Vliv větracího systému s entalpickým výměníkem na interiérové mikroklima

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 zde narůstá vzdušná vlhkost. Úkolem větracího systému je také snižovat vysokou vlhkost vzduchu v interiéru. 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 vzduch 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.

Obr. 1  Pomocí entalpického výměníku, který je volitelně dodáván například u větracích jednotek výrobců Zehnder a Paul, je v budově optimalizována relativní vlhkost vzduchu, což je ideální ochrana proti příliš suchému vzduchu v zimě. Získaná vlhkost je z odváděného vzduchu přes speciální polymerické membrány předávána přiváděnému čerstvému vzduchu, a to bez přenosu pachů a mikrobů. Rovněž v„parném“ létě vytváří entalpický výměník příjemnější klima, kdy naopak zabraňuje přívodu příliš vlhkého a teplého vzduchu zvnějšku.

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.

Koncept monitorování

V rodinném domě (obr. 2) v Rotterdamu je 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 rekuperační větrací jednotky ZehnderComfoAir350 je regulován především pomocí čidla CO₂, které je osazeno v obývacím pokoji. Standardní množství větracího vzduchu je nastaveno na 210 m³/h a je automaticky zvyšováno, pokud stoupne koncentrace CO₂ v obývacím pokoji či relativní vlhkost v koupelně, ve které je instalováno vlhkostní čidlo.

Obr. 2  Monitorovaný dům v Rotterdamu

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 a 10 °C a s absolutní vlhkostí vzduchu mezi 4 a 6 g/kg. 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. Entalpie vlhkého vzduchu se skládá ze součtu takzvané senzibilní energie a latentní energie. Senzibilní energie se vztahuje k teplotě vzduchu a latentní energie k (absolutní) vlhkosti vzduchu – to znamená k množství vody v 1 kg vzduchu. Laicky se senzibilní energie označuje jako „teplo“, takže entalpie je sou­čtem tepla a vlhkosti. Výměník tepla přenáší teplo mezi dvěma proudy vzduchu – zimní venkovní studený vzduch je ohříván odváděným interiérovým vzduchem. Entalpický výměník (poznámka: neexistuje žádný tepelný entalpický výměník) přenáší teplo a současně vlhkost mezi dvěma proudy vzduchu. Díky tomu stoupá v zimě nejen teplota, nýbrž také vlhkost do interiéru přiváděného vzduchu.

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

Na obr. 3 je zobrazen vliv výměníku tepla a výměníku entalpie na vlhkost přiváděného vzduchu na základě hodinových průměrných hodnot za období osmi dní. Horizontální osa ukazuje absolutní vlhkost venkovního vzduchu a na vertikální ose je znázorněna absolutní vlhkost přiváděného vzduchu. 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. Průměrný nárůst absolutní vlhkosti v přiváděném vzduchu činí přibližně 1 až 2 g/kg. To činí pro typické větrané vzduchové množství 150 m³/h 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).
Přitom je vzduchové množství přiváděného vzduchu zobrazeno následovně: venkovní vzduch je zobrazen zelenými tečkami a do interiéru přiváděný vzduch přímo 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.

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

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 %.

Obr. 5  Díky inovativní konstrukci s polymerickými membránami jsou entalpické výměníky Zehnder a Paul snadno čistitelné propláchnutím vodou, díky čemuž 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 ca. –10 °C a v kombinaci s elektrickým předehřevem až do –20–25 °C.

Účinnost

Hodnoty účinnosti za období osmi dní jsou shrnuty v tab. 1. Tepelná účinnost ητη se vypočte z teplot T, vlhkostní účinnost (nebo latentní účinnost) ηηυµ se s vypočte z hodnot absolutní vlhkosti x pomocí následujících vzorců:

Pro výměník tepla činí průměrná tepelná účin­nost při mírných venkovních teplotách 89 %. Při studeném venkovním vzduchu může ve výměníku tepla v zpětném proudu vzduchu dojít ke kondenzaci, která bude zpětný proud vzduchu částečně blokovat. V důsledku toho poklesne při kondenzaci tepelná účinnost na 70 %. Protože 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 – 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.
• Rekuperací entalpie bylo možné relativní vlhkost vnitřního vzduchu v monitorovaném domě zvýšit v porovnání s pouhou rekuperací tepla o 10 procent (např. z 35 % na 45 %).
• Tepelná a vlhkostní účinnost v monitorovaném domě odpovídají laboratorním hodnotám, které jsou udávány v technických listech.

Literatura: [1] BartCremers B.E. 2012 konzultantKnowledge Centre, Zehnder Group Nizozemsko

Text: Ing. Roman Šubrt
Foto a obrázky: Zehnder Group
Autor působí ve společnosti Zehnder Group Czech Republic.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.