Till- och frånluftsventilation med värmeåtervinning: funktionsprincip, översikt över fördelar och nackdelar

Tillförsel av frisk luft under den kalla årstiden medför behov av uppvärmning för att säkerställa ett korrekt inomhusklimat. För att minimera elkostnader kan till- och frånluftsventilation med värmeåtervinning användas.

Att förstå dess funktionsprinciper gör det möjligt att på ett effektivt sätt minska värmeförluster samtidigt som tillräcklig luftvolym bibehålls. Låt oss försöka reda ut denna fråga.

Energibesparing i ventilationssystem

Under höst- och vårperioden är en stor temperaturskillnad mellan inkommande och befintlig luft ett allvarligt problem vid ventilation. Det kalla luftflödet strömmar nedåt och skapar ett ogynnsamt inomhusklimat i bostäder, kontor och industrier eller en oacceptabel vertikal temperaturgradient i lagerlokaler.

En vanlig lösning är att integrera en värmare i tilluftsventilationen, med vilken luftflödet värms upp. Ett sådant system kräver elkostnader, medan en stor mängd varm luft som släpps ut leder till betydande värmeförluster.

Luftutsläpp med intensiv ånga är en indikator på betydande värmeförluster som kan användas för att värma inkommande flöde.

Om kanalerna för till- och frånluft ligger intill varandra kan en del av värmen från frånluftsflödet överföras till tilluftsflödet. Detta minskar elförbrukningen för värmaren eller gör den överflödig. En anordning för värmeväxling mellan gasflöden med olika temperatur kallas värmeväxlare.

Under den varma årstiden, när utomhustemperaturen är betydligt högre än inomhustemperaturen, kan värmeväxlaren användas för att kyla det inkommande luftflödet.

Uppbyggnad av enhet med värmeväxlare

Den interna uppbyggnaden av till- och frånluftsventilationssystem med integrerad värmeväxlare är ganska enkel, så det är möjligt att köpa och installera komponenterna själv. Om montering eller egeninstallation är komplicerat kan man köpa färdiga lösningar i form av standardiserade monoblock eller individuella modulära konstruktioner på beställning.

Typiskt schema för en från- och tilluftsventilationssystem med en värmeväxlare placerad i ett gemensamt hölje kan kompletteras med andra komponenter efter användarens gottfinnande

Huvudkomponenter och deras parametrar

Höljet med värme- och ljudisolering tillverkas vanligtvis av stålplåt. Vid väggmontering måste det tåla det tryck som uppstår när man fyller springorna runt blocket med skum, samt förhindra vibrationer från fläktarnas drift.

Vid distribuerad från- och tilluft i olika rum ansluts ett kanalsystem till höljet. Det förses med ventiler och spjäll för att fördela flödena.

Om inga kanaler finns, installeras ett galler eller diffusor på tilluftsöppningen från rumsidan för att fördela luftflödet. På tilluftsöppningen från gatusidan monteras en utomhusluftintagsgaller för att förhindra att fåglar, större insekter och skräp kommer in i ventilationssystemet.

Luftrörelsen säkerställs av två fläktar av axial- eller centrifugaltyper. Vid närvaro av en värmeväxlare är naturlig luftcirkulation i tillräcklig mängd omöjlig på grund av det aerodynamiska motstånd som denna komponent skapar.

Närvaron av en värmeväxlare innebär installation av finfilter vid inloppet av båda flödena. Detta är nödvändigt för att minska ansamlingen av damm och fettavlagringar i värmeväxlarens smala kanaler. Annars skulle frekvensen av förebyggande underhåll behöva ökas för att systemet ska fungera fullt ut.

Finfilter måste bytas eller rengöras regelbundet. Annars kommer det ökade motståndet mot luftflödet att leda till att fläktarna går sönder.

En eller flera värmeväxlare upptar huvuddelen av från- och tilluftsaggregatet. De monteras i mitten av konstruktionen.

Vid typiska stränga frost och otillräcklig verkningsgrad hos värmeväxlaren för uppvärmning av utomhusluft kan en eftervärmare installeras. Vid behov monteras även en luftfuktare, joniserare och andra enheter för att skapa ett gynnsamt inomhusklimat.

Moderna modeller har en elektronisk styrenhet. Avancerade varianter har programmeringsfunktioner för driftlägen baserat på luftmiljöns fysikaliska parametrar. De yttre panelerna har ett tilltalande utseende och kan därför enkelt integreras i alla rum.

Lösning på problemet med kondensbildning

Kylningen av luften som kommer från rummet skapar förutsättningar för att fukt avlägsnas och kondens bildas. Vid hög flödeshastighet hinner en stor del inte samlas i återvinnaren utan går ut. Vid långsam luftrörelse stannar en betydande del av vattnet kvar inuti enheten. Därför måste man säkerställa uppsamling av fukt och leda ut den utanför till- och frånluftssystemets hölje.

Den grundläggande anordningen för att samla upp och leda bort kondens är ett tråg placerat under återvinnaren med lutning mot avloppshålet.

Fukten leds till en sluten behållare. Den placeras endast inomhus för att undvika att avloppskanalerna fryser vid minusgrader. Det finns ingen tillförlitlig algoritm för att beräkna mängden vatten som erhålls när man använder system med återvinnare, så den bestäms experimentellt.

Det är inte önskvärt att återanvända kondensvatten för luftfuktning, eftersom vattnet absorberar många föroreningar som mänsklig svett, lukter etc.

Man kan avsevärt minska mängden kondens och undvika problem som är förknippade med det genom att ordna ett separat frånluftssystem från badrum och kök. Det är i dessa utrymmen som luften har högst luftfuktighet. Om det finns flera frånluftssystem måste luftväxlingen mellan teknisk zon och bostadszon begränsas genom installation av backventiler.

Om den utgående luftströmmen kyls till negativa temperaturer inne i återvinnaren övergår kondensen till is, vilket minskar det fria tvärsnittet och därmed minskar ventilationens volym eller helt stoppar den.

För periodisk eller engångsavfrostning av återvinnaren installeras en bypass – en förbikopplingskanal för tilluften. När flödet leds förbi enheten upphör värmeöverföringen, värmeväxlaren värms upp och isen övergår till flytande form. Vattnet rinner ner i kondensuppsamlaren eller avdunstar ut.

Principen för bypasskonstruktionen är enkel, därför är det lämpligt att förutse en sådan lösning vid risk för isbildning, eftersom uppvärmning av återvinnaren på andra sätt är komplicerat och tidskrävande.

När flödet passerar genom bypass värms inte tilluften av återvinnaren. Därför måste en automatisk aktivering av värmebatteriet ske när detta läge aktiveras.

Egenskaper hos olika typer av värmeväxlare

Det finns flera konstruktionsmässigt olika varianter för värmeväxling mellan kall och varm luftström. Var och en har sina särdrag som bestämmer huvudsyftet för varje typ av återvinnare.

Plattvärmeväxlare med korsström

Konstruktionen av plattvärmeväxlaren bygger på tunnväggiga paneler som är sammanfogade växelvis för att alternera passage av oliktempererade strömmar i 90 graders vinkel. En modifiering av denna modell är en anordning med flänsade kanaler för luftgenomströmning. Den har en högre värmeöverföringskoefficient.

Växelvis passage av varm och kall luftström genom plattorna åstadkoms genom att böja plattornas kanter och täta fogarna med polyesterharts.

Värmeväxlingspanelerna kan tillverkas av olika material:

• koppar, mässing och aluminiumbaserade legeringar har god värmeledningsförmåga och är inte rostbenägna;
• plast av hydrofobt polymermaterial med hög värmeledningsförmåga har låg vikt;
• hygroskopisk cellulosa tillåter kondensat att tränga igenom plattan och återföras till rummet.

Nackdelen är möjligheten till kondensbildning vid låga temperaturer. På grund av det lilla avståndet mellan plattorna ökar fukt eller isbildning det aerodynamiska motståndet avsevärt. Vid nedfrysning måste den inkommande luftströmmen stängas av för att värma upp plattorna.

Fördelarna med plattvärmeväxlare är följande:

• låg kostnad;
• lång livslängd;
• lång period mellan förebyggande underhåll och enkelhet att utföra det;
• små dimensioner och låg vikt.

Denna typ av värmeväxlare är vanligast för bostäder och kontorslokaler. Den används också i vissa industriella processer, till exempel för att optimera bränsleförbränning i ugnar.

Trum- eller rotortyp

Funktionsprincipen för en rotoråtervinnare bygger på rotation av en värmeväxlare, inuti vilken lager av korrugerad metall med hög värmekapacitet finns. Genom interaktion med den utgående strömmen värms en sektor av trumman upp, som sedan avger värme till den inkommande luften.

Den finkorniga värmeväxlaren i en rotoråtervinnare är utsatt för igensättning, därför måste man vara särskilt noga med att finfiltren fungerar bra.

Fördelarna med rotoråtervinnare är följande:

• relativt hög verkningsgrad jämfört med konkurrerande typer;
• återföring av en stor mängd fukt, som i form av kondensat stannar på trumman och avdunstar vid kontakt med den inkommande torra luften.

Denna typ av rekuperator används mer sällan för bostadshus med lägenhetsvis eller småhusventilation. Det används ofta i större panncentraler för att återföra värme till ugnar eller för stora lokaler av industriell eller kommersiell underhållningskaraktär.

Men denna typ av anordningar har betydande nackdelar:

• relativt komplex konstruktion med rörliga delar, inklusive elmotor, trumma och remdrift, vilket kräver regelbundet underhåll;
• förhöjd ljudnivå;

Ibland kan man för enheter av denna typ stöta på termen “regenerativ värmeväxlare”, vilket är mer korrekt än “rekuperator”. Orsaken är att en liten del av den utgående luften kommer tillbaka på grund av att trumman inte sluter tätt mot konstruktionens hölje.

Detta medför ytterligare begränsningar för möjligheten att använda enheter av denna typ. Till exempel kan förorenad luft från värmepannor inte användas som värmebärare.

System baserat på rör och hölje

En rörformig rekuperator består av ett system av tunnväggiga rör med liten diameter som är placerade i ett isolerat hölje, genom vilka utomhusluft tillförs. Genom höljet avlägsnas varma luftmassor från rummet, vilket värmer upp den inkommande luftströmmen.

Avlägsnandet av varm luft måste ske genom höljet, inte genom rörsystemet, eftersom kondensvatten inte kan avlägsnas från dem.

De främsta fördelarna med rörformiga rekuperatorer är följande:

• hög verkningsgrad tack vare motströmsprincipen för värmebäraren och den inkommande luften;
• enkel konstruktion och frånvaro av rörliga delar ger låg ljudnivå och sällan behov av underhåll;
• lång livslängd;
• minsta tvärsnitt bland alla typer av återvinningsanordningar.

Rör för enheter av denna typ är antingen av lättmetall eller, mer sällan, av polymer. Dessa material är inte hygroskopiska, så vid avsevärd temperaturskillnad mellan strömmarna kan intensiv kondens bildas i höljet, vilket kräver en konstruktionslösning för dess avlägsnande. En annan nackdel är att metallinnehållet har en betydande vikt trots små dimensioner.

Enkelheten i konstruktionen av den rörformiga rekuperatorn gör denna typ av enhet populär för hemmabygge. Som yttre hölje används vanligtvis plaströr för luftkanaler, isolerade med polyuretanskal.

Anordning med mellanliggande värmebärare

Ibland är tillufts- och frånluftskanalerna placerade på ett visst avstånd från varandra. En sådan situation kan uppstå på grund av byggnadens tekniska egenskaper eller hygienkrav för tillförlitlig separation av luftströmmarna.

I detta fall använder man en mellanliggande värmebärare som cirkulerar mellan luftkanalerna via en isolerad rörledning. Som medium för värmeöverföring används vatten eller en vatten-glykolblandning, vars cirkulation säkerställs av en värmepump.

En rekuperator med mellanliggande värmebärare är en volym- och kostnadskrävande anordning vars användning är ekonomiskt motiverad för lokaler med stora ytor.

Om det är möjligt att använda en annan typ av rekuperator är det bättre att inte använda ett system med mellanliggande värmebärare, eftersom det har följande betydande nackdelar:

• Låg verkningsgrad jämfört med andra typer av anordningar, därför används sådana anordningar inte för små rum med lågt luftflöde;
• Betydande volym och vikt för hela systemet;
• Behov av en extra elektrisk pump för cirkulation av vätskan;
• Ökat buller från pumpens drift.

Det finns en modifiering av detta system där man istället för forcerad cirkulation av värmevätskan använder ett medium med låg kokpunkt, till exempel freon. I detta fall är rörelse i kretsen möjlig på naturligt sätt, men endast om tilluftskanalen är placerad ovanför frånluftskanalen.

Ett sådant system kräver inga extra elkostnader, men fungerar endast för uppvärmning vid en betydande temperaturskillnad. Dessutom krävs en exakt inställning av punkten för fasändring av värmevätskan, vilket kan uppnås genom att skapa erforderligt tryck eller en specifik kemisk sammansättning.

Viktiga tekniska parametrar

Genom att känna till den erforderliga kapaciteten hos ventilationssystemet och rekuperatorns värmeväxlingseffektivitet är det enkelt att beräkna besparingen på luftuppvärmning för rummet under specifika klimatförhållanden. Genom att jämföra den potentiella besparingen med kostnaderna för inköp och underhåll av systemet kan man göra ett välgrundat val för antingen en rekuperator eller en standardkalorifer.

Ofta erbjuder utrustningstillverkare en modellserie där ventilationsblock med liknande funktionalitet skiljer sig åt i luftomsättningsvolym. För bostäder måste denna parameter beräknas enligt tabell 9.1 i SP 54.13330.2016.

Verkningsgrad

Med rekuperatorns verkningsgrad avses värmeöverföringseffektivitet, som beräknas enligt följande formel:

K = (T_s – T_m) / (T_v – T_m)

I vilken:

• T_p – temperaturen på den inkommande luften in i rummet;
• T_n – temperaturen på utomhusluften;
• T_v – temperaturen på luften i rummet.

Maximal verkningsgrad vid normal luftflödeshastighet och en viss temperatur anges i enhetens tekniska dokumentation. Det verkliga värdet kommer att vara något lägre.

Vid egen tillverkning av en platt- eller rörvärmeväxlare för att uppnå maximal värmeöverföringseffektivitet måste följande regler följas:

• Bäst värmeväxling ger motströmsenheter, därefter korsströmsenheter, och minst – enheter med enkelriktad rörelse av båda flödena.
• Värmeväxlingsintensiteten beror på materialet och tjockleken på väggarna som skiljer flödena åt, samt på hur länge luften befinner sig inne i enheten.

Genom att känna till värmeväxlarens verkningsgrad kan dess energieffektivitet beräknas vid olika temperaturer på utomhus- och inomhusluft:

E (W) = 0,36 x P x K x (T_v – T_m)

där P (m³/h) – luftflöde.

Beräkning av värmeväxlarens effektivitet i monetära termer och jämförelse med kostnaderna för inköp och installation för ett tvåvåningshus med en total yta på 270 m² visar att det är lämpligt att installera ett sådant system.

Kostnaden för värmeväxlare med hög verkningsgrad är ganska hög, de har en komplex konstruktion och stora dimensioner. Ibland kan man kringgå dessa problem genom att installera flera enklare enheter så att den inkommande luften passerar genom dem i följd.

Ventilationssystemets kapacitet

Volymen passerande luft bestäms av det statiska trycket, som beror på fläktens effekt och de huvudkomponenter som skapar aerodynamiskt motstånd. Som regel är en exakt beräkning omöjlig på grund av den matematiska modellens komplexitet, därför utförs experimentella studier för standardiserade monoblockkonstruktioner, medan individuella enheter komponentanpassas.

Fläktens effekt måste väljas med hänsyn till kapaciteten hos de installerade värmeväxlarna av alla typer, vilken i den tekniska dokumentationen anges som rekommenderad flödeshastighet eller volym luft som enheten passerar per tidsenhet. Som regel överstiger den tillåtna lufthastigheten inne i enheten inte 2 m/s.

Annars sker en kraftig ökning av det aerodynamiska motståndet vid höga hastigheter i värmeväxlarens trånga element. Detta leder till onödiga elkostnader, ineffektiv uppvärmning av utomhusluften och förkortad livslängd på fläktarna.

Diagrammet över tryckfall som funktion av luftflödeshastighet för flera högpresterande värmeåtervinningsaggregat visar ett olinjärt motstånd, därför måste man följa kraven på rekommenderad luftomsättning som anges i enhetens tekniska dokumentation.

Ändring av luftflödets riktning skapar ytterligare aerodynamiskt motstånd. Därför bör man vid modellering av kanalgeometrin inomhus minimera antalet 90-graders rörböjar. Diffusorer för luftspridning ökar också motståndet, så det är lämpligt att inte använda element med komplexa mönster.

Smutsiga filter och galler skapar betydande hinder för luftflödet, så de måste rengöras eller bytas med jämna mellanrum. Ett effektivt sätt att bedöma igensättning är att installera sensorer som övervakar tryckfallet före och efter filtret.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Arbetsprincipen för roterande och plattrekuperatorer:

Mätning av verkningsgraden för en plattrekuperator:

Hushålls- och industriventilationssystem med integrerad värmeåtervinning har bevisat sin energieffektivitet för att bevara värme inomhus. Det finns nu många erbjudanden om försäljning och installation av sådana enheter, både som färdiga och beprövade modeller samt enligt individuell beställning. Det går att själv beräkna nödvändiga parametrar och utföra installationen.

Om du har frågor eller hittar felaktigheter i vårt material när du läser informationen, vänligen lämna dina kommentarer i blocket nedan.