Spätné získavanie tepla (rekuperácia): výpočet účinnosti, úspor a stavu vzduchu

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.

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

Ročná úspora energie

$$E_{\text{ročná}} = \frac{\Delta \Phi \cdot \tau_{\text{vykur}}}{1000} \quad \text{[MWh]}$$

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

Príklad: $E_{\text{ročná}} = \dfrac{51{,}3 \cdot 3500}{1000} =$ 179,6 MWh/rok

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 odvádzaného vzduchu – časť odvádzaného vzduchu sa presmeruje okolo výmenníka, zvýši teplotu lamiel
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
• EN 308 – tepelné výmenníky, metódy skúšania výkonu
• VDI 3803 – vetranie a klimatizácia, základné požiadavky