30 W. Jednotku, ktorá požiadavky nesplní, nemožno v EÚ uviesť na trh – nech ju projektant zvolí kdekoľvek.

Pre nebytové obojsmerné jednotky so SZT (NRVU) sa ustanovuje minimálna teplotná účinnosť spätného získavania tepla:

Platí od	Ostatné systémy SZT (doskový, rotačný…)	Kvapalinový okruh (glykol/voda)
1. 1. 2016	67 %	63 %
1. 1. 2018 (aktuálne)	73 %	68 %

• Systém SZT musí mať tepelný bypass.
• Účinnosť sa podľa prílohy IX nariadenia určuje za referenčných podmienok a ide o suchú teplotnú účinnosť (bez kondenzácie, pri rovnakých hmotnostných prietokoch oboch prúdov). Entalpickú účinnosť rotora do požiadavky nemožno započítať, a preto katalógová hodnota zo zimných podmienok s kondenzáciou nie je porovnateľná.
• Ekodizajn navyše obmedzuje merný príkon ventilátorov (SFP), takže vyššiu účinnosť nemožno „kúpiť“ ľubovoľne veľkým tlakovým spádom výmenníka.

V praxi tak ekodizajn určuje spodnú hranicu pri každej dodanej jednotke (73 %), kým vyhláška (60 %) rozhoduje o tom, či SZT v budove vôbec musí byť. Na dimenzovanie a energetický výpočet sa použije vždy skutočná účinnosť zvolenej jednotky, nie zákonné minimum – medzi 73 % a 85 % sa ročná úspora z nižšie uvedeného príkladu líši približne o 15 MWh.

Typy výmenníkov SZT

Doskový rekuperátor (krížový alebo protiprúdový)

Prúdy vzduchu sú oddelené kovovými alebo plastovými doskami – neprebieha prenos vlhkosti, len citeľného tepla.

• Teplotná účinnosť: krížové usporiadanie cca 50–70 %, protiprúdové cca 80–93 %
• Výhody: nízka cena, jednoduchá údržba, žiadny prenos zápachu
• Nevýhody: nutný bypass na rozmrazovanie pri t < −5 °C (privádzaný vzduch), kondenzát na strane odpadného vzduchu

Rotačný entalpický výmenník

Rotor zo sorpčného materiálu sa otáča (5–10 ot/min) medzi prívodným a odvodným prúdom – prenáša teplo aj vlhkosť.

• Celková (entalpická) účinnosť: 75–85 %
• Výhody: prenos vlhkosti znižuje potrebu zvlhčovania v zime
• Nevýhody: prenos zápachu (max. 5 %) nutné zvažovať, vyššia cena; rozmrazovanie menej problematické

Glykolový/vodný okruh

Dva výmenníky spojené potrubím s glykolovým okruhom – vzduchové prúdy nie sú v kontakte.

• Účinnosť: 40–60 %
• Výhody: oddelenie prúdov (zápachy, hygienicky citlivé prevádzky)
• Nevýhody: nižšia účinnosť, čerpadlo

Výpočet SZT

Teplotná účinnosť (sensible)

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

Príklad (zima):

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

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

Vzduch na vstupe do ohrievača je 13,5 °C namiesto −12 °C.

Úspora tepelného výkonu

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

Príklad: $\dot{m} = 2$ kg/s → $\Delta \Phi = 2 \cdot 1{,}006 \cdot 25{,}5 =$ 51,3 kW. O toľko je ohrievač odľahčený v najchladnejšom dni roka – je to číslo na dimenzovanie, nie na ročnú bilanciu.

Ročná úspora energie

Ročnú úsporu nemožno získať vynásobením tohto výpočtového výkonu počtom prevádzkových hodín: výpočtový stav zodpovedá najchladnejšiemu dňu roka, kým po zvyšok vykurovacieho obdobia je rozdiel teplôt oveľa menší. Výpočet musí vychádzať z priemernej vonkajšej teploty vykurovacieho obdobia $\bar{t}_1$:

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

kde $\tau_{\text{vykur}}$ = ročný počet hodín prevádzky vo vykurovacom období (typicky 3 000–4 500 h/rok).

Príklad: STN 73 0540-3 uvádza pre normalizované hodnotenie budov na Slovensku priemernú vonkajšiu teplotu vykurovacieho obdobia 3,86 °C pri jeho dĺžke 212 dní. Pre $\tau_{\text{vykur}} = 3500$ h:

$$E_{\text{ročná}} = 2 \cdot 1{,}006 \cdot 0{,}75 \cdot (22 - 3{,}86) \cdot 3500 \approx 95\,800\ \text{kWh} \approx \mathbf{95{,}8}\ \textbf{MWh/rok}$$

Naivné násobenie (51,3 kW × 3 500 h ≈ 180 MWh) by úsporu takmer zdvojnásobilo. Aj tak je výsledok pre budovu prevádzkovanú len cez deň mierne optimistický: priemer 3,86 °C zahŕňa aj noci a v pracovnom čase je vonku teplejšie.

SZT v Mollierovom diagrame

Doskový rekuperátor (bez prenosu vlhkosti)

Privádzaný vzduch: posun zvislo nahor (konštantné $x$) od bodu 1 (vonkajší vzduch) smerom k teplote odvádzaného vzduchu.

Odvádzaný vzduch: posun zvislo dole – možná kondenzácia na lamelách pod rosným bodom odvádzaného vzduchu. Oba posuny sa dajú overiť ceruzkou na prázdnom liste na tlač – pri ZZT je najrýchlejšia kontrola práve tá grafická, pretože nezmyselný sklon čiary je vidieť skôr než chyba v tabuľke.

Rotačný výmenník (s prenosom vlhkosti)

Privádzaný vzduch: posun diagonálne – rastie $t$ aj $x$ (pridáva sa vlhkosť z odvádzaného vzduchu).

Kondenzácia v SZT a rozmrazovanie

V zime kondenzuje vlhkosť z odvádzaného vzduchu na studených lamelách – je nutný odtok kondenzátu (sifón, odvod do kanalizácie).

Pri vonkajšej teplote pod približne −5 °C (závisí od stavu odvádzaného vzduchu) hrozí namŕzanie kondenzátu na lamelách. Riešenie:

1. Bypass vonkajšieho vzduchu – časť studeného vonkajšieho (privádzaného) vzduchu obtečie výmenník, odvádzaný vzduch sa tak menej ochladí a teplota lamiel stúpne
2. Elektrický predohrev privádzaného vzduchu – predohrev pred rekuperátorom
3. Rotačný výmenník – prirodzene odolnejší vďaka rotácii (rozmrazovanie mechanické)

Praktické odporúčanie pre výber

Aplikácia	Odporúčanie
Rodinný dom, bytová jednotka	Protiprúdový doskový (η > 85 %)
Kancelária, škola, hotel	Doskový alebo rotačný
Reštaurácia (zápachy)	Glykolový okruh alebo doskový so vzduchovou medzerou
Veľká výrobná hala	Rotačný (veľké prietoky, výrazná vlhkostná bilancia)
Nemocnica, čistá prevádzka	Doskový (žiadny prenos medzi vzduchmi)

Normy a predpisy

• STN EN 16798-3 – teplovzdušné systémy, požiadavky na SZT
• vyhláška č. 364/2012 Z. z. – energetická hospodárnosť budov: výpočet a minimálna účinnosť SZT
• Nariadenie Komisie (EÚ) č. 1253/2014 (ekodizajn vetracích jednotiek) – minimálna teplotná účinnosť SZT 73 % (kvapalinový okruh 68 %) a tepelný bypass
• EN 308 – tepelné výmenníky, metódy skúšania výkonu
• VDI 3803 – vetranie a klimatizácia, základné požiadavky