Rekuperace: Velký přehled technických řešení pro zpětné získávání energie

Slovo „energie“ je v posledních třech letech snad jedno z nejskloňovanějších. Energie ze slunce, z větru, energie jaderná, akumulace energie do baterií nebo do vodíku, snižování spotřeby energie v automobilech, výrobních procesech i v bytových budovách.

Tento článek se bude věnovat energii tepelné, kterou už si klient jednou koupil, ať už byla vyrobena jakkoli, a nyní je potřeba zajistit, aby o ni při běžném užívání domu nepřišel.

V loňském čísle TZB 04/2023 byl uveřejněn článek věnovaný vztahu vytápění a větrání, který zmiňoval, že teplo nebo chlad z našich domů (bytů, kanceláří, provozoven atd.) uniká zaprvé obvodovým pláštěm (tepelná ztráta nebo zisk prostupem), ale také větráním. Výměna vzduchu v budově je ovšem nezbytná z mnoha důvodů a nedá se nijak „ošidit“. Již více než sto let víme, kolik čerstvého vzduchu je potřeba přivádět pro jednoho člověka – obyvatele budovy –, abychom zajistili odvod škodlivin, pachů, oxidu uhličitého a vodní páry a přivedli dostatek kyslíku a čistého vzduchu obecně.

Samozřejmě, že to platí podobně i v průmyslových a komerčních objektech, kde ovšem navíc mohou vznikat i jiné škodliviny, a tak větrání získává na dalším významu. Všude tam platí, že s extrakcí vzduchu z objektu s ním odchází i energie v něm uložená. Jednoduše řečeno – v zimě jsme museli venkovní čerstvý vzduch ohřát na pokojovou teplotu a potom ho při větrání zase vyfoukneme ven a přivedeme si nový, opět studený. Takto skutečně funguje větrání od nepaměti a všichni s tím museli počítat. To, co přineslo zcela nový vítr do těchto stojatých vod oboru vzduchotechniky, byl vynález rekuperace.

Rekuperace – stručná historie

Obecně se rekuperací myslí jakékoli zpětné získávání energie (tepelné, elektrické apod.), typicky v dopravě nebo specifických průmyslových aplikacích. V tomto článku se ale budeme rekuperací zabývat pouze z pohledu větrání budov, a budeme tedy mluvit o zpětném získávání odpadního tepla ze vzduchu při nuceném větrání.

Historie zpětného získávání tepla při větrání se začala formovat v průběhu 20. století a byla silně ovlivněna potřebou snížení energetické náročnosti budov. Počátky rekuperačních systémů lze vystopovat do dvacátých let 20. století, kdy se technologie používaly především v průmyslu. První výměníky tepla byly navrženy tak, aby opětovně využívaly teplo z výrobních procesů, což umožňovalo šetřit palivo a snižovat provozní náklady.

V 60. letech začaly systémy zpětného získávání tepla pronikat i do obytných a komerčních budov, především v západní Evropě a Severní Americe. Díky důrazu na energetickou efektivitu byly vyvinuty první rekuperační jednotky, které dokázaly minimalizovat tepelné ztráty způsobené tradičním větráním. Tyto první systémy používaly jednoduché křížové výměníky tepla, které přenášely teplo z odváděného vzduchu do přiváděného, aniž by docházelo k jejich smísení.

Energetická krize v 70. letech měla zásadní vliv na rozvoj technologií pro rekuperaci vzduchu. Vzrůstající ceny energií vedly k většímu zájmu o snižování energetické náročnosti budov. To podnítilo vývoj pokročilejších výměníků tepla. Tyto systémy umožnily udržovat dobrou kvalitu vzduchu uvnitř budov, aniž by bylo nutné vynakládat velké výdaje na vytápění či chlazení. V té době se fenoménem zpětného získávání tepla začal zabývat i zakladatel společnosti ATREA, Ing. Petr Morávek, CSc. Byl to právě on, kdo pojem „rekuperace“ po sametové revoluci začal propagovat v České republice.

S rostoucími požadavky na energetickou účinnost v 90. letech se rekuperační systémy staly standardem v mnoha evropských zemích, zejména v těch s chladnějším podnebím. Vlády začaly poskytovat dotace na instalaci rekuperačních jednotek v obytných domech i komerčních budovách, jelikož tyto systémy mohly v zimních měsících dramaticky snížit náklady na vytápění tím, že dokázaly z odváděného vzduchu získat až 90 % tepla zpět. Vedle toho se začala stále více zmiňovat důležitost kvality vnitřního vzduchu. Rekuperační systémy získaly na popularitě, protože zajišťují přívod čerstvého vzduchu a zároveň snižují riziko vzniku plísní a přenos prachu a nečistot v dobře utěsněných, energeticky úsporných budovách.

Dnešní rekuperační systémy jsou mnohem efektivnější, kompaktnější a často v sobě integrují i další funkce a zejména v budovách s téměř nulovou spotřebou energie, kde je minimalizace ztrát větráním klíčová, jsou nenahraditelné. Rekuperace vzduchu se tak vyvinula z jednoduchých průmyslových systémů až po sofistikované technologie, které jsou dnes nezbytné pro dosažení komfortu a energetické udržitelnosti v moderních budovách.

Rekuperace – technická řešení

Zpětné získávání tepla lze ve vzduchotechnických jednotkách realizovat několika způsoby. Budeme se krátce zabývat těmi nejpoužívanějšími.

Rekuperace oddělenými výměníky (RAC = Run-around coil)
Princip: V proudu odpadního vzduchu je klasický trubkový lamelový výměník, který odebírá teplo ze vzduchu a předává ho proudícímu médiu. Druhý, podobný výměník je i v proudu přívodního vzduchu, aby mu mohl teplo předávat. Oba výměníky jsou spojeny potrubím, v němž za pomoci čerpadla proudí voda, nemrznoucí směs nebo olej (podle teploty zdroje). Systém lze například použít i na přenos tepla ze spalin. Teoreticky může výměník předávat teplo i do vody místo do vzduchu.
Výhody: Velkou výhodou tohoto systému je, že může být každý výměník umístěn zcela jinde, v jiné VZT jednotce, v jiné části budovy. Výměníky mohou být různé konstrukce a materiálu podle proudící vzdušniny. Výhodou je možnost 100% mezisektorové těsnosti – oddělení vzduchů z jednotlivých sektorů.
Nevýhody: Nevýhodou je poměrně malá účinnost přenosu tepla při velké tlakové ztrátě na vzduchové straně. Dále je součástí systému čerpadlo, tedy mechanický prvek, který spotřebovává energii a je principiálně poruchový.
Regulace: Regulace výkonu se řeší změnou otáček čerpadla.
Protimrazová ochrana: Výměník na chladné straně může být vybaven elektrickými topnými tyčemi nebo kabely, nebo se může ve speciálních případech systém odmrazovat otočením oběhu teplonosné látky.

Rekuperace tepelnými trubicemi
Princip: Výměník je tvořen svislými nebo alespoň vertikálně šikmo položenými trubicemi. Mohou to být měděné trubky s vnějšími lamelami. Každá je naplněna chladivem a hermeticky na obou koncích uzavřená. Tento výměník musí být svou spodní částí umístěn v proudu teplého vzduchu, z něhož bude teplo odnímat, a horní část musí mít v proudu studeného vzduchu. Při ohřátí trubice ve spodní části se kapalné chladivo uvnitř trubice vypaří, stoupá do horní části a nese s sebou výparné teplo. Tam se dotýká stěny trubice ochlazované okolo proudícím vzduchem a na ní zkondenzuje. Po vnitřních stěnách trubice chladivo stéká dolů, a tím se okruh uzavírá.
Výhody: Systém neobsahuje žádný mechanický prvek. Výměník (trubice) může být z různých materiálů přizpůsoben proudící vzdušnině. Výhodou je poměrně dobrá mezisektorová těsnost.
Nevýhody: Nevýhodou je malá účinnost přenosu tepla při velké tlakové ztrátě na vzduchové straně. Dále se stává, že z trubice chladivo unikne, což je samozřejmě neekologické, ale především se snižuje účinnost celého výměníku, aniž by se dal problém dobře detekovat a opravit. Další nevýhodou je nutnost mít vždy teplejší vzduch na spodní straně (není možná letní „rekuperace chladu“).
Regulace: Regulace výkonu se řeší obtokem výměníku.
Protimrazová ochrana: Lze ji řešit bypassem studeného vzduchu. Nebo může být výměník na chladné straně vybaven elektrickými topnými tyčemi nebo kabely.

Rekuperace rotačním výměníkem
Princip: Výměník je tvořen rotujícím diskem z akumulačního materiálu, jímž prochází vzduch. Běžně bývá vyroben z vlnitého hliníkového plechu stočeného do kotouče. Rotační disk je umístěn mezi proudem teplého a studeného vzduchu a otáčí se kolem své osy. Rychlost otáčení je řádově 1- až 20krát za minutu. Rotor může mít různé průměry od několika centimetrů do několika metrů, podle velikosti VZT jednotky. Tloušťka disku bývá běžně mezi jedním a třemi decimetry.
Teplý vzduch prochází tenkými kanálky v rotoru a tím ohřívá akumulační hmotu. Po otočení se teplá část rotoru dostává do chladné části vzduchu, který se průchodem perforací ohřívá. U rotoru se často mluví o samočistící schopnosti, kdy prach a nečistoty, které se na něm zachytí při průchodu vzduchu jedním směrem, jsou po otočení rotoru uneseny druhým proudem vzduchu. Neodfiltrované nečistoty z interiéru se tak dostávají zpět do přívodního vzduchu.
Protože k přenosu tepla dochází přes akumulaci v materiálu, měli bychom správně proces nazývat „regenerací“ namísto „rekuperací“.
Výhody: Výhodou je poměrně dobrá teplotní účinnost. Za výhodu se může v určitých aplikacích považovat i přenos vlhkosti. Vlhkost obsažená v teplém odpadním vzduchu zkondenzuje na studeném povrchu výměníku a rotací je přenesena do přívodného vzduchu, kde se odpaří a vrátí do budovy. Tím se zvyšuje i celkový přenos entalpie a energetická účinnost.
Nevýhody: Nevýhodou je především velká mezisektorová netěsnost, která je daná již samotným principem řešení a nelze ji zcela eliminovat. Více se o ní zmiňuji v samostatné kapitole.
Nevýhodou může být i přenos vlhkosti, která je často odváděnou škodlivinou (bazény, kuchyně…), ale především obsahuje těkavé organické látky (zápachy), které se pak šíří po objektu. Další nevýhodou je motor, tedy mechanický prvek, který spotřebovává energii a je principiálně poruchový.
Regulace: Regulace výkonu se řeší změnou otáček rotoru.
Protimrazová ochrana: Díky přenosu vlhkosti dochází k namrzání až při nižších teplotách (cca pod -8 až -12 °C) a při vyšších vlhkostech vzduchu. Nicméně jedinou možností je potom předehřev chladného vzduchu. Tématu se věnuje samostatná kapitola.

Rekuperace deskovým výměníkem
Princip: Výměník je tvořen deskami z tenkého materiálu, mezi kterými střídavě proudí odpadní a přívodní vzduch (sudými a lichými mezerami). Mezery mezi deskami jsou řádově několik milimetrů. Odpadní a čerstvý přívodní vzduch se ve výměníku nemíchá, pouze si přes plochu desek předá teplo. Desky se běžně vyrábějí z plastových nebo hliníkových fólií, které jsou tvarovány pro maximalizaci přenosu tepla. Výměník může být koncipován jako křížový nebo jako protiproudý s vyšší účinností.
V posledních letech se vyvíjí obor tzv. entalpických výměníků, kde jsou desky tvořeny membránou propouštějící vodní páru. Tím se zajistí určité procento zpětného získávání vlhkosti do objektu. Ovšem pozor na přenos pachů, jímž většina takových výrobků trpí.
Výhody: Výhodou je velmi vysoká účinnost přenosu tepla. Další výhodou je možnost dosažení vysoké mezisektorové těsnosti (pod 1 % netěsnosti). Výhodou také je, že systém neobsahuje žádný mechanický prvek.
Nevýhody: Nevýhodou je poměrně velký objem výměníku ve větrací jednotce a také nutnost protimrazové ochrany dle klimatických podmínek.
Regulace: Regulace výkonu se řeší obtokem výměníku.
Protimrazová ochrana: K namrzání na chladné straně dochází při nižších teplotách (cca pod -5 °C) a vyšších vlhkostech vzduchu. Nejefektivnější možností je dobře regulovaný předehřev chladného vzduchu. Ale setkáme se i s řešením pomocí rozvážení průtoků vzduchu nebo otevíráním obtoku chladného vzduchu. Budu se o nich zmiňovat podrobněji dále v článku.

Rekuperace – Diskutovaná témata

V této kapitole si posvítíme na několik samostatných, i když do značné míry provázaných témat, o nichž se stále diskutuje jak mezi odbornou, tak i laickou veřejností, na konferencích i fórech sociálních sítí.

Těsnost
Proč potřebujeme, aby byla větrací jednotka, a tedy i její srdce – rekuperační výměník – těsný? Když pro větrání použijeme otevření okna, tak se v něm začne mísit čerstvý a vydýchaný vzduch a tato směs se částečně přivádí do interiéru a částečně zase odchází oknem ven. Je otázkou náhody a kombinace síly větru a teplotních poměrů, jak moc čerstvého vzduchu se dostane do místnosti.

Na rozdíl od toho nechceme při použití nuceného větrání (se vzduchotechnickou jednotkou) už na náhodě nechávat nic. Množství čerstvého vzduchu je vypočítáno projektantem větracího systému a je na něj navrženo také potrubí a další prvky. Ventilátory spotřebovávají energii, aby toto množství vzduchu přepravily do objektu a z objektu. Pokud bude ale větrací jednotka netěsná, znamená to, že část přepravovaného vzduchu je vlastně starý vydýchaný vzduch, který se omylem smíchal s požadovaným čerstvým. Čerstvého vzduchu bude v budově nedostatek. A pokud se objekt větrá na základě čidel kvality vzduchu, bude muset větrací jednotka přepravovat větší množství vzduchu, aby dodala očekávané množství toho čerstvého. To znamená větší energetickou spotřebu, akustickou zátěž a podobně.

Druhým důvodem pro těsnost je fakt, že na rozdíl od větrání okny, v nuceném systému často odvádíme vzduch z jiných místností, než do kterých čerstvý přivádíme. Typicky vzduch v obytných budovách odvádíme z koupelen, toalet a případně kuchyní. Čerstvý pak přivádíme do ložnic a pobytových místností. Jistě se shodneme, že netěsnost, tedy přimíchávání pachů z odpadního vzduchu do čerstvého, je v takovéto situaci velmi nevhodná.

V posledních letech se již naštěstí začalo o netěsnosti jako důležitém fenoménu mluvit a psát a postupně se požadavek na těsnost, jako vlastnost vzduchotechnických systémů, dostává i do legislativy.

Protože je tento článek zaměřen na téma rekuperace, hodí se zde poznamenat, že všechny typy rekuperátorů, až na rotační výměník, mohou být teoreticky dokonale těsné. Záleží ovšem na kvalitě provedení. Proto je dobré, aby klient údaj o těsnosti při nákupu větrací jednotky sledoval. U deskových rekuperátorů bych považoval za dobrou netěsnost pod 1 %.

U rotačních výměníků stoprocentní těsnost možná ani teoreticky není. Rotor sám o sobě přenáší určité množství vzduchu mezi sektory jednotky, a navíc je také po obvodu opatřen kluzným těsněním (kartáčky, labyrintním těsněním a podobně), jež má vždy jen omezenou těsnost, zejména s ohledem na opotřebení. Velmi záleží na tlakových poměrech uvnitř jednotky definovaných polohou obou ventilátorů vůči rotoru. V některých reálných měřeních vychází netěsnost jednotky s rotačním rekuperátorem i na 30 %. Ve velmi dobrých instalacích je pod 10 %. Z tohoto důvodu se rotační regenerátory nedoporučuje používat například v nemocnicích nebo objektech s kuchyněmi a jinými výraznými zdroji zápachu, kde může netěsnost ovlivnit kvalitu prostředí.

Materiál deskového výměníku
Deskové výměníky se běžně vyrábějí buď z hliníkových, nebo plastových desek. Mezi používané plasty patří zejména houževnatý polystyren (HIPS) nebo polyethylen (PET). Možná si řeknete, že je divné používat pro přenos tepla materiál s nízký součinitelem prostupu tepla. Nejste sami, a proto zde nabízím fyzikální vysvětlení.

Kondenzát

Kapitolu uvedu historkou, kdy mi klient telefonoval v obavě, že mu ve vzduchotechnické jednotce něco prasklo, protože mu z ní vytéká voda. Ukázalo se, že voda vytéká z nepřipojeného odvodu kondenzátu, tedy tam, kde má. Pro laiky stručně vysvětlím, kde se tato „voda“ ve výměníku bere:

Vzduch odváděný z místností má v sobě určitý, většinou docela veliký, obsah vodní páry. Hovoříme o takzvané relativní vlhkosti, která se měří v procentech. Této hodnotě se říká relativní proto, že závisí na teplotě vzduchu. Stejný vzduch se stejným obsahem vodní páry (stejná hmotnost vodní páry v každém kilogramu suchého vzduchu) může mít různou relativní vlhkost v závislosti na teplotě. Je to jednoduché – do teplého vzduchu se „vejde“ více vodní páry než do studeného. Tedy s rostoucí teplotou relativní vlhkost stejného vzduchu (de facto směsi vzduchu a vodní páry) klesá.

A naopak logicky, při poklesu tepoty relativní vlhkost stoupá. Ovšem pozor, nemůže stoupat nad 100 %. To je okamžik, kdy se již množství vody do takto chladného vzduchu prostě „nevejde“, voda se neudrží ve formě páry a začne měnit skupenství na kapalné. (Této teplotě říkáme rosný bod.) A děje se to nejen při zchlazování vzduchu, ale dokonce i při kontaktu teplého vzduchu s chladným povrchem. V praxi to známe jako jev, kdy se na zrcadle v koupelně vysráží kapičky vody nebo se orosí studená sklenice. Je to vzdušná vlhkost z okolního prostředí, která zkondenzovala na studeném povrchu, jehož teplota je nižší než rosný bod okolního vzduchu.

A nyní je již zřejmé, co se děje v rekuperačním výměníku, kde proudí dva vzduchy různé teploty. Venkovní, v zimě výrazně chladnější, vzduch ochlazuje rekuperátor a teplý vlhký vzduch z interiéru se dotýká tohoto studeného povrchu. Ochlazuje se, aby předal teplo čerstvému přívodnímu vzduchu, což je smyslem rekuperace, ale zároveň zde dochází ke kondenzaci vlhkosti v něm obsažené.

Musíme si ovšem uvědomit, že se nejedná o čistou vodu, ale o kondenzát obsahující také velké množství těkavých látek, éterických olejů, prachových částic a podobně. Rozhodně není rozumné tento kondenzát znovu používat pro vlhčení pobytových místností. Běžně se kondenzát nechává odtékat do kanalizace gravitačně, nebo za pomoci čerpadel kondenzátu.

Je logické, že když se při větrání odvádí vlhký vzduch z místností a nahrazuje se vzduchem zejména v zimním období velmi suchým, vede to ke snižování relativní vlhkosti v objektu se všemi spojenými negativními důsledky. Ovšem tento jev nesouvisí nijak s rekuperací, neboť k úplně stejnému vysoušení by došlo i při stejné intenzitě větrání okny nebo jednotkou bez rekuperace. Problémem je zde „převětrávání“ (zbytečně velká intenzita větrání během dne) a nedostatek zdrojů vlhkosti v interiéru (květiny, sušení prádla nebo vaření). Řešením může být entalpický výměník, o kterém se zmíním dále v článku.

Protimrazová ochrana

V předchozí kapitole jsme se dozvěděli, jak a proč vzniká uvnitř rekuperačních výměníků kondenzát. A je jasné, že pokud teplota povrchu klesne pod nulu, začne tato vlhkost na povrchu na straně odtahového vzduchu namrzat. S rostoucí námrazou se zužuje cesta a tím se i zmenšuje množství teplého odváděného vzduchu, čímž se další namrzání zintenzivňuje. Vrstva námrazy postupně narůstá, protimrazová ochrana je proto nezbytná.

V závislosti na teplotní účinnosti rekuperátoru a absolutní vlhkosti odtahového vzduchu bude k namrzání docházet při venkovních teplotách cca pod -5 °C až -10 °C. Čím vyšší účinnost rekuperátoru, tím větší je pravděpodobnost námrazy.
Pro entalpické deskové rekuperátory a rotační regenerátory platí stejné fyzikální zákony jako pro výměníky bez přenosu vlhkosti. Množství kondenzátu je sice nižší, protože část vlhkosti přechází do přívodního vzduchu, nicméně k namrzání dochází i zde. Námrazy je méně a projeví se až při nižších teplotách (okolo -10 °C až -15 °C). Protimrazová ochrana se doporučuje zejména pro chladnější oblasti.

U některých typů deskových výměníků (např. na bázi celulózy) může dojít k nevratnému poškození materiálu mrazem. Pokud dojde k výraznému namrznutí vody na rotoru, ucpou se průchozí vzduchové kanálky akumulačního materiálu rotoru a může dojít ke zničení rotoru nebo ložisek tlakem proudícího vzduchu. Výrobci rotorů proto doporučují protimrazovou ochranu v aplikacích, kde se očekává teplota vzduchu pod -10 °C.

Ochrana výměníků před namrzáním pomocí by-passu

Jednou z možností ochrany rekuperátoru před namrznutím je by-pass (ochoz, obtok) studeného vzduchu. Výměníkem tedy prochází pouze (nebo ve zvýšeném poměru) teplý vzduch, který zároveň zajistí odmrazování již namrznutého povrchu výměníku, zatímco čerstvý vzduch se bez předehřátí dostává do dalších sekcí vzduchotechniky.

Pokud nemá být výrazně snížen komfort, nebo dokonce porušeny základní hygienické předpisy v interiéru (příliš nízká teplota vzduchu vyfukovaného do místností), musí dohřev zajistit ohřívač za rekuperátorem. V případě použití by-passu jako protimrazové ochrany musí být výrazně navýšen výkon ohřívačů (cca na trojnásobek) a regulačně zajištěna jejich správná funkce. Určitou část ztráty způsobené odstavením rekuperátoru může přenést i otopná soustava v budově. Každopádně je to energeticky poměrně náročná metoda.

Tento způsob se běžně nepoužívá u rotačních regenerátorů, kde je by-pass technicky špatně řešitelný.

Ochrana rozvážením průtoků

Tento způsob pracuje na podobném principu jako by-pass, ale nedochází k úplnému přerušení proudu studeného vzduchu přes rekuperátor. Rozvážení znamená snížení průtoku chladného vzduchu a zvýšení průtoku odpadního teplého vzduchu přes rekuperátor. Tím dochází k nárůstu teploty v rekuperátoru a odtávání námrazy. Samozřejmě ve větraném objektu vzniká rozvážením ventilátorů podtlak, což má dva nepříjemné efekty.

U těsných budov bude docházet k pohybu výplní stavebních otvorů (bouchání dveří a oken) a ve všech případech bude docházet k neřízenému přívodu čerstvého, velmi chladného vzduchu mezerami v obvodové konstrukci. Zatímco u by-passového řešení se dá komfort zajistit instalací a regulací dohřívače, v tomto případě je s diskomfortem (průvan od oken) potřeba počítat. Veškerou energii, kterou nepřinese rekuperátor, musí opět nahradit otopná soustava, což je energeticky náročné.

Ochrana předehřevem

V tomto případě je před výměník zpětného získávání tepla předřazen takzvaný předehřívač. Tedy topné těleso, jehož smyslem je předehřát chladný vzduch tak, aby na straně odtahu nedocházelo k namrzání. Systém s předehřevem je jako jediný schopen zajistit stálý komfort v objektu. Tento způsob ochrany předchází vzniku námrazy, zatímco výše zmíněné způsoby řeší až následek. Část výkonu předehřívače (rozdíl mezi 100 % a účinností rekuperátoru) je přínosem do tepelné bilance.

Při použití tohoto způsobu ochrany může uživatel dojít k mylnému závěru o spotřebě energie. Předehřívač jako součást VZT systému má totiž snadno měřitelnou spotřebu energie, která bývá přičítána na vrub vzduchotechnice, respektive protimrazové ochraně. Přitom v ostatních případech (by-pass nebo rozvážení) je energie vynaložena také, ale je skryta ve spotřebě otopné soustavy (dohřívač vzduchu ve VZT systému s by-passem nebo vytápění objektu v případě neřízeného přívodu studeného vzduchu při rozvážení ventilátorů).

Roční spotřeba předehřívače se v závislosti na provozu a venkovních klimatických podmínkách pohybuje v České republice mezi pouhými 0,2 a 3 % z celkové energie získané ročně rekuperátorem. V grafu níže je vidět podíl energie získané a vynaložené v jednom konkrétním ukázkovém případě.

Předehřev je prakticky jediná možnost protimrazové ochrany pro rotační regenerátory. Běžně se využívá u deskových rekuperátorů, protože zajistí stálý komfort v objektu a bezpečný provoz zařízení za všech podmínek.

Detekce a spuštění protimrazové ochrany

Všechny výše popsané způsoby ochrany před mrazem musejí být spouštěny na základě algoritmů vycházejících z aktuálního stavu VZT systému. Způsoby detekce a spouštění lze rozdělit na preventivní (opatření se spouští, aby nedošlo k namrzání) anebo následné (když už je námraza detekována).

V případě protimrazové ochrany pomocí rozvážení průtoků nebo by-passu je při následné regulaci odmrazování pomalé a diskomfort je poměrně výrazný, proto je lépe využít regulaci preventivní.
Ideální pro energetickou spotřebu je, když lze opatření (výkon předehřevu, otevření bypassu, velikost rozvážení) plynule regulovat.

Praktický příklad

Graf znázorňuje roční průběh veličin v konkrétní aplikaci: objekt větraný průtokem vzduchu 3600 m3/h; teplota v interiéru +22 °C; lokalita Praha. Na vodorovné ose jsou dny v roce. Zelená tenká čára představuje průběh venkovních teplot vzduchu dle ČSN EN ISO 15927-4. Tučná zelená čára je dvoutýdenní klouzavý průměr těchto hodnot. Měřítko teplot je na pravé svislé ose. Na levé svislé ose je množství energie. Oranžová energie je ta, kterou rekuperátor ušetří, modrá je ta, kterou spotřebuje protimrazová ochrana v podobě elektrického předehřívače.

Entalpie

Entalpií se myslí celková energie obsažená ve vzduchu. Skládá se z citelné (senzibilní, zjevné) a skryté (latentní, vázané) složky. Senzibilní teplo je teplo, které mění teplotu látky, aniž by došlo ke změně její fáze. Latentní teplo je teplo, které způsobuje změnu fáze (například z kapaliny na plyn nebo z pevné látky na kapalinu), aniž by se změnila teplota. Víme, že běžný vzduch kolem nás je vlastně směsí suchého vzduchu a vodní páry. Latentní teplo je ve vzduchu skryté právě ve vodní páře. Čím větší obsah vodní páry, tím více skryté energie ve vzduchu je. A samozřejmě čím vyšší teplota vzduchu, tím více je energie citelné.
Protože se zde zabýváme zpětným získáváním tepla, musíme zmínit, že všechny systémy přenášejí teplo citelné, ale jen některé dokážou přenášet i latentní složku. Přenos latentního tepla, tedy vlastně vodní páry, z odpadního vzduchu do čerstvého s sebou nese zvýšení celkové energetické účinnosti, ale samozřejmě může mít i jiné dopady.
Pojďme si ukázat, které rekuperační systémy mohou latentní teplo, tedy celou entalpii přenášet.

Rotační rekuperátor (regenerátor)
O tomto zařízení jsem již velmi detailně psal v předchozích částech článku. Zde bych jen rád doplnil, že ačkoli je každý rotační regenerátor z principu schopen přenášet vlhkost, existují rotory se speciálně upraveným hygroskopickým povrchem, které mají zvýšenou schopnost přenosu vlhkosti díky použité sorpční látce. Samozřejmě se zvýšeným přenosem vlhkosti lze očekávat i výraznější přenos pachů z odpadního vzduchu do přívodního, i když je snahou výrobců vyvíjet sorpční látky pro povrstvení regeneračních kol, které by organické látky přenášely méně.
Bohužel se nedá regulovat poměr účinnosti přenosu vlhkosti a tepla. Obě jdou ruku v ruce.

Deskový rekuperátor s entalpickou membránou
O této verzi deskového rekuperátoru jsem se již také zmínil výše. Její princip spočívá v tom, že skrz desku může procházet vodní pára z odpadního vzduchu do přívodního. Již celá desetiletí jsou na trhu deskové rekuperátory vyrobené z materiálů na bázi celulózy (laickým pohledem bychom řekli papírové). Materiál je nasákavý, velmi dobře přenáší vlhkost, takže celková entalpická účinnost je velmi dobrá.

Bohužel naprosto bez zábran přenášejí i pachy. Proto mi nepřijdou vhodné pro bytové větrání (viz kapitolu o těsnosti). Dalším jejich nešvarem je riziko zničení v případě nízkých teplot. Jakmile je materiál nasáklý vlhkostí a teplota přívodního vzduchu klesne pod nulu, dojde k roztrhání materiálu. Zatímco standardní rekuperátory za těchto podmínek začnou postupně namrzat a ztrácejí své schopnosti, ale nezničí se, tento typ bohužel utrpí nevratné škody.

Velkým pokrokem byl vývoj speciálních membrán, které dokážou přenášet vlhkost na molekulární úrovni. Opět je zde třeba dobře kontrolovat přenos pachů. U většiny výrobků je nižší oproti celulózovým výměníkům, ale přesto nepříjemně citelný pro uživatele objektu. Dalším problémem těchto membrán je jejich malá odolnost vůči tlaku. Rekuperátory z těchto velmi tenkých membrán nevydrží standardní rozdíly tlaků vzniklé ventilátory překonávajícími delší rozvodné potrubí nebo zanesené filtry. Opět hrozí protržení, tedy zničení rekuperátoru.

Aby se tomuto problému předešlo, bývají membrány nataženy na plastových mřížkách – separátorech, které je podpírají a zajišťují tvar celému rekuperátoru. Bohužel takováto konstrukce má výrazně zmenšenou celou teplosměnnou plochu a teplotní i vlhkostní účinnost zdaleka nedosahuje parametrů klasických rekuperátorů. Obdobou je kovová mřížka s oky vyplněnými membránou schopnou přenášet vlhkost. Zde je teplosměnná plocha výrazně větší, a záleží tedy pouze na schopnosti membrány separovat pachy, zda bude uživatel plně spokojen.

Pouze ojediněle se na trhu začínají objevovat i pevné membrány, tedy materiály, které dokážou samy držet tvar desky a zároveň přenášet vlhkost. Budeme si muset ještě nějaký čas počkat, než budeme vědět, zda je toto správná cesta a zda vyřeší všechny problémy spojené s přenosem vlhkosti.

Jednou z nevýhod membrán je také stárnutí a tím způsobený pokles jejich schopnosti přenášet vlhkost.

Deskový rekuperátor s reverzací směru proudění
Ještě musím zmínit, že na trhu existuje jeden specifický typ deskového rekuperátoru s přenosem vlhkosti. Jedná se o standardní rekuperační blok a chytrou kombinaci klapek měnících směr proudění vzduchu. Výměník nevyužívá membrány, naopak na jeho ploše voda kondenzuje jako u běžných rekuperátorů. Ale klapky se servopohony zajišťují, že se periodicky otáčí směr proudění vzduchu ve výměníku. Tedy těmi kanálky, kterými před chvílí proudil odpadní vzduch a zanechal zde vlhkost, se po změně směru přivádí čerstvý vzduch do objektu a přináší s sebou i znovu vypařený kondenzát.

Obrovskou výhodou tohoto systému je možnost odděleně řídit přenos vlhkosti. Přenos tepla je dán teplotní účinností rekuperátoru, kdežto přenos vlhkosti je řízen rychlostí reverzace (přepínání klapek) a lze jej i zcela eliminovat. Z předešlých kapitol je však jistě patrná hlavní nevýhoda tohoto řešení. Zápach z odtahových místností, jako je kuchyně, koupelna a WC, je po zpětném vypaření kondenzátu distribuován s čerstvým vzduchem přímo do obytných místností.

Závěr

Zpětné získávání tepla je a bude neodmyslitelnou součástí větracích systémů, nabízí mnoho výhod, ale také úskalí. Je proto potřeba dobře zvažovat všechna pozitiva a negativa jednotlivých mechanismů. Ideální je nechat si poradit od zkušeného projektanta, který by měl umět komplexně posoudit stavbu a provoz v ní a navrhnout optimální řešení.

Ing. Bohumil Cimbál
Autor působí jako vedoucí výzkumu a vývoje ve společnosti ATREA, s. r. o.
Článek vyšel v časopisu TZB 4/2024.