Dlaczego zimą powietrze w budynkach jest suche?
Aby zrozumieć problem suchego powietrza w budynkach zimą, trzeba zrozumieć czym jest powietrze wilgotne. Dlatego postaramy się to wytłumaczyć na prostych przykładach. Powietrze, którym oddychamy to mieszanina powietrza suchego (głównie azotu i tlenu) oraz pary wodnej. Ilość pary wodnej, którą może wchłonąć powietrze jest ograniczona i zależy od jego temperatury. Powietrze, które wchłonęło już maksymalną ilość pary wodnej nazywa się powietrzem nasyconym, a jago wilgotność jest równa 100%. Im cieplejsze powietrze, tym więcej pary wodnej może wchłonąć. Na przykład, każdy 1 m3 powietrza o temperaturze -5°C może wchłonąć maksymalnie 3 gramy pary wodnej, ale gdy podgrzejemy to powietrze do temperatury +18°C to 1 m3 będzie mógł wchłonąć już 15.6 gramów pary wodnej. To właśnie zmiana zdolności pochłaniania pary wodnej przez powietrze w czasie jego podgrzewania jest przyczyną suchego powietrza w budynkach zimą. Dzieje się tak ponieważ system wentylacyjny pobiera zimą powietrze zewnętrzne i podgrzewa je w rekuperatorze do temperatury pokojowej, zwiększając „zdolność powietrza do pochłaniania pary wodnej”, co automatycznie prowadzi do zmniejsza się wilgotności tego powietrza.
Sprawdźmy na przykładzie, jak zmieni się wilgotność powietrza, gdy podgrzejemy je od -5°C do +18°C.
Wyobraźmy sobie 1 m3 powietrza o temperaturze -5°C zawierający 2.4 grama wody. Takie powietrze ma wilgotność 80%, bo 2.4/3*100% = 80%. Jeżeli podgrzejemy to powietrze do temperatury +18°C zwiększymy jego „zdolność do pochłaniania pary wodnej” ponad pięciokrotnie (z 3 gramów do 15.6 grama). Jednak po podgrzaniu, w naszym powietrzu wciąż będzie rozpuszczone jedynie 2.4 grama pary wodnej, a 2.4 grama stanowi teraz 15.4% z 15.6 grama, które mogłoby pochłonąć to powietrze (2.4/15.6*100%= 15.4%).
To właśnie dlatego zimą powietrze jest suche. Jak widać, problem nie wynika z zastosowania rekuperatora, lecz dotyczy każdego systemu wentylacji (również grawitacyjnej), a jedynym sposobem jego rozwiązania jest nawilżanie powietrza dostarczanego do budynku zimą.
Jaka będzie wilgotność powietrza w domu, w którym działa rekuperator bez entalpijnego wymiennika ciepła?
Wiedząc już czym jest powietrze wilgotne, przeanalizujemy działanie systemu wentylacji na przykładzie domu, w którym mieszka czteroosobowa rodzina. Sprawdzimy jakie parametry powietrza ustalą się w budynku w nocy ponieważ jest to czas, w którym przebywamy w domu przez kilka godzin i zbyt suche powietrze może negatywnie wpływać na nasze zdrowie i samopoczucie. Załóżmy, że powietrze zewnętrzne ma temperaturę -5°C i wilgotność 80%, system grzewczy utrzymuje w całym budynku temperaturę +20°C a powietrze wentylacyjne dostarczane w ilości 150 m3/h jest przez rekuperator z wysokosprawnym przeciwprądowym wymiennikiem ciepła. Jeżeli nie posiadamy nawilżacza, to w nocy jedyne zyski wilgoci pochodzą od osób przybywających w domu. Dorosły człowiek, który nie wykonuje żadnych czynności fizycznych emituje średnio 38 gramów pary wodnej na godzinę, co przy 4 osobowej rodzinie daje strumień pary równy 38×4=152 g/h.
Proces wentylacji prezentuje rysunek, na którym powietrze nawiewane wywiewane zewnętrzne i usuwane oznaczyliśmy odpowiednio literami: N, W, Z oraz U przebiega następująco: Powietrze zewnętrzne (Z) jest podgrzewane w rekuperatorze do temperatury +18°C (N) na skutek czego jego wilgotność spada do 16% (N). Po wprowadzeniu do pomieszczenia powietrze nagrzewa się do +20°C (W) i nawilża od osób przebywających w pomieszczeniu do 19% (W). Następnie powietrze usuwane jest przez rekuperator, w którym oddaje ciepło do powietrza świeżego a samo ochładza się do 2.6°C (U). W budynku ustali się wilgotność na poziomie 19% (W). Zgodnie z normą PN-EN 16798 pomieszczenie nie spełnia kryterium Kategorii III komfortu (najwyższy komfort to Kategoria I).
Jak działa entalpijny wymiennik ciepła?
Entalpijny wymiennik ciepła to przeciwprądowy wymiennik ciepła, w którym plastikowa przegroda dzieląca strumienie powietrza została zastąpiona selektywną membraną przepuszczalną dla cząstek pary wodnej i nieprzepuszczalną dla cząstek powietrza oraz zawartych w nim zanieczyszczeń.
Membraną w wymiennikach rekuperatorów AirPack Home Enthalpy jest monolityczny film polimerowy zapewniający transfer cząstek pary wodnej (średnia = 0.265 nm (nanometra)). Jednocześnie przez membranę nie przechodzą główne składniki powietrza czyli azot (0.305 nm) i tlen (0.299 nm), pył PM2.5 (250 nm), bakterie (0.8-5000 nm) oraz wirusy grypy i SARS (80-120 nm).
Przepływ pary wodnej przez membranę zależy od różnicy zawartości pary pomiędzy powietrzem usuwanym z budynku a powietrzem nawiewanym do budynku. Uwaga! Nie chodzi o różnicę wilgotności względnej wyrażonej w % tylko o różnicę zawartości pary wodnej [g/kgpowietrza] (ilość gramów pary przypada na każdy kilogram powietrza).
Jaka będzie wilgotność powietrza w domu, w którym działa rekuperator z entalpijnym wymiennikiem ciepła?
Znając zasadę działania wymiennika entalpijnego, sprawdzimy teraz, jaką wilgotność powietrza uzyskamy w analizowanym powyżej domu przy zastosowaniu nowego AirPacka Home Enthalpy z entalpijnym wymiennikiem ciepła. Analizę wykonamy dla tych samych warunków atmosferycznych (powietrze zewnętrzne ma temperaturę -5°C i wilgotność 80%) oraz takiej samej temperatury powietrza wewnątrz budynku (+20°C). Proces wentylacji przebiega następująco: Powietrze zewnętrzne (Z) jest podgrzewane się w rekuperatorze do temperatury +15.2°C. Jednocześnie w wymienniku entaplijnym powietrze świeże przejmuje od powietrza wywiewanego 3.5 grama pary wodnej na każdy metr sześcienny powietrza przepływającego przez wymiennik. Dzięki temu nawiewane powietrze ma wilgotność równą 45%(N). W pomieszczeniach budynku nawiewane powietrze nagrzewa się do +20°C i zwiększa zawartość pary wodnej o kolejne 0.9 grama na każdy metr sześcienny (zyski wilgoci od osób przebywających w pomieszczeniach). Powietrze usuwane przez rekuperator oddaje ciepło oraz wilgoć do powietrza świeżego a samo ochładza się do 0°C (U). Ostatecznie w budynku ustali się wilgotność powietrza na poziomie 39%(W). Zgodnie z normą PN-EN 16798 pomieszczenie spełnia kryterium Kategorii I komfortu (najwyższy komfort).
Co na to fizyka?
Każdy proces, w którym bierze udział powietrze wilgotne można przedstawić na wykresie Molliera. Znając temperaturę i wilgotność powietrza możemy odczytać wartość entalpii oraz zawartość pary wodnej w powietrzu. Entalpia uwzględnia energię wewnętrzną powietrza suchego oraz pary wodnej znajdującej się w tym powietrzu. Zwiększyć energię powietrza możemy poprzez jego ogrzanie(wzrośnie temperatura) lub poprzez dodanie do tego powietrza pary wodnej. Rzeczywiste powietrze to powietrze wilgotne, dlatego tylko posłużenie się entalpią w pełni odzwierciedla ilość energii, niezbędną do ogrzewania, ochładzania lub nawilżania powietrza. My wykorzystaliśmy wykres Moliera do przedstawienia opisanych powyżej procesów rekuperacji w zwykłym wymienniku przeciwprądowym oraz w wymienniku entalpijnym. Zwróć uwagę, że powietrze wywiewane (punkty oznaczony literą W) w obu procesach ma tę samą temperaturę (20°C) ale zdecydowanie różną wilgotność. Dlatego entalpie tych punktów mają różne wartości (34 kJ/kg dla wymiennika z odzyskiem wilgoci i 27 kJ/kg dla wymiennika bez odzysku wilgoci). Ta prosta analiza pozwoli Ci jednoznacznie ocenić zalety oraz wady obu rozwiązań i podjąć decyzję, które z nich będzie odpowiednie do Twojego domu oraz zrozumieć dlaczego wymiennik ciepła odzyskujący wilgoć nazywa się entalpijny.
Porównanie, które wykonaliśmy ma na celu wykazanie jakie parametry powietrza (w tym wilgotność) ustalą się w domu w zależności od tego, który z wymienników zastosujemy w rekuperatorze. Porównanie wykonaliśmy dla temperatury powietrza zewnętrznego równej -5°C bo przy takich warunkach już występują problemy z suchym powietrzem a są to warunki występujące w Polsce zimą względnie często. Porównanie nie mówi o różnicy w sprawności odzysku wilgoci obu wymienników przy założeniu, że w pomieszczeniu mamy wilgotność np. równą 40% ponieważ bez wymiennika entalpijnego lub bez nawilżacza takiej wilgotności w domu, w którym nie ma dodatkowych, sztucznych źródeł wilgoci po prostu nie da się uzyskać.
Czy wymiennik entalpijny jest lepszy niż wymiennik bez odzysku wilgoci?
W CZYM JEST LEPSZY WYMIENNIK ENTALPIJNY OD WYMIENNIKA BEZ ODZYSKU WILGOCI?
Wymiennik entalpijny eliminuje problem suchego powietrza w budynku zimą. Wymiennik entalpijny to najtańszy sposób na utrzymanie zimą w budynku mieszkalnym wilgotności na poziomie > 25% zapewniającej tym samym komfort i zdrowie użytkownikom. Wysokiej klasy wymiennik entalpijny (o sprawności odzysku wilgoci >70%) pozwoli uzyskać wilgotność na poziomie >30% przy temperaturze powietrza zewnętrznego -10°C w większości budynków mieszkalnych. 30% to poziom wilgotności wymagany przy najwyższym standardzie komfortu cieplnego dla budynków określony w normie PN-EN 16798.
Rekuperator z wymiennikiem entalpijnym zużywa mniej energii elektrycznej. Wymiennik entalpijny o sprawności odzysku wilgoci > 70% praktycznie eliminuje konieczność korzystania z systemu przeciwzamrożeniowego wymiennika ciepła nawet do -7°C. Pamiętajmy, że w klasycznych wymiennikach nagrzewnica systemu przeciwzamrożeniowego włącza się przy +1°C, a każdy inny niż nagrzewnica wstępna sposób zapobiegania zamrożeniu kondensatu w wymienniku ciepła jest droższy bo zwiększa koszty ogrzewania (a jego marketing najczęściej opiera się na mitach a nie fizyce).
Z wymiennikiem entalpijnym koszty ogrzewania budynku są niższe. Koszty ogrzewania budynku, w którym działa rekuperator z wymiennikiem entalpijnym będą zawsze niższe w porównaniu od kosztów użytkowania tego samego budynku, z identycznym systemem rekuperacji ale z wymiennikiem klasycznym. Wynika to z wyższej o 5-15% sprawności entaplijnej wymiennika entalpijnego w porównaniu z wymiennikiem klasycznym.
którym działa rekuperator w wymiennikiem entalpijnym będą niższe o kilkanaście procent od budynku, w którym działa rekuperator z wymiennikiem klasycznym. W lecie w klimatyzowanym budynku zawartość pary wodnej w powietrzu jest niższa niż powietrzu zewnętrznym ponieważ powietrze jest osuszane w chłodnicy klimatyzatora. W takich warunkach rekuperator z entalpijnym wymiennikiem ciepła będzie osuszał powietrze zmniejszając tym samym ilość kondensatu wykroplonego w chłodnicy klimatyzatora i co za tym idzie zmniejszając zużycie energii przez ten klimatyzator o około 15%.
W CZYM JEST GORSZY WYMIENNIK ENTALPIJNY?
Z wymiennikiem entalpijnym temperatura powietrza nawiewanego zimą będzie zawsze niższa. Temperatura powietrza nawiewanego nagrzewanego w wymienniku entalpijnym będzie zawsze niższa niż w przypadku wymiennika przeciwprądowego bez odzysku wilgoci. Niezależnie od tego który produkt wybierzemy nie mamy co liczyć na wartości wyższe niż 16-17°C, a przy dużych mrozach temperatury powietrza nawiewanego mogą spadać nawet do +14°C. Z punktu widzenia odzyskanej energii to i tak lepiej niż w przypadku wymiennika klasycznego ponieważ wymiennik entalpijny nie wymaga stosowania systemu przeciwzamrożeniowego. Z punktu widzenia komfortu niższe temperatury mogą być nieakceptowalne przez użytkownika. Dlatego w rekuperatorach AirPack Home Enthalpy z wymiennikami entalpijnymi są niewielkie nagrzewnice wtórne, których zadaniem jest podnieść temperaturę powietrza nawiewanego o 1-2°C. Moc zużywana przez taką nagrzewnicę jest prawie dwukrotnie niższa od mocy nagrzewnicy wstępnej systemu przeciwzamrożeniowego, dzięki czemu oszczędza energię.
Rekuperator z wymiennikiem entalpijnym jest droższy. Urządzenia z wymiennikiem enatlpijnym są o 15-20% droższe co wynika z wyższego kosztu wymiennika i dodatkowego wyposażenia w postaci nagrzewnicy wtórnej i systemu sterowania tą nagrzewnicą.
Jak dobry jest wymiennik entalpijny nowego AirPacka Home Enthalpy?
PORÓWNANIE SPRAWNOŚCI WYMIENNIKÓW
Dzięki nowej monolitycznej membranie polimerowej o wysokiej przepuszczalności pary wodnej oraz innowacyjnej konstrukcji wymiennik enalpijne w AirPackach Home Enthalpy wyznaczają nowe standardy w zakresie sprawności odzysku wilgoci.
PORÓWNANIE DZIAŁANIA WYMIENNIKÓW ENTALPIJNYCH W BUDYNKU MIESZKALNYM
Porównanie sprawności odzysku wilgoci przy założeniu konkretnych warunków temperaturowych oraz wilgotnościowych w budynku pozwala jednoznacznie porównać wymienniki ciepła. Jednak założenie utrzymania stałej wilgotności w budynku na zadanym poziomie występuje jedynie w budynku, w którym działa nawilżacz. Wówczas większa sprawność odzysku wilgoci oznaczałaby niższe koszty użytkowania nawilżacza. W większości budynków nie ma nawilżacza, dlatego poniżej porównaliśmy parametry powietrza, które uda się uzyskać w budynku, gdy zastosujemy rekuperator z wymiennikiem przeciwprądowym, rekuperator z typowym wymiennikiem entalpijnym oraz AirPacka Home Enthalpy z wymiennikiem entalpijnym. Porównanie wykonaliśmy przy złożeniu, że system grzewczy utrzymuje w budynku temperaturę 20°C, powietrza zewnętrzne ma temperaturę -5°C i wilgotność 80%.
Już niedługo będzie dostepny nowy AirPack Home z wymiennikiem entalpijnym, dla wielkości 600v oraz 650h.