Vliv větracího systému s entalpickým výměníkem na interiérové mikroklima

mikroklima

Úvod

Interiérové mikroklima v obytných budovách je ovlivňováno lidmi, kteří v nich žijí. V důsledku přítomnosti a aktivit osob (jako je např. vaření a sprchování) a přítomnosti rostlin je v něm vzdušná vlhkost. Větrací systém může pomáhat snižovat vysokou vlhkost vzduchu v interiéru, anebo ji i zvyšovat. Vnitřní vzduch je v zimě nahrazován studeným venkovním vzduchem, který zpravidla obsahuje méně vlhkosti než interiérový vzduch.

V zimě se ale může vlhkostní mikroklima dostat do nerovnováhy (např. silným větráním při velmi nízké relativní vlhkosti venkovního vzduchu) tím, že vlhkost vzduchu v obytných místnostech silně poklesne. Relativní vlhkost vzduchu v interiéru nižší než 30 % může vést k vysušování dýchacího ústrojí a tím může negativně ovlivňovat zdravotní stav obyvatel. Může také nepříznivě ovlivňovat stavební konstrukce (např. sesychání dřevěných podlah), nábytek i koberce.

Použitím entalpického výměníku, jako součásti rekuperační větrací jednotky, lze snížit riziko velmi nízké vlhkosti vzduchu v interiéru během zimních měsíců. Zatímco běžné větrací systémy s rekuperací tepla získávají energii zpět jen ve formě tepla, rekuperační větrací jednotky s entalpickým výměníkem získávají zpět nejen teplo, ale i vlhkost.

Účinek větracích jednotek s entalpickými výměníky je zřejmý především v domech s velmi nízkou vzdušnou infiltrací a s vnitřními zdroji vlhkosti (vaření, sprchování, zalévání rostlin). Bez těchto zdrojů vlhkosti není možná žádná rekuperace vlhkosti – potom není rozdíl v tom, zda je používán větrací sy­stém s entalpickým výměníkem či jen běžným výměníkem tepla.

Obr. 1 • Pomocí entalpického výměníku, který je volitelně dodáván například u větracích jednotek výrobců Zehnder a Paul, je v budově optimalizována relativní vlhkost vzduchu. Jedná se o ideální ochranu proti příliš suchému vzduchu v zimě. Vlhkost z odváděného vzduchu je přes speciální polymerické membrány předávána přiváděnému čerstvému vzduchu, přičemž vlastnosti membrán zabraňují přenosu pachů a mikrobů. Rovněž v „parném“ létě s vysokou relativní vlhkostí venkovního vzduchu vytváří entalpický výměník příjemnější vnitřní klima. V tomto případě vlhkost prostupuje membránami v obráceném směru a naopak zabraňuje přívodu příliš vlhkého teplého vzduchu z vnějšku

Koncept monitorování

K exaktnímu zjištění vlivu entalpického výměníku na vnitřní prostředí bylo provedeno monitorování na vybraném rodinném domě. Tento dům (obr. 2) je situován v Rotterdamu a má instalován systém řízeného větrání s rekuperací. Rozvody vzduchu tvoří pružné potrubí kruhového průřezu, které vede paprskovitě z centrálních rozdělovačů do jednotlivých místností v domě. Provoz instalované rekuperační větrací jednotky Zehnder ComfoAir 350 je regulován především pomocí čidla CO₂, které je osazeno v obývacím pokoji. Standartní množství větracího vzduchu je nastaveno na 210 m^3·h^–1 a je automaticky zvyšováno, pokud stoupne koncentrace CO₂ v obývacím pokoji či relativní vlhkost v koupelně, v které je instalováno vlhkostní čidlo.

Obr. 2 • Monitorovaný dům v Rotterdamu

Během monitorování v zimě 2012 byla rekuperační větrací jednotka střídavě vybavena běžným křížovým protiproudým výměníkem tepla a výměníkem entalpickým. Bohužel zima byla velmi krátká a teploty poklesly pouze jednou za dvoutýdenní období pod 0 °C. Během této chladné fáze byl použit běžný výměník tepla, ale po instalaci entalpického výměníku již nenastaly žádné velmi nízké venkovní teploty.

Aby se porovnalo interiérové mikroklima při podobných venkovních podmínkách, byla porovnána dvě období v délce osmi dní. V těchto dnech panovaly podobné venkovní podmínky s teplotami mezi 5 až 10 °C a s absolutní vlhkostí vzduchu mezi 4 až 6 g·kg^–1. Během těchto období byly teplota vzduchu a jeho vlhkost monitorovány pro každý ze čtyř proudů vzduchu: venkovní vzduch, do interiéru přiváděný vzduch, z interiéru odváděný vzduch a z objektu odvětrávaný vzduch.

Rekuperace s entalpií

Entalpie je komplexní pojem vyjadřující tepelnou energii uloženou v jednotkovém množství látky. Entalpie vlhkého vzduchu se skládá ze součtu tzv. senzibilní a latentní energie. Senzibilní energie se vztahuje k teplotě vzduchu a latentní energie k vlhkosti obsažené ve vzduchu, která je též nositelem energie.

Obvyklý výměník tepla s teplosměnnou plochou, která neumožňuje přestup vlhkosti, přenáší jen teplo (sensibilní energii) mezi dvěma proudy vzduchu – zimní venkovní studený vzduch je ohříván odváděným interiérovým vzduchem. Entalpický výměník (poznámka: ne­existuje žádný tepelný entalpický výměník) přenáší nejen teplo, ale současně umožňuje i přestup vlhkosti mezi dvěma proudy vzduchu. V zimě se proto vstupující venkovní chladný vzduch přes stěnu výměníku nejen ohřívá od odváděného vnitřního vzduchu, ale současně z odváděného vlhčího vzduchu přes stěnu výměníku proniká vlhkost do suššího venkovního vzduchu. Jak bylo uvedeno výše, vlhkost je nositelem energie a tak se činností entalpického výměníku do domu vrací nejen část vlhkosti, ale i část energie, kterou nese.

Na obr. 3 je zobrazen vliv výměníku tepla a výměníku entalpie na vlhkost přiváděného vzduchu na základě hodinových průměrných hodnot za posuzované období osmi dní. Horizontální osa ukazuje absolutní vlhkost venkovního vzduchu (před výměníkem) a na vertikální ose je znázorněna absolutní vlhkost přiváděného vzduchu (za výměníkem). Zatímco rekuperace tepla (obr. 3a) nemá vliv na vlhkost přiváděného vzduchu, vyplývá z rekuperace entalpie výrazný nárůst u vlhkosti přiváděného vzduchu. Tato vlhkost se získává z odváděného vzduchu – to znamená z vlhkosti v domě.

Obr. 3 • Vliv rekuperace tepla (a) a rekuperace entalpie (b) na vlhkost přiváděného vzduchu

Průměrný nárůst absolutní vlhkosti v přiváděném vzduchu činí přibližně 1 až 2 g·kg^–1. To činí pro typické větrací vzduchové množství 150 m^3·h^–1 rekuperaci 4 až 8 litrů vody za den.

Interiérové mikroklima

Na obr. 4 jsou v Mollierových (h–x) diagramech znázorněny hodinové hodnoty pro teplotu a vlhkost vzduchu po období osmi dní s výměníkem tepla (obr. 4a) a s výměníkem entalpie (obr. 4b).

Obr. 4 • Vliv rekuperace tepla (a) a rekuperace vlhkosti (b) na přiváděný vzduch a na vzduch v interiéru

Přitom je vzduchové množství přiváděného vzduchu zobrazeno následovně: venkovní vzduch (před výměníkem) je zobrazen zelenými tečkami a do interiéru přiváděný vzduch (za výměníkem) je zobrazen červenými tečkami. Obr. 4 ukazuje, že teplota v důsledku rekuperace tepla stoupne na 20 °C, to znamená téměř na vnitřní teplotu. Rekuperace entalpie má z pohledu teploty stejný vliv, zajistí ale také nárůst vlhkosti – jak naznačuje černá šipka, která ukazuje šikmo doprava.

Na obr. 4 je znázorněn z interiéru odváděný vzduch žlutými tečkami – je patrné, že vnitřní vlhkost je při stejných venkovních podmínkách vyšší, pokud se použije výměník entalpie (entalpický výměník). Při rekuperaci tepla kolísá relativní vlhkost vnitřního vzduchu v tomto (relativně mírném) období mezi 35 % a 45 %, zatímco u rekuperace entalpie leží mezi 45 % a 50 %. Z toho lze vyvodit, že relativní vlhkost vnitřního vzduchu v zimě v důsledku použití rekuperace entalpie stoupne až o 10 %.

Účinnost

Hodnoty účinnosti za období osmi dní jsou shrnuty v tab. 1.

Tab. 1 • Tepelná a vlhkostní účinnost dvou druhů výměníků

Tepelná účinnost h_th se vypočte z teplot T, vlhkostní účinnost (nebo latentní účinnost) h_hum se vypočte z hodnot absolutní vlhkosti c pomocí následujících vzorců:

Pro výměník tepla činí průměrná tepelná účinnost při mírných venkovních teplotách 89 %.

Při studeném venkovním vzduchu může ve výměníku tepla ve zpětném proudu vzduchu dojít ke kondenzaci, která bude zpětný proud vzduchu částečně blokovat. V důsledku toho poklesne při kondenzaci tepelná účinnost na 70 %. Protože v tomto případě výměník tepla nepřenáší žádnou vlhkost, je vlhkostní účinnost rovna nule.

Pro výměník entalpie byla naměřena průměrná tepelná účinnost 88 %, zatímco vlhkostní účinnost činí průměrně 65 %. Tyto hodnoty odpovídají laboratorním hodnotám, které jsou udávány v technických listech.

Shrnutí

• Větráním se vydýchaný vzduch a tím také vlhkost odvádí z vnitřních prostorů domu.
• Pokud bude v zimě přiváděn do vnitřních prostor domu suchý venkovní vzduch, může se vlhkostní režim dostat do nerovnováhy a může vzniknout nepříjemně suché interiérové mikroklima.
• Pro vyrovnání vlhkostního režimu lze s pomocí výměníku entalpie (entalpického výměníku) část vlhkosti (ve formě čisté vodní páry) přenést z odváděného vzduchu do vzduchu přiváděného.
• V monitorovaném domě ležela rekuperovaná absolutní vlhkost u hodnoty přibližně 1 až 2 g·kg^–1.
• Rekuperací entalpie bylo možné relativní vlhkost vnitřního vzduchu v monitorovaném domě zvýšit v porovnání s pouhou rekuperací tepla o 10 % (např. z 35 % na 45 %).
• Tepelná a vlhkostní účinnost v monitorovaném domě odpovídají laboratorním hodnotám, které jsou udávány v technických listech.

Obr. 5 • Inovativní konstrukce entalpických výměníků Zehnder a Paul s polymerickými membránami umožňuje snadné čištění a propláchnutí vodou, a tím se mnohonásobně zvyšuje životnost větrací jednotky bez snižování účinnosti rekuperace. Entalpické výměníky zabraňují vzniku kondenzátu a rovněž zamrzání větracích jednotek v zimním období, kdy jednotky s tímto výměníkem mohou efektivně pracovat až do venkovní teploty cca –10 °C a v kombinaci s elektrickým předehřevem až do –20 °C až –25°C