Wentylacja z odzyskiem ciepła

Centrala wentylacyjna z pompą ciepła i gruntowym wymiennikiem ciepła - chłodzenie

Wentylacja z odzyskiem ciepła ( HRV ), znana również jako wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła ( MVHR ), to system wentylacji z odzyskiem energii , który działa między dwoma źródłami powietrza o różnych temperaturach. Odzysk ciepła to metoda stosowana w celu zmniejszenia zapotrzebowania budynków na ogrzewanie i chłodzenie. Dzięki odzyskowi ciepła resztkowego w spalinach świeże powietrze wprowadzane do układu klimatyzacji zostaje wstępnie ogrzane (wstępnie schłodzone), a entalpia świeżego powietrza jest zwiększana (zmniejszana), zanim świeże powietrze dostanie się do pomieszczenia lub chłodnica powietrza jednostki klimatyzacyjnej przeprowadzi obróbkę cieplną i nawilżającą. Typowy system odzysku ciepła w budynkach składa się z centrali, kanałów powietrza świeżego i wywiewanego oraz wentylatorów. Powietrze wywiewane z budynku jest wykorzystywane jako źródło ciepła lub radiator w zależności od warunków klimatycznych, pory roku i wymagań budynku. Systemy odzysku ciepła zwykle odzyskują około 60–95% ciepła z powietrza wywiewanego i znacznie poprawiły efektywność energetyczną budynków.

Zasada działania

System odzysku ciepła ma za zadanie dostarczać klimatyzowane powietrze do zajmowanej przestrzeni w celu utrzymania określonej temperatury. System odzysku ciepła zapewnia pełną wentylację domu, jednocześnie odzyskując ciepło emitowane ze środowiska wewnętrznego. Zadaniem systemów odzysku ciepła jest przeniesienie energii cieplnej z jednego płynu do drugiego, z jednego płynu do ciała stałego lub z powierzchni ciała stałego do płynu w różnych temperaturach iw kontakcie termicznym. W większości systemów odzysku ciepła nie ma bezpośredniej interakcji między płynem a płynem lub płynem a ciałem stałym. W niektórych systemach odzysku ciepła obserwuje się wyciek płynu z powodu różnicy ciśnień między płynami, co skutkuje mieszaniem się dwóch płynów.

typy

Obrotowe koła termiczne

Obrotowe koła termiczne są mechanicznym sposobem odzyskiwania ciepła. Obracające się porowate metalowe koło przenosi energię cieplną z jednego strumienia powietrza do drugiego, przechodząc naprzemiennie przez każdy płyn. System działa jako termiczna masa akumulacyjna, w której ciepło z powietrza jest tymczasowo magazynowane w matrycy koła, dopóki nie zostanie przekazane do strumienia chłodniejszego powietrza.

Istnieją dwa rodzaje obrotowych kół termicznych: koła ciepła i koła entalpii ( osuszające ). Chociaż istnieje podobieństwo geometryczne między kołami ciepła i entalpii, istnieją różnice, które wpływają na działanie każdego projektu. W systemie wykorzystującym koło osuszające wilgoć ze strumienia powietrza o największej wilgotności względnej po przejściu przez koło jest przekazywana do przeciwległego strumienia powietrza. Może to działać w obu kierunkach powietrza wlotowego do powietrza wywiewanego i powietrza wywiewanego do powietrza wlotowego. Powietrze nawiewane można następnie wykorzystać bezpośrednio lub do dalszego chłodzenia powietrza. Jest to proces energochłonny.

Stałe płytowe wymienniki ciepła

Stałe płytowe wymienniki ciepła są najczęściej stosowanym rodzajem wymienników ciepła i są rozwijane od 40 lat. Cienkie metalowe płytki są układane w stos z niewielkimi odstępami między płytkami. Przez te przestrzenie przechodzą dwa różne strumienie powietrza, przylegające do siebie. Wymiana ciepła zachodzi, gdy temperatura przechodzi przez płytę z jednego strumienia powietrza do drugiego. Sprawność tych urządzeń wykazała wartości 90% sprawności ciepła jawnego przy przekazywaniu ciepła jawnego z jednego strumienia powietrza do drugiego. Wysoki poziom sprawności wynika z wysokich współczynników przenikania ciepła zastosowanych materiałów, ciśnienia roboczego i zakresu temperatur.

Rury cieplne

Rury cieplne to urządzenie do odzysku ciepła, które wykorzystuje proces wielofazowy do przenoszenia ciepła z jednego strumienia powietrza do drugiego. Ciepło jest przenoszone za pomocą parownika i skraplacza w nieprzeniknionej, szczelnej rurze zawierającej płyn, który podlega ciągłej zmianie fazy w celu przenoszenia ciepła. Płyn w rurach zmienia się z płynu w gaz w sekcji parownika, pochłaniając energię cieplną ze strumienia ciepłego powietrza. Gaz skrapla się z powrotem do płynu w sekcji skraplacza, gdzie energia cieplna jest rozpraszana do strumienia chłodniejszego powietrza, podnosząc temperaturę. Płyn/gaz jest transportowany z jednej strony rurki cieplnej na drugą przez ciśnienie, siły knota lub grawitację, w zależności od ułożenia rurki cieplnej.

Rodzaje wymienników ciepła .

Biegać dookoła

Systemy run-around to hybrydowy system odzyskiwania ciepła, który łączy w sobie cechy innych technologii odzyskiwania ciepła, tworząc jedno urządzenie, zdolne do odzyskiwania ciepła z jednego strumienia powietrza i dostarczania go do innego strumienia na znaczną odległość. Ogólny przypadek polega na odzysku ciepła z obiegiem, gdzie dwa stałe płytowe wymienniki ciepła są umieszczone w dwóch oddzielnych strumieniach powietrza i są połączone zamkniętą pętlą zawierającą płyn, który jest nieustannie pompowany między dwoma wymiennikami ciepła. Płyn jest stale podgrzewany i chłodzony, gdy przepływa przez pętlę, zapewniając odzysk ciepła. Stały przepływ płynu przez pętlę wymaga przemieszczania się pomp między dwoma wymiennikami ciepła. Chociaż jest to dodatkowe zapotrzebowanie na energię, użycie pomp do cyrkulacji płynu jest mniej energochłonne niż wentylatorów do cyrkulacji powietrza.

Materiały zmiennofazowe

Materiały zmiennofazowe lub PCM to technologia wykorzystywana do magazynowania jawnego i utajonego ciepła w konstrukcji budynku z większą pojemnością magazynowania niż standardowe materiały budowlane. PCM były szeroko badane ze względu na ich zdolność do magazynowania ciepła i przenoszenia zapotrzebowania na ogrzewanie i chłodzenie z konwencjonalnych godzin szczytu do godzin poza szczytem.

Koncepcja masy termicznej budynku do magazynowania ciepła, zgodnie z którą fizyczna struktura budynku pochłania ciepło, aby pomóc schłodzić powietrze, była od dawna rozumiana i badana. Badanie PCM w porównaniu z tradycyjnymi materiałami budowlanymi wykazało, że pojemność cieplna PCM jest dwunastokrotnie wyższa niż w przypadku standardowych materiałów budowlanych w tym samym zakresie temperatur. Spadek ciśnienia w PCM nie został zbadany, aby móc wypowiedzieć się na temat wpływu, jaki materiał może mieć na strumienie powietrza. Jednakże, ponieważ PCM można włączyć bezpośrednio do konstrukcji budynku, nie wpłynie to na przepływ w taki sam sposób, jak inne technologie wymienników ciepła, można zasugerować, że nie ma strat ciśnienia spowodowanych włączeniem PCM do struktury budynku .

Aplikacje

Wentylacja z odzyskiem ciepła z gruntowo-powietrznym wymiennikiem ciepła, niezbędna do spełnienia niemieckich standardów Passivhaus .

Obrotowe koło termiczne

O'Connor i in. zbadali wpływ obrotowego koła termicznego na natężenie przepływu powietrza nawiewanego do budynku. Stworzono model obliczeniowy do symulacji wpływu obrotowego koła termicznego na natężenie przepływu powietrza po włączeniu go do komercyjnej wieży wiatrowej system. Symulacja została zweryfikowana za pomocą eksperymentu modelowego w zmniejszonej skali w poddźwiękowym tunelu aerodynamicznym w pętli zamkniętej. Dane uzyskane z obu testów porównano w celu analizy natężeń przepływu. Chociaż prędkości przepływu zostały zmniejszone w porównaniu z wieżą wiatrową, która nie zawierała obrotowego koła termicznego, wytyczne dotyczące szybkości wentylacji dla mieszkańców szkoły lub budynku biurowego zostały spełnione powyżej prędkości wiatru zewnętrznego wynoszącej 3 m/s, co jest wartością niższą niż średnia prędkość wiatru w Wielkiej Brytanii (4–5 m/s).

W tym badaniu nie zebrano danych eksperymentalnych ani terenowych w pełnej skali, dlatego nie można jednoznacznie udowodnić, że obrotowe koła termiczne są możliwe do zintegrowania z komercyjnym systemem wież wiatrowych. Jednak pomimo zmniejszenia natężenia przepływu powietrza w budynku po wprowadzeniu obrotowego koła termicznego, zmniejszenie to nie było na tyle duże, aby uniemożliwić dotrzymanie zalecanych wskaźników wentylacji. Nie przeprowadzono jeszcze wystarczających badań w celu określenia przydatności obrotowych kół termicznych w naturalnej wentylacji, można osiągnąć wskaźniki dostarczania wentylacji, ale możliwości termiczne obrotowego koła termicznego nie zostały jeszcze zbadane. Dalsze prace byłyby korzystne dla lepszego zrozumienia systemu.

Stałe płytowe wymienniki ciepła

Płytowy gruntowy wymiennik ciepła wewnątrz ścian fundamentowych

Mardiana i in. zintegrowała stały płytowy wymiennik ciepła z komercyjną wieżą wiatrową, podkreślając zalety tego typu systemu jako środka wentylacji o zerowym zużyciu energii, który można łatwo modyfikować. Przeprowadzono pełnowymiarowe testy laboratoryjne w celu określenia efektów i wydajności połączonego systemu. Wieża wiatrowa została zintegrowana ze stałym płytowym wymiennikiem ciepła i zamontowana centralnie w szczelnym pomieszczeniu testowym.

Wyniki tego badania wskazują, że połączenie systemu wentylacji pasywnej wieży wiatrowej i urządzenia do odzysku ciepła z płytą stałą może zapewnić skuteczną połączoną technologię odzyskiwania ciepła odpadowego z powietrza wywiewanego i schładzania napływającego ciepłego powietrza przy zerowym zapotrzebowaniu na energię. Chociaż nie przedstawiono danych ilościowych dotyczących współczynników wentylacji w pomieszczeniu testowym, można założyć, że ze względu na duże straty ciśnienia w wymienniku ciepła zostały one znacznie zmniejszone w porównaniu ze standardową pracą wieży wiatrowej. Dalsze badanie tej połączonej technologii jest niezbędne do zrozumienia charakterystyki przepływu powietrza w systemie.

Rury cieplne

Ze względu na niskie straty ciśnienia w systemach rur grzewczych przeprowadzono więcej badań nad integracją tej technologii z wentylacją pasywną niż w przypadku innych systemów odzysku ciepła. Komercyjne wieże wiatrowe zostały ponownie wykorzystane jako pasywny system wentylacji do integracji tej technologii odzyskiwania ciepła. To jeszcze bardziej wzmacnia sugestię, że komercyjne wieże wiatrowe stanowią wartościową alternatywę dla wentylacji mechanicznej, zdolną do jednoczesnego dostarczania i odprowadzania powietrza.

Systemy przelotowe

Flaga-Maryańczyk i in. przeprowadził badanie w Szwecji, w którym zbadano system wentylacji pasywnej, który integrował system run-around wykorzystujący gruntową pompę ciepła jako źródło ciepła do ogrzania napływającego powietrza. Pomiary eksperymentalne i dane pogodowe zostały pobrane z domu pasywnego użytego w badaniu. Stworzono model CFD domu pasywnego z pomiarami pobranymi z czujników i stacji pogodowej jako danymi wejściowymi. Model został uruchomiony w celu obliczenia efektywności układu run-around oraz możliwości gruntowej pompy ciepła.

Gruntowe pompy ciepła zapewniają niezawodne źródło stałej energii cieplnej, gdy są zakopane 10–20 m pod powierzchnią gruntu. Temperatura gruntu jest wyższa niż otaczające powietrze zimą i niższa niż otaczające powietrze latem, zapewniając zarówno źródło ciepła, jak i radiator. Stwierdzono, że w lutym, najzimniejszym miesiącu w klimacie, gruntowa pompa ciepła była w stanie zaspokoić prawie 25% potrzeb grzewczych domu i jego mieszkańców.

Materiały zmiennofazowe

Większość zainteresowań badawczych PCM dotyczy zastosowania integracji materiałów zmiennofazowych z tradycyjnymi porowatymi materiałami budowlanymi, takimi jak beton i płyty ścienne. Kosny i in. przeanalizowali wydajność cieplną budynków, w których zastosowano materiały konstrukcyjne wzmocnione PCM. Analiza wykazała, że ​​dodatek PCM jest korzystny pod względem poprawy wydajności cieplnej.

Istotną wadą PCM stosowanego w systemie wentylacji pasywnej do odzysku ciepła jest brak natychmiastowej wymiany ciepła w różnych strumieniach powietrza. Materiały zmiennofazowe to technologia magazynowania ciepła, w której ciepło jest magazynowane w PCM, dopóki temperatura powietrza nie spadnie do znacznego poziomu, w którym może zostać uwolnione z powrotem do strumienia powietrza. Nie przeprowadzono badań nad zastosowaniem PCM między dwoma strumieniami powietrza o różnych temperaturach, w których może wystąpić ciągłe, natychmiastowe przenoszenie ciepła. Badania w tym obszarze byłyby korzystne dla badań nad odzyskiem ciepła z wentylacji pasywnej.

Zalety i wady

Rodzaj HRV	Zalety	Niedogodności	Parametry wydajności	Efektywność %	Spadek ciśnienia (Pa)	Kontrola wilgotności
Obrotowe koło termiczne	Wysoka wydajność Odzysk ciepła jawnego i utajonego Kompaktowa konstrukcja Dostępna kontrola mrozu	Możliwe zanieczyszczenie krzyżowe Wymaga sąsiednich strumieni powietrza Napędzany mechanicznie, wymagający wkładu energii	Prędkość obrotowa Prędkość powietrza Porowatość koła	80+	4-45	Tak
Płyta stała	Brak ruchomych części, stąd wysoka niezawodność Wysoki współczynnik przenikania ciepła Brak zanieczyszczenia krzyżowego Możliwa kontrola mrozu Odzysk ciepła jawnego i utajonego	Wysoki spadek ciśnienia w wymienniku Ograniczenie do dwóch oddzielnych strumieni powietrza Gromadzenie się kondensatu Narastanie szronu w zimnym klimacie	Typ materiału Ciśnienie operacyjne Temperatura Układ przepływu	70-90	7-30	Tak
Rury cieplne	Brak ruchomych części, wysoka niezawodność Brak zanieczyszczenia krzyżowego Niski spadek ciśnienia Kompaktowa konstrukcja Możliwy odzysk ciepła w dwóch kierunkach	Wymaga bliskich strumieni powietrza Płyn wewnętrzny powinien odpowiadać lokalnym warunkom klimatycznym	Rodzaj płynu Czas kontaktu Aranżacja/konfiguracja Struktura	80	1-5	NIE
Biegać dookoła	Strumienie powietrza mogą być oddzielne Brak zanieczyszczenia krzyżowego Niski spadek ciśnienia Wiele źródeł odzysku ciepła	Do przemieszczania płynu potrzeba wielu pomp Trudne do zintegrowania z istniejącymi strukturami Słaba efektywność Koszt	Typ wymiennika Rodzaj płynu Źródło ciepła	50-80	~1	NIE
Materiały zmiennofazowe	Łatwa integracja z materiałami budowlanymi Zrównoważ szczytowe zapotrzebowanie na energię Brak strat ciśnienia Brak zanieczyszczenia krzyżowego Brak ruchomych części Długi cykl życia	Magazynowanie termiczne w przeciwieństwie do natychmiastowego transferu Drogi Nie sprawdzona technologia Trudność w doborze odpowiedniego materiału	Metoda impregnacji	~	0	NIE

Wpływ na środowisko

Oszczędzanie energii jest jednym z kluczowych zagadnień zarówno dla zużycia paliw kopalnych, jak i ochrony środowiska na świecie. Rosnące koszty energii i globalne ocieplenie podkreśliły, że rozwój ulepszonych systemów energetycznych jest niezbędny do zwiększenia efektywności energetycznej przy jednoczesnym ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych . Jednym z najskuteczniejszych sposobów zmniejszenia zapotrzebowania na energię jest bardziej efektywne wykorzystanie energii. Dlatego odzysk ciepła odpadowego staje się w ostatnich latach popularny, ponieważ poprawia efektywność energetyczną. W wielu krajach nadal marnuje się około 26% energii przemysłowej w postaci gorącego gazu lub płynu. Jednak w ciągu ostatnich dwóch dekad zwrócono szczególną uwagę na odzysk ciepła odpadowego z różnych gałęzi przemysłu oraz optymalizację urządzeń służących do odbioru ciepła z gazów odlotowych. Tym samym próby te sprzyjają ograniczaniu globalnego ocieplenia oraz zapotrzebowania na energię.

Zużycie energii

W większości krajów uprzemysłowionych instalacje HVAC odpowiadają za jedną trzecią całkowitego zużycia energii . Ponadto chłodzenie i osuszanie świeżego powietrza wentylacyjnego stanowi 20–40% całkowitego obciążenia energetycznego HVAC w gorących i wilgotnych regionach klimatycznych. Jednak odsetek ten może być wyższy, gdy wymagana jest 100% wentylacja świeżym powietrzem. Oznacza to, że potrzeba więcej energii, aby zaspokoić zapotrzebowanie mieszkańców na świeże powietrze. Odzysk ciepła staje się koniecznością ze względu na zwiększone koszty energii do uzdatniania świeżego powietrza. Głównym celem systemów odzysku ciepła jest zmniejszenie zużycia energii w budynkach na ogrzewanie, chłodzenie i wentylację poprzez odzyskiwanie ciepła odpadowego. W związku z tym samodzielne lub połączone systemy odzyskiwania ciepła mogą być włączane do budynków mieszkalnych lub komercyjnych w celu oszczędzania energii. Zmniejszenie poziomu zużycia energii może również znacząco przyczynić się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych na rzecz zrównoważonego świata.

Gazy cieplarniane

CO ₂ , N ₂ O i CH ₄ to powszechne gazy cieplarniane , a CO ₂ w największym stopniu przyczynia się do zmian klimatycznych. Dlatego emisje gazów cieplarnianych są często określane jako ekwiwalent emisji CO _{2 .} Całkowita światowa emisja gazów cieplarnianych wzrosła o 12,7% w latach 2000-2005. W 2005 r. około 8,3 Gt CO ₂ został wydany przez sektor budowlany. Co więcej, budynki odpowiadają za ponad 30% emisji gazów cieplarnianych każdego roku w większości krajów rozwiniętych. Według innego badania budynki w krajach Unii Europejskiej powodują około 50% emisji CO ₂ emisje w atmosferze. Możliwe jest ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 70% w porównaniu z poziomami, które mają być obserwowane w 2030 r., jeśli zostaną podjęte odpowiednie działania. Wzrost emisji gazów cieplarnianych spowodowany wysokim zapotrzebowaniem na zużycie energii zakończył się globalnym ociepleniem. Pod tym względem ograniczenie emisji gazów do atmosfery wyróżnia się jako jeden z najważniejszych problemów współczesnego świata, który należy rozwiązać. Systemy odzyskiwania ciepła mają niezwykły potencjał, jeśli chodzi o przyczynianie się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych poprzez zmniejszenie energii potrzebnej do ogrzewania i chłodzenia budynków. Scotch Whisky Association zrealizowało projekt w destylarni Glenmorangie, aby odzyskać utajone ciepło z nowych destylatorów do podgrzania innych wód procesowych. Odkryli, że 175 ta rok CO ₂ zostaną zapisane z okresem zwrotu poniżej jednego roku. W innym raporcie podkreślono, że 10 MW odzyskanego ciepła można wykorzystać do zaoszczędzenia 350 000 EUR rocznie na kosztach emisji. Brytyjska ustawa o zmianach klimatu z 2008 r. ma na celu 34% redukcję emisji gazów cieplarnianych do 2020 r. w porównaniu z poziomami z 1990 r. i 80% redukcję do 2050 r. Podkreślają one znaczący potencjał i znaczenie technologii odzyskiwania ciepła dla osiągnięcia tego celu.

Zobacz też

• HVAC
• Wymiennik ciepła
• Słoneczne ciepło powietrza
• Odnawialne ciepło
• Recykling ciepła wody
• Sezonowe magazynowanie energii cieplnej
• Chłodzenie pasywne
• Klimatyzacja słoneczna
• Klimatyzacja – implikacje zdrowotne
• Dom pasywny - "Pasivhaus"
• Dom niskoenergetyczny
• Budynek niskoenergetyczny
• Lista technik budownictwa niskoenergetycznego
• Zielony budynek
• Budynek zeroenergetyczny
• Zrównoważony rozwój
• Zrównoważona architektura
• Zrównoważony projekt

Linki zewnętrzne

• AIVC VIP6 „Odzysk ciepła powietrze-powietrze w systemach wentylacyjnych”
• Odzysk ciepła w przemyśle
• Wentylatory z odzyskiem energii i ciepła (ERV/HRV)
• Opis pokoju jednoosobowego MHRV (SRMHRV) w domu w Wielkiej Brytanii
• Koszt systemu wentylacji z odzyskiem ciepła
• Biuletyn Builder Insight — Wentylacja z odzyskiem ciepła