Kiedy temperatura na zewnątrz spada poniżej zera, w wymienniku ciepła każdego rekuperatora zamarza wilgoć wykraplająca się z ciepłego i wilgotnego powietrza wywiewanego z pomieszczeń, blokując przepływ powietrza. Aby temu zapobiec, większość central wentylacyjnych podczas mroźnych dni ogranicza przepływ świeżego powietrza przez rekuperator, wyłączając wentylator nawiewny lub znacznie zmniejszając jego wydajność. W pomieszczeniach powstaje wówczas podciśnienie wywołujące niekontrolowany napływ zimnego nie filtrowanego powietrza przez nieszczelności budynku. W konsekwencji, w niekontrolowany sposób rosną koszty ogrzewania i pogarsza się jakość powietrza w pomieszczeniach.
W Polsce temperatura zewnętrzna utrzymuje się poniżej 0°C przez średnio 2 miesiące w roku. Jednocześnie w tym okresie zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku jest największe. Ponieważ ogrzewanie powietrza wentylacyjnego to aż 30–70% całkowitego zapotrzebowania na ciepło, szczególnie w tym czasie, sprawność odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego powinna być jak najwyższa.
Projektując AirPacki chcieliśmy by zawsze dostarczały świeże powietrze w odpowiedniej ilości oraz by koszt ich użytkowania był możliwie najniższy, niezależnie od temperatury na zewnątrz. Dlatego opracowaliśmy system FPX, który ciągle mierzy temperaturę powietrza świeżego wpływającego do wymiennika ciepła, a kiedy jej wartość spada poniżej 1°C uruchamia niewielką, precyzyjnie sterowaną nagrzewnicę, która ogrzewa powietrze dokładnie do temperatury 1°C. Dzięki temu rekuperatory AirPack nigdy nie zamarzają i zawsze z maksymalną sprawnością ogrzewają powietrze zewnętrzne, wykorzystując energię powietrza wywiewanego z pomieszczeń.
Wyniki pomiaru centrali wentylacyjnej AirPack Home 300h działającej w rzeczywistych warunkach przez 3 doby. Energia odzyskana przez rekuperator od powietrza wentylacyjnego wywiewanego z budynku to 48kWh. Nagrzewnica FPX zużyła w tym czasie łącznie 7,3 kWh energii elektrycznej, co daje około 1,7 zł/dobę.
W Polsce spośród 70 dni w ciągu roku, w których temperatura spada poniżej 0°C, tylko przez 15 dni utrzymuje się ona poniżej -5°C. Temperatura niższa niż -10°C występuje średnio przez 4 dni w roku.
W takich warunkach przez ponad 80% czasu nagrzewnica systemu FPX podgrzewa powietrze zaledwie o kilka stopni, dzięki czemu całoroczny koszt działania systemu to 0.6–0.9 zł/(m2 * rok).
Dlaczego każdy wymiennik ciepła należy zabezpieczyć przed zamrożeniem kondensatu?
W zimie, w systemach wentylacji z odzyskiem energii, ciepłe i wilgotne powietrze usuwane z budynku oddaje ciepło do zimnego świeżego powietrza wprowadzanego do budynku. Wymiana ciepła następuje w przeciwprądowym wymienniku ciepła poprzez ścianki o grubości 0.05–0.2 mm oddzielające szczelnie kanaliki, którymi przepływają obydwa strumienie powietrza. Kiedy temperatura ścianek wymiennika jest niższa od tzw. temperatury punktu rosy ciepłego i wilgotnego powietrza usuwanego z budynku, na tych ściankach następuje kondensacja pary wodnej. Jeżeli temperatura ścianki jest dodatkowo niższa od 0°C kondensat pokrywający ściankę szybko ulegnie krystalizacji zapełniając kanalik lodem i uniemożliwiając przepływ powietrza.
Wpływ różnych metod zabezpieczenia wymiennika ciepła przed zamrożeniem kondensatu na sprawność odzysku ciepła i skuteczność wentylacji
Metoda 1
Ograniczenie wydajności wentylatora nawiewnego
Metoda polega na ograniczeniu wydajności wentylatora nawiewnego, podczas gdy wentylator wywiewny pracuje z normalną wydajnością. W budynku powstaje podciśnienie i w zależności od stopnia w jakim zmniejszona została wydajność wentylatora nawiewnego część powietrza świeżego napływa do pomieszczeń przez nieszczelności budynku. Przez rekuperator przepływa cały strumień powietrza usuwanego z budynku i pozostała część strumienia powietrza świeżego, nawiewanego do budynku.
Ochrona wymiennika ciepła
Niewielki przepływ świeżego, zimnego powietrza przy równoczesnym stosunkowo dużym przepływie powietrza ciepłego, usuwanego z budynku zmienia bilans energetyczny ścianek wymiennika. Decydujący wpływ na ich temperaturę ma w tej sytuacji temperatura powietrza usuwanego z budynku. Przy odpowiednim niezrównoważeniu przepływów można utrzymywać tę temperaturę na poziomie większym od 0°C. W skrajnym przypadku, kiedy wentylator nawiewny zostaje wyłączony temperatura ścianek kanalików jest równa temperaturze powietrza usuwanego z budynku. System działa wówczas jako prosta wentylacja wywiewna.
Energia w budynku
Zgodnie z prawem zachowania masy całkowita ilość powietrza wpływająca do budynku w danej chwili musi być równa ilości powietrza usuwanej z budynku. Przy zmniejszonej wydajności wentylatora nawiewnego, wentylator wywiewny pracujący z normalną wydajnością wywołuje w pomieszczeniach podciśnienie powodujące przepływ powietrza przez nieszczelności budynku (mnS). Ostatecznie ustala się równowaga, w której mW = mN+mnS. Powietrze wpływające przez nieszczelności ma temperaturę niższą od 0°C i nie przepływa przez wymiennik ciepła dlatego wpływając do budynku i mieszając się z powietrzem w pomieszczeniach obniża jego temperaturę. Na obniżenie temperatury w pomieszczeniu reaguje odpowiedzialny za jej utrzymanie system grzewczy zwiększając swoją wydajność. Aby skutecznie chronić wymiennik ciepła, im niższa temperatura panuje na zewnątrz tym mniej powietrza musi przepływać przez rekuperator a więcej przez nieszczelności i tym samym większa ilość energii musi zostać zużyta do utrzymania temperatury w pomieszczeniach. System nie wymaga co prawda dostarczania energii do bezpośredniego podgrzania powietrza w centrali wentylacyjnej, ale zwiększa stratę ciepła przez wentylację stanowiącą 30‑70% całkowitych strat ciepła współczesnych budynków. Ponadto powietrze wpływające przez nieszczelności nie przepływa przez filtry wprowadzając do pomieszczeń zanieczyszczenia pyłowe, których stężenie w zimie jest największe. Opisana metoda pod względem zużycia energii oraz jakości powietrza sprowadza w najzimniejsze dni działanie systemu wentylacji z odzyskiem ciepła do działania prostej wentylacji wywiewnej.
Metoda 2
Obejście wymiennika ciepła
Metoda polega na kontrolowanym ograniczeniu przepływu świeżego, zimnego powietrza przez wymiennik ciepła i skierowaniu tej części przepływu bezpośrednio do wentylatora nawiewnego, a następnie po zmieszaniu z powietrzem, które przepłynęło przez wymiennik ciepła doprowadzeniu do pomieszczeń. Obejście powinno być wyposażone w płynnie sterowany zespół przepustnic regulujących stosunek przepływu przez wymiennik do przepływu przez obejście.
Ochrona wymiennika ciepła
Z punktu widzenia ochrony wymiennika ciepła system działa podobnie do systemu ograniczającego wydajność wentylatora nawiewnego. Niewielki przepływ przez wymiennik świeżego, zimnego powietrza przy równoczesnym stosunkowo dużym przepływie powietrza ciepłego, usuwanego z budynku zmienia bilans energetyczny ścianek wymiennika. Decydujący wpływ na ich temperaturę ma w tej sytuacji temperatura powietrza usuwanego z budynku. Przy odpowiednim stosunku przepływów można utrzymywać tę temperaturę na poziomie większym od 0°C. W skrajnym przypadku, kiedy obejście jest całkowicie otwarte, a przepływ powietrza świeżego do wymiennika odcięty temperatura ścianek kanalików jest równa temperaturze powietrza usuwanego. System działa wówczas jak wentylacja nawiewno – wywiewna bez odzysku ciepła.
Energia w budynku
W przeciwieństwie do metody opartej na ograniczaniu wydajności wentylatora nawiewnego zastosowanie automatycznego obejścia wymiennika w centrali wentylacyjnej umożliwia kontrolę strumieni powietrza dzięki czemu możliwe jest zapewnienie zrównoważonej wentylacji. System nie powoduje podciśnienia ani nadciśnienia w stosunku do powietrza atmosferycznego dzięki czemu całkowita ilość powietrza usuwanego z budynku oraz wtłaczanego do budynku przechodzi przez centralę wentylacyjną i jest poddawana filtracji. Podobnie jak w przypadku metody opartej na ograniczaniu wydajności wentylatora nawiewnego przepływ powietrza przez obejście jest zwiększany proporcjonalnie do spadku temperatury zewnętrznej zwiększając udział strat ciepła przez wentylację w całkowitym zapotrzebowaniu ciepła budynku. Ponadto do pomieszczeń nawiewane jest powietrze o niskiej temperaturze, co może powodować odczucie dyskomfortu, które można zredukować poprzez zastosowanie nagrzewnicy wtórnej.
Metoda 3
Wstępna nagrzewnica elektryczna rozmrażająca
Metoda polega na doprowadzeniu do częściowego zamrożenia wymiennika ciepła a następnie stopieniu lodu przy pomocy nagrzewnicy elektrycznej o stałej mocy. Centrala wentylacyjna ze wstępną nagrzewnicą rozmrażającą wyposażona jest w system detekcji lodu wykorzystujący pomiar temperatury rdzenia wymiennika lub pomiar oporu przepływu powietrza przez wymiennik. Po wykryciu oblodzenia wymiennika uruchamiana jest nagrzewnica elektryczna podgrzewająca powietrze wentylacyjne wpływające do wymiennika ciepła. Stosowane są również strategie, w których nagrzewnica jest włączana cyklicznie co pewien ściśle określony czas, gdy temperatura jest poniżej zadanej progowej wartości.
Ochrona wymiennika ciepła
System przeciwzamrożeniowy wymiennika ciepła powinien zużywać minimalną ilość energii potrzebną do utrzymania temperatury ścianek kanalików wymiennika ciepła powyżej 0°C. Metoda, w której stosowana jest nagrzewnica rozmrażająca uniemożliwia dokładną kontrolę mocy, ponieważ nagrzewnica załączana jest na pełną moc i zawsze przegrzewa powietrze świeże powyżej 0°C. Wadą tego sposobu jest również dopuszczenie do tworzenia się lodu. Warstwa lodu osadzając się na cienkich ściankach kanalików wymiennika ciepła stanowi izolację ograniczającą sprawność cieplną wymiennika oraz zwiększa opór przepływu.
Energia w budynku
Na skutek tworzenia się lodu wzrasta cyklicznie opór wymiennika ciepła powodując ograniczenie wydajności wentylatora wywiewnego i tym samym niezrównoważenie wentylacji w budynku. W tej sytuacji część strumienia powietrza usuwanego przepływa przez nieszczelności budynku nie oddając ciepła w wymienniku. Podsumowując, metoda charakteryzuje się dwiema stratami. Pierwsza z nich wynika z przegrzewania powietrza przez nagrzewnicę o niemodulowanej mocy, druga jest stratą ukrytą w zużyciu energii przez system grzewczy.
Jak działa system zabezpieczenia wymiennika ciepła FPX?
System FPX wykorzystuje strategię sterowania, w której bez względu na temperaturę na zewnątrz budynku temperatura powietrza napływającego na wymiennik ciepła utrzymywana jest na poziomie 0°C. Ponieważ przy wnikaniu ciepła do ścianek kanalików wymiennika występuje różnica temperatur zawsze większa od 1°C temperatura ścianek jest zawsze większa od 1°C co uniemożliwia tworzenie się lodu. W każdej centrali wentylacyjnej AirPack nagrzewnice są zwymiarowane tak, aby zapewnić nominalną wydajność do temperatury -13°C. Jest to wartość temperatury, która występuje w Polsce średnio przez mniej niż 2 dni w roku. System działa do tej wartości w trybie FPX1 – regulacja temperatury przed wymiennikiem poprzez płynną zmianę mocy nagrzewnicy. Jeżeli temperatura powietrza na zewnątrz budynku spadnie poniżej tej wartości, a ze względu na duży przepływ powietrza system nie będzie mógł utrzymać przed wymiennikiem temperatury 0°C uruchamiany jest tryb FPX2 – regulacja temperatury przed wymiennikiem poprzez płynną zmianę strumienia powietrza obu wentylatorów (wentylacja pozostaje zrównoważona) przy stałej, maksymalnej mocy nagrzewnicy. Przyjęta strategia jest rozsądnym kompromisem, który pozwala na zastosowanie nagrzewnic o względnie niewielkiej mocy i zapewnienie najważniejszego czynnika wpływającego na efektywność wentylacji z odzyskiem ciepła – zbilansowania przepływów powietrza. Uruchomienie trybu FPX2 wymaga spadku temperatury zewnętrznej poniżej -13°C i działania wentylacji ze 100% wydajnością. Taka sytuacja przy normalnym użytkowaniu występuje bardzo rzadko dlatego roczny czas pracy w trybie FPX2 jest w warunkach klimatu Polski bardzo krótki lub nie występuje w ogóle.
Minimalne zużycie energii
Dzięki płynnej, elektronicznej regulacji mocy nagrzewnicy system FPX nie dopuszcza do przegrzewania powietrza zużywając najmniejszą możliwą fizycznie ilość energii potrzebną do utrzymania temperatury rdzenia wymiennika powyżej 0°C. Energia zużyta przez system działający w domu o powierzchni 150 m2 to około 110 zł w skali roku.
Minimalizacja strat ciepła budynku
System FPX w przeciwieństwie do innych opisanych metod skutecznie zapobiegania oblodzeniu wymiennika ciepła zapewniając zawsze, niezależnie od warunków atmosferycznych zrównoważoną wentylację. Strategia sterowania systemu FPX pozwala na pełną kontrolę zużycia energii i nie wywołuje „ukrytych”, niekontrolowanych kosztów w formie zwiększonego zużycia energii przez system grzewczy.
Maksymalizacja sprawności wymiennika ciepła
Utrzymując minimalną temperaturę przed wymiennikiem system FPX maksymalizuje sprawność odzysku ciepła oraz wydajność energetyczną wymiennika, która jest tym wyższa im większa różnica temperatur zostanie wykorzystana.
Co zyskujesz instalując centrale wentylacyjną AirPack z systemem FPX?
• Najniższy koszt zabezpieczenia wymiennika ciepła przez zamrożeniem kondensatu
• Nawiew zawsze ciepłego, świeżego powietrza do budynku w zimie
• Zawsze zrównoważona wentylacja niezależnie od chwilowych warunków atmosferycznych
• Brak dodatkowych strat ciepła wywołanych infiltracją powietrza przez nieszczelności budynku wymuszoną koniecznością zapobiegania oblodzeniu wymiennika
• Jawne, przewidywalne koszty użytkowania systemu wentylacji
• Zawsze przefiltrowane powietrze dostarczane do budynku – brak infiltracji przez nieszczelności
• Wysoka sprawność odzysku ciepła
• Najwyższa efektywność energetyczna spośród opisanych metod zapobiegania zamrożeniu kondensatu w wymienniku ciepła.
