Vetrací systém s entalpickým výmenníkom

Aký je jeho vplyv na interiérovú mikroklímu? Použitím entalpického výmenníka ako súčasti rekuperačnej vetracej jednotky možno znížiť riziko veľmi nízkej vlhkosti vzduchu v interiéri počas zimných mesiacov. Na monitorovanom dome v Rotterdame sa ukázalo, že rekuperáciou entalpie bolo v porovnaní s výlučnou rekuperáciou tepla možné zvýšiť relatívnu vlhkosť vnútorného vzduchu až o 10 %.

Interiérovú mikroklímu v obytných budovách ovplyvňujú ľudia, ktorí v nich žijú. V dôsledku prítomnosti a aktivít osôb (ako sú napríklad varenie či sprchovanie) a prítomnosti rastlín narastá vzdušná vlhkosť, takže úlohou vetracieho systému je takisto znižovať vysokú vlhkosť vzduchu v interiéri. Vnútorný vzduch sa v zime nahrádza studeným vonkajším vzduchom, ktorý obsahuje spravidla menej vlhkosti než interiérový vzduch.

V zime sa však môže vlhkostná mikroklíma dostať do nerovnováhy (napríklad silným vetraním pri veľmi nízkej relatívnej vlhkosti vonkajšieho vzduchu) tým, že vlhkosť vzduchu v obytných miestnostiach výrazne poklesne. Relatívna vlhkosť vzduchu v interiéri nižšia ako 30 % môže viesť k vysušovaniu dýchacieho ústrojenstva, čo  môže negatívne ovplyvňovať zdravotný stav obyvateľov, zároveň môže nepriaznivo ovplyvňovať aj stavebné konštrukcie (drevené podlahy môžu napríklad zosychať), nábytok či koberce.

Obr. 1 Pomocou entalpického výmenníka, ktorý sa voliteľne dodáva napríklad pri vetracích jednotkách výrobcov Zehnder a Paul, sa v budove optimalizuje relatívna vlhkosť vzduchu, čo je ideálna ochrana proti príliš suchému vzduchu v zime. Získaná vlhkosť z odvádzaného vzduchu sa odovzdáva cez špeciálne polymérické membrány privádzanému čerstvému vzduchu, a to bez prenosu pachov a mikróbov. Takisto počas ‚parného‛ leta vytvára entalpický výmenník príjemnejšiu klímu, keď, naopak, zabraňuje prívodu príliš vlhkého a teplého vzduchu zvonku.

Použitím entalpického výmenníka ako súčasti rekuperačnej vetracej jednotky možno znížiť riziko veľmi nízkej vlhkosti vzduchu v interiéri počas zimných mesiacov. Zatiaľ čo bežné ve­tracie systémy s rekuperáciou tepla získavajú energiu späť len vo forme tepla, rekuperačné vetracie jednotky s entalpickým výmenníkom získavajú späť nielen teplo, ale aj vlhkosť. Účinok vetracích jednotiek s entalpickými výmenníkmi je zrejmý predovšetkým v domoch s veľmi nízkou vzdušnou infiltráciou a s vnútornými zdrojmi vlhkosti (varenie, sprchovanie, zalievanie rastlín). Bez týchto zdrojov vlhkosti nie je možná žiadna rekuperácia vlhkosti – potom nie je rozdiel v tom, či sa používa vetrací systém s entalpickým výmenníkom alebo len s bežným výmenníkom tepla.

Koncept monitorovania

V rodinnom dome (obr. 2) v Rotterdame je inštalovaný systém riadeného vetrania s rekuperáciou. Rozvody vzduchu tvorí pružné potrubie s kruhovým prierezom, ktoré vedie z centrálnych rozdeľovačov lúčovito do jednotlivých miestností v dome. Prevádzka rekuperačnej vetracej jednotky (Zehnder ComfoAir 350) sa reguluje najmä pomocou snímača CO2, ktorý je osadený v obývacej izbe. Štandardné množstvo vetracieho vzduchu je nastavené na 210 m³/h a automaticky sa zvyšuje, ak stúpne koncentrácia CO2 v obývacej izbe či relatívna vlhkosť v kúpeľni, v ktorej je inštalovaný vlhkostný snímač.

V zime 2012 bola rekuperačná vetracia jednotka striedavo vybavená bežným krížovým protiprúdovým výmenníkom tepla a entalpickým výmenníkom. Žiaľ, zima bola veľmi krátka, takže počas dvojtýždňového obdobia poklesli teploty pod 0 °C len raz. Počas tejto chladnej fázy bol nasadený práve bežný výmenník tepla, po inštalácii entalpického výmenníka však už nenastali žiadne veľmi nízke vonkajšie teploty.

Obr. 2 Monitorovaný dom v Rotterdame

Aby sa porovnala interiérová mikroklíma pri podobných vonkajších podmienkach, porovnali sa dve obdobia v dĺžke 8 dní. V týchto dňoch panovali podobné vonkajšie podmienky s teplotami medzi 5 a 10 °C a absolútnou vlhkosťou vzduchu medzi 4 a 6 g/kg. Teplota vzduchu a jeho vlhkosť sa monitorovali pri každom zo 4 prúdov vzduchu: pri vonkajšom vzduchu, vzduchu privádzanom do interiéru, vzduchu odvádzanom z interiéru a pri odvetrávanom vzduchu z objektu.

Rekuperácia s entalpiou

Entalpia je komplexný pojem. Entalpia vlhkého vzduchu sa skladá zo súčtu takzvanej senzibilnej energie a latentnej energie. Senzibilná energia sa vzťahuje na teplotu vzduchu a latentná energia na (absolútnu) vlhkosť vzduchu – to znamená na množstvo vody v 1 kg vzduchu. Laicky sa senzibilná energia označuje ako ‚teplo‘, takže entalpia je vlastne súčtom tepla a vlhkosti.
Výmenník tepla prenáša teplo medzi dvomi prúdmi vzduchu – zimný vonkajší studený vzduch sa ohrieva odvádzaným interiérovým vzduchom. Entalpický výmenník (pozn.: neexistuje žiadny tepelný entalpický výmenník) prenáša teplo a súčasne vlhkosť medzi dvomi prúdmi vzduchu. Vďaka tomu stúpa v zime nielen teplota, ale aj vlhkosť vzduchu privádzaného do interiéru. Na obr. 3 je zobrazený vplyv výmenníka tepla a výmenníka entalpie na vlhkosť privádzaného vzduchu na základe hodinových priemerných hodnôt počas 8 dní.

Obr. 3 Vplyv rekuperácie tepla a rekuperácie entalpie na vlhkosť privádzaného vzduchu: a) rekuperácia tepla, b) rekuperácia entalpie

Horizontálna os ukazuje absolútnu vlhkosť vonkajšieho vzduchu a vertikálna os absolútnu vlhkosť privádzaného vzduchu. Zatiaľ čo rekuperácia tepla (obr. 3a) nemá vplyv na vlhkosť privádzaného vzduchu, z rekuperácie entalpie vyplýva výrazný nárast vlhkosti privádzaného vzduchu. Táto vlhkosť sa zí­skava z odvádzaného vzduchu, čiže z vlhkosti v dome. Priemerný nárast absolútnej vlhkosti v privádzanom vzduchu je približne 1 až 2 g/kg, čo pri typickom vetranom vzduchovom množstve 150 m³/h predstavuje rekuperáciu 4 až 8 litrov vody za deň.

Interiérová mikroklíma

Na obr. 4 sú v Mollierových (h-x) diagramoch znázornené hodinové hodnoty pre teplotu a vlhkosť vzduchu počas 8 dní s výmenníkom tepla (obr. 4a) a s výmenníkom entalpie (obr. 4b). Množstvo privádzaného vzduchu je zobrazené bodkami – vonkajší vzduch predstavujú zelené bodky a vzduch privádzaný do interiéru priamo za výmenníkom predstavujú červené bodky. Na obr. 4 vidieť, že teplota v dôsledku rekuperácie tepla stúpne na 20 °C, tzn. takmer na vnútornú teplotu. Rekuperácia entalpie má z pohľadu teploty rovnaký vplyv, zabezpečí však aj nárast vlhkosti – ako naznačuje čierna šípka, ktorá ukazuje šikmo doprava.

Obr. 4 Vplyv rekuperácie tepla a rekuperácie vlhkosti na privádzaný vzduch a na vzduch v interiéri: a) rekuperácia tepla, b) rekuperácia vlhkosti

Vzduch odvádzaný z interiéru je na obr. 4 znázornený žltými bodkami – je zrejmé, že vnútorná vlhkosť je pri rovnakých vonkajších podmienkach vyššia, ak sa použije výmenník entalpie (entalpický výmenník). Pri rekuperácii tepla kolíše relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu v tomto (relatívne miernom) období medzi 35 a 45 %, zatiaľ čo pri rekuperácii entalpie sa pohybuje medzi 45 a 50 %. Z toho možno vyvodiť, že relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu v zime stúpne v dôsledku použitia rekuperácie entalpie až o 10 %.

Obr. 5 Vzhľadom na inovatívnu konštrukciu s polymérickými membránami možno entalpické výmenníky Zehnder a Paul jednoducho čistiť prepláchnutím vodou,  vďaka čomu sa mnohonásobne zvyšuje životnosť vetracej jednotky bez znižovania účinnosti rekuperácie. Entalpické výmenníky zabraňujú vzniku kondenzátu a zároveň zamŕzaniu vetracích jednotiek v zimnom období, keď môžu jednotky s týmto výmenníkom efektívne pracovať až do vonkajšej teploty približne -10 °C a v kombinácii s elektrickým predohrevom až do -20 až -25 °C.

Účinnosť

Hodnoty účinnosti za obdobie 8 dní sú zhrnuté v tab. 1. Tepelná účinnosť hth sa vypočíta z teplôt T, vlhkostná účinnosť (alebo latentná účinnosť) hhum sa vypočíta z hodnôt absolútnej vlhkosti x.

Platí, že

Pri výmenníku tepla je priemerná tepelná účinnosť pri miernych vonkajších teplotách 89 %. Pri studenom vonkajšom vzduchu môže vo výmenníku tepla v spätnom prúde vzduchu dôjsť ku kondenzácii, ktorá bude spätný prúd vzduchu čiastočne blokovať. V dôsledku toho poklesne pri kondenzácii tepelná účinnosť na 70 %. A pretože výmenník tepla neprenáša žiadnu vlhkosť, vlhkostná účinnosť sa rovná nule. Pri výmenníku entalpie sa namerala priemerná tepelná účinnosť 88 %, zatiaľ čo vlhkostná účinnosť bola v priemere 65 %. Tieto hodnoty zodpovedajú laboratórnym hodnotám, ktoré sa udávajú v technických listoch.  

Zhrnutie

• Vetraním sa vydýchaný vzduch, a tým aj vlhkosť odvádzajú z vnútorných priestorov domu.
• Ak sa bude v zime privádzať do vnútorných priestorov domu suchý vonkajší vzduch, môže sa vlhkostný režim dostať do nerovnováhy a vznikne nepríjemne suchá interiérová mikroklíma.
• Na vyrovnanie vlhkostného režimu možno s pomocou výmenníka entalpie (entalpického výmenníka) časť vlhkosti (vo forme čistej vodnej pary) preniesť z odvádzaného vzduchu do privádzaného vzduchu.
• V monitorovanom dome bola rekuperovaná absolútna vlhkosť na hodnote približne 1 až 2 g/kg.
• Rekuperáciou entalpie bolo v porovnaní s výlučnou rekuperáciou tepla možné zvýšiť relatívnu vlhkosť vnútorného vzduchu v monitorovanom dome o 10 % (napr. z 35 % na 45 %).
• Tepelná a vlhkostná účinnosť v monitorovanom dome zodpovedajú laboratórnym hodnotám, ktoré sú udávané v technických listoch.

Foto a obrázky: Zehnder Group

Literatúra

1. Bart Cremers B.E. 2012 konzultant Knowledge Centre, Zehnder Group Holandsko.

Ing. Roman Šubrt
Autor pôsobí v spoločnosti Zehnder Group Czech Republic.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.