Luchttoevoer- en afvoerventilatie met warmteterugwinning: werkingsprincipe, overzicht van voor- en nadelen

Toevoer van frisse lucht tijdens de koude periode leidt tot de noodzaak ervan te verwarmen om een goed binnenklimaat te waarborgen. Om het elektriciteitsverbruik te minimaliseren kan balansventilatie met warmteterugwinning worden gebruikt.

Inzicht in de werkingsprincipes ervan zal helpen om warmteverliezen maximaal te verminderen met behoud van voldoende vervangingsluchtvolume. Laten we proberen dit onderwerp te begrijpen.

Energiebesparing in ventilatiesystemen

In de herfst-lenteperiode is bij ventilatie van ruimtes een groot temperatuurverschil tussen de binnenkomende en de binnenlucht een ernstig probleem. De koude stroom stroomt naar beneden en creëert een ongunstig binnenklimaat in woningen, kantoren en in productiehallen of een onaanvaardbare verticale temperatuurgradiënt in een magazijn.

Een veelvoorkomende oplossing is de integratie van een luchtverwarmer in de toevoerventilatie, waarmee de stroom wordt verwarmd. Een dergelijk systeem verbruikt elektriciteit, terwijl een aanzienlijke hoeveelheid warme lucht die naar buiten stroomt leidt tot aanzienlijke warmteverliezen.

Uitstoot van lucht met intense stoom dient als indicator van aanzienlijke warmteverliezen, die gebruikt kunnen worden om de binnenkomende stroom te verwarmen.

Als de kanalen voor luchttoevoer en -afvoer naast elkaar liggen, kan de warmte van de uitgaande stroom gedeeltelijk worden overgedragen aan de binnenkomende stroom. Dit zal het elektriciteitsverbruik van de luchtverwarmer verminderen of er zelfs helemaal van af kunnen zien. Het apparaat voor warmte-uitwisseling tussen gasstromen met verschillende temperaturen wordt een recuperator genoemd.

In het warme seizoen, wanneer de buitentemperatuur aanzienlijk hoger is dan de kamertemperatuur, kan de recuperator worden gebruikt om de binnenkomende stroom te koelen.

Opbouw van de eenheid met recuperator

De interne opbouw van balansventilatiesystemen met een geïntegreerde recuperator is vrij eenvoudig, waardoor het mogelijk is om de componenten afzonderlijk te kopen en zelf te installeren. Als de montage of zelfinstallatie problemen oplevert, kunnen kant-en-klare oplossingen worden aangeschaft in de vorm van standaard monobloc- of individuele modulaire constructies op maat.

Het standaardschema van een balansventilatiesysteem met een in één behuizing geplaatste warmteterugwinner kan naar goeddunken van de gebruiker worden aangevuld met andere componenten.

Basiselementen en hun parameters

De behuizing met thermische en geluidsisolatie wordt meestal gemaakt van plaatstaal. Bij wandmontage moet deze bestand zijn tegen de druk die ontstaat bij het opschuimen van kieren rond het blok, en mag deze geen trillingen van de ventilatoren doorlaten.

Bij gedistribueerde afzuiging en toevoer van lucht naar verschillende ruimtes wordt een luchtkanaalsysteem op de behuizing aangesloten. Dit wordt voorzien van kleppen en schotten voor de verdeling van de luchtstromen.

Bij afwezigheid van luchtkanalen wordt aan de toevoeropening aan de binnenzijde een rooster of diffusor geplaatst voor de verdeling van de luchtstroom. Aan de toevoeropening aan de buitenzijde wordt een buitenluchtinlaatrooster gemonteerd om te voorkomen dat vogels, grote insecten en vuil in het ventilatiesysteem terechtkomen.

De luchtbeweging wordt verzorgd door twee ventilatoren van axiale of centrifugale type. Bij aanwezigheid van een warmteterugwinner is natuurlijke circulatie van lucht in voldoende volume niet mogelijk vanwege de aerodynamische weerstand die dit onderdeel veroorzaakt.

De aanwezigheid van een warmteterugwinner vereist de installatie van fijnstoffilters aan de inlaat van beide stromen. Dit is nodig om de mate van vervuiling door stof en vetafzettingen in de fijne kanalen van de warmtewisselaar te verminderen. Anders zal de frequentie van preventief onderhoud moeten worden verhoogd om het systeem goed te laten functioneren.

Fijnstoffilters moeten periodiek worden vervangen of gereinigd. Anders zal de verhoogde luchtweerstand leiden tot defecten aan de ventilatoren.

Een of meerdere warmteterugwinners nemen het grootste deel van de balansventilatie-eenheid in beslag. Ze worden in het midden van de constructie gemonteerd.

In het geval van voor het gebied typische strenge vorst en onvoldoende rendement van de warmteterugwinner om de buitenlucht te verwarmen, kan een extra verwarmingselement worden geïnstalleerd. Ook kunnen indien nodig een luchtbevochtiger, ionisator en andere apparaten worden gemonteerd om een gunstig binnenklimaat te creëren.

Moderne modellen zijn voorzien van een elektronische besturingseenheid. Complexe versies hebben programmeerbare bedrijfsmodi op basis van fysieke parameters van de luchtomgeving. De externe panelen hebben een aantrekkelijk uiterlijk, waardoor ze goed in elk interieur passen.

Oplossing voor het probleem van condensvorming

Het koelen van de binnenkomende lucht uit de ruimte creëert voorwaarden voor het afvoeren van vocht en condensvorming. Bij een hoge stroomsnelheid heeft een groot deel geen tijd om zich in de warmtewisselaar te verzamelen en stroomt naar buiten. Bij langzame luchtbeweging blijft een aanzienlijk deel van het water in het apparaat. Daarom is het noodzakelijk om de opvang van condens en de afvoer ervan naar buiten de behuizing van het toevoer- en afzuigsysteem te waarborgen.

Het eenvoudigste apparaat voor het opvangen en afvoeren van condens is een bak die onder de warmtewisselaar is geplaatst met een helling naar de afvoeropening.

Het vocht wordt afgevoerd naar een afgesloten container. Deze wordt uitsluitend in de ruimte geplaatst om bevriezing van de afvoerkanalen bij temperaturen onder nul te voorkomen. Er is geen betrouwbaar algoritme voor het berekenen van het volume verkregen water bij gebruik van systemen met een warmtewisselaar, dus wordt dit experimenteel bepaald.

Hergebruik van condens voor luchtbevochtiging is niet wenselijk, omdat het water veel verontreinigingen absorbeert, zoals menselijk zweet, geuren, enz.

Het condensvolume kan aanzienlijk worden verminderd en de daarmee samenhangende problemen kunnen worden vermeden door een apart afzuigsysteem voor de badkamer en keuken in te richten. Juist in deze ruimtes heeft de lucht de hoogste vochtigheid. Bij meerdere afzuigsystemen moet de luchtuitwisseling tussen de technische en woonzone worden beperkt door het installeren van terugslagkleppen.

Bij afkoeling van de uitgaande luchtstroom tot temperaturen onder nul in de warmtewisselaar verandert het condens in ijs, wat leidt tot vernauwing van de doorlaat en als gevolg daarvan tot een vermindering van het volume of volledige stopzetting van de ventilatie.

Voor periodiek of eenmalig ontdooien van de warmtewisselaar wordt een bypass geïnstalleerd – een omleidingskanaal voor de toevoerlucht. Wanneer de stroom het apparaat omzeilt, stopt de warmteoverdracht, warmt de warmtewisselaar op en smelt het ijs. Het water stroomt naar de condensopvangbak of verdampt naar buiten.

Het principe van de bypass is eenvoudig, dus bij risico op ijsvorming is het verstandig om deze oplossing te voorzien, omdat het ontdooien van de warmtewisselaar op andere manieren ingewikkeld en tijdrovend is.

Bij passage van de stroom door de bypass vindt geen verwarming van de toevoerlucht plaats via de warmtewisselaar. Daarom is bij activering van deze modus automatische inschakeling van de verwarmer nodig.

Kenmerken van verschillende soorten recuperatoren

Er bestaan verschillende constructief verschillende varianten voor de warmte-uitwisseling tussen koude en verwarmde luchtstromen. Elk heeft zijn eigen kenmerken die de primaire toepassing voor elk type warmteterugwinnaar bepalen.

Platenrecuperator met kruisstroom

In de constructie van een platenwarmtewisselaar worden dunwandige panelen afwisselend met elkaar verbonden, zodat de stromen met verschillende temperaturen haaks op elkaar worden geleid. Een modificatie van dit model is een apparaat met geschubde kanalen voor de luchtdoorgang. Dit heeft een hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt.

De afwisselende doorgang van warme en koude luchtstromen door de platen wordt gerealiseerd door het ombuigen van de randen van de platen en het afdichten van de verbindingen met polyesterhars.

Warmtewisselingspanelen kunnen van verschillende materialen worden gemaakt:

• koper, messing en aluminiumlegeringen hebben een goede warmtegeleiding en zijn niet vatbaar voor roest;
• kunststof van polymeer hydrofoob materiaal met een hoge warmtegeleidingscoëfficiënt heeft een laag gewicht;
• hygroscopische cellulose laat condensaat door de plaat dringen en terug de ruimte in komen.

Een nadeel is de kans op condensvorming bij lage temperaturen. Door de geringe afstand tussen de platen verhogen vocht of ijs de luchtweerstand aanzienlijk. In geval van bevriezing moet de inkomende luchtstroom worden onderbroken om de platen te ontdooien.

De voordelen van platenwarmtewisselaars zijn:

• lage kosten;
• lange levensduur;
• lange periode tussen preventief onderhoud en eenvoud van uitvoering;
• compacte afmetingen en laag gewicht.

Dit type warmteterugwinnaar wordt het meest gebruikt voor woon- en kantoorruimten. Het wordt ook gebruikt in sommige industriële processen, zoals voor optimalisatie van brandstofverbranding in ovens.

Trommel- of rotortype

Het werkingsprincipe van een roterende warmteterugwinnaar is gebaseerd op de rotatie van de warmtewisselaar, waarin lagen gegolfd metaal met een hoge warmtecapaciteit zijn geplaatst. Door interactie met de uitgaande stroom wordt het drumsegment verwarmd, dat vervolgens warmte afgeeft aan de inkomende lucht.

De fijnmazige warmtewisselaar van de roterende warmteterugwinnaar is gevoelig voor vervuiling, daarom moet speciale aandacht worden besteed aan de goede werking van de fijnstoffilters.

De voordelen van roterende warmteterugwinnaars zijn:

• een vrij hoog rendement in vergelijking met concurrerende types;
• terugwinning van een grote hoeveelheid vocht, die in de vorm van condens op de trommel achterblijft en verdampt bij contact met de inkomende droge lucht.

Dit type recuperator wordt minder vaak gebruikt voor woongebouwen bij per-appartement- of cottageventilatie. Vaak wordt het toegepast in grote ketelhuizen om warmte terug te voeren naar ovens of voor grote ruimtes van industriële of commerciële en recreatieve doeleinden.

Echter heeft dit type apparaat aanzienlijke nadelen:

• relatief complexe constructie met bewegende delen, inclusief een elektromotor, trommel en riemaandrijving, wat constant onderhoud vereist;
• verhoogd geluidsniveau.

Soms wordt voor dit type apparaten de term “regeneratieve warmtewisselaar” gebruikt, wat correcter is dan “recuperator”. Dit komt doordat een klein deel van de uitgaande lucht terugkomt door een niet goed aansluitende trommel op de behuizing van de constructie.

Dit legt extra beperkingen op aan de mogelijkheid om dit type apparaten te gebruiken. Bijvoorbeeld, als warmtedrager mag geen vervuilde lucht van verwarmingsovens worden gebruikt.

Systeem op basis van buizen en mantel

Een buisvormige recuperator bestaat uit een systeem van dunwandige buizen met kleine diameter, geplaatst in een geïsoleerde behuizing, waardoor de toevoer van buitenlucht plaatsvindt. Door de behuizing wordt de warme luchtmassa uit de ruimte afgevoerd, die de binnenkomende stroom verwarmt.

De afvoer van warme lucht moet plaatsvinden via de behuizing, niet via het buizensysteem, omdat condensaat er niet uit verwijderd kan worden.

De belangrijkste voordelen van buisvormige recuperatoren zijn de volgende:

• hoog rendement, dankzij het tegenstroomprincipe van de warmtedrager en de binnenkomende lucht;
• eenvoudige constructie en afwezigheid van bewegende delen zorgen voor een laag geluidsniveau en zelden noodzaak tot onderhoud;
• lange levensduur;
• kleinste doorsnede van alle typen recuperatieapparaten.

Voor dit type apparaat worden buizen gebruikt van lichtmetaal of, minder vaak, polymeer. Deze materialen zijn niet hygroscopisch, dus bij een groot temperatuurverschil tussen de stromen kan er intensief condensaat in de behuizing ontstaan, wat een constructieve oplossing voor afvoer vereist. Een ander nadeel is dat de metalen inhoud een aanzienlijk gewicht heeft, ondanks de kleine afmetingen.

De eenvoud van de constructie van de buisvormige recuperator maakt dit type populair voor zelfbouw. Als buitenbehuizing worden meestal plastic buizen voor luchtkanalen gebruikt, geïsoleerd met polyurethaanschuimschalen.

Systeem met een tussenliggende warmtedrager

Soms bevinden de toevoer- en afvoerluchtkanalen zich op enige afstand van elkaar. Een dergelijke situatie kan ontstaan door technologische kenmerken van het gebouw of sanitaire eisen voor een betrouwbare scheiding van luchtstromen.

In dit geval wordt een tussenliggend warmteoverdrachtsmedium gebruikt dat tussen de luchtkanalen circuleert via een geïsoleerde leiding. Als medium voor de warmteoverdracht wordt water of een water-glycoloplossing gebruikt, waarvan de circulatie wordt verzekerd door de werking van een warmtepomp.

Een recuperator met tussenliggend warmteoverdrachtsmedium is een omvangrijk en duur apparaat, waarvan de toepassing economisch gerechtvaardigd is voor ruimtes met grote oppervlakken.

Indien het mogelijk is een ander type recuperator te gebruiken, is het beter geen systeem met tussenliggend warmteoverdrachtsmedium toe te passen, omdat het de volgende belangrijke nadelen heeft:

• laag rendement in vergelijking met andere typen apparaten, daarom worden dergelijke apparaten niet gebruikt voor kleine ruimtes met een lage luchtstroom;
• aanzienlijk volume en gewicht van het hele systeem;
• noodzaak van een extra elektrische pomp voor de circulatie van de vloeistof;
• verhoogd geluid van de werking van de pomp.

Er bestaat een modificatie van dit systeem waarbij in plaats van geforceerde circulatie van de warmtewisselingsvloeistof een medium met een laag kookpunt wordt gebruikt, bijvoorbeeld freon. In dat geval is beweging in het circuit op natuurlijke wijze mogelijk, maar alleen als het toevoerluchtkanaal zich boven het afvoerluchtkanaal bevindt.

Een dergelijk systeem vereist geen extra elektriciteitskosten, maar werkt alleen voor verwarming bij een aanzienlijk temperatuurverschil. Bovendien is een nauwkeurige afstelling van het punt van faseverandering van de warmtewisselingsvloeistof nodig, die kan worden gerealiseerd door het creëren van de benodigde druk of een bepaalde chemische samenstelling.

Belangrijkste technische parameters

Door de vereiste capaciteit van het ventilatiesysteem en het rendement van de warmtewisseling van de recuperator te kennen, kan eenvoudig de besparing op luchtverwarming voor de ruimte bij specifieke klimatologische omstandigheden worden berekend. Door het potentiële voordeel te vergelijken met de kosten voor aanschaf en onderhoud van het systeem, kan men een weloverwogen keuze maken voor een recuperator of een standaard luchtverhitter.

Vaak bieden fabrikanten van apparatuur een modellijn aan waarin ventilatieblokken met vergelijkbare functionaliteit verschillen in luchtverversingsvolume. Voor woonruimtes moet deze parameter worden berekend volgens tabel 9.1 van SP 54.13330.2016.

Rendement

Onder het rendement van de recuperator wordt de warmteoverdrachtsefficiëntie verstaan, die wordt berekend met de volgende formule:

K = (T_p – T_n) / (T_v – T_n)

Waarin:

• T_p – temperatuur van de toevoerlucht naar de ruimte;
• T_n – temperatuur van de buitenlucht;
• T_v – temperatuur van de lucht in de ruimte.

De maximale waarde van het rendement bij de standaard luchtstroomsnelheid en een bepaalde temperatuurinstelling wordt vermeld in de technische documentatie van het apparaat. De werkelijke waarde zal iets lager zijn.

Bij het zelf vervaardigen van een platen- of buizenrecuperator voor maximale warmteoverdrachtsefficiëntie moeten de volgende regels worden nageleefd:

• De beste warmte-uitwisseling wordt geleverd door tegenstroomapparaten, daarna kruisstroomapparaten, en de minste door apparaten met een eenrichtingsstroming van beide stromen.
• De intensiteit van de warmte-uitwisseling hangt af van het materiaal en de dikte van de wanden die de stromen scheiden, en ook van de duur dat de lucht zich in het apparaat bevindt.

Als u het rendement van de recuperator kent, kunt u de energie-efficiëntie berekenen bij verschillende temperaturen van de buiten- en binnenlucht:

E (W) = 0,36 × R × K × (T_v – T_n)

waarbij R (m³/uur) – de luchtstroom is.

De berekening van de efficiëntie van de recuperator in geldelijke termen en de vergelijking met de kosten voor aanschaf en installatie voor een tweeverdiepingsvilla met een totale oppervlakte van 270 m2 toont de doelmatigheid van het installeren van een dergelijk systeem.

De kosten van recuperatoren met een hoog rendement zijn vrij hoog, ze hebben een complexe constructie en aanzienlijke afmetingen. Soms kunnen deze problemen worden omzeild door meerdere eenvoudigere apparaten zo te installeren dat de binnenkomende lucht er achtereenvolgens doorheen stroomt.

Capaciteit van het ventilatiesysteem

Het volume van de doorgelaten lucht wordt bepaald door de statische druk, die afhankelijk is van het vermogen van de ventilator en de belangrijkste onderdelen die aerodynamische weerstand creëren. Over het algemeen is een exacte berekening ervan niet mogelijk vanwege de complexiteit van het wiskundige model. Daarom worden voor typische monoblocconstructies experimentele onderzoeken uitgevoerd en voor individuele apparaten worden componenten geselecteerd.

Het vermogen van de ventilator moet worden gekozen rekening houdend met de doorvoercapaciteit van de te installeren recuperatoren van alle types, die in de technische documentatie is vermeld als de aanbevolen stroomsnelheid of het volume lucht dat het apparaat per tijdseenheid doorlaat. In de regel overschrijdt de toegestane luchtsnelheid in het apparaat de waarde van 2 m/s niet.

Anders treedt bij hoge snelheden in de smalle elementen van de recuperator een sterke toename van de aerodynamische weerstand op. Dit leidt tot onnodig energieverbruik, inefficiënte verwarming van de buitenlucht en een kortere levensduur van de ventilatoren.

De grafiek van de drukval als functie van de luchtsnelheid voor verschillende modellen hoogrenderende warmtewisselaars toont een niet-lineaire toename van de weerstand. Daarom dient u de vereisten voor het aanbevolen luchtdebiet zoals aangegeven in de technische documentatie van het apparaat in acht te nemen.

Het veranderen van de luchtstroomrichting creëert extra aerodynamische weerstand. Daarom is het bij het modelleren van de geometrie van het luchtkanaal binnenshuis wenselijk om het aantal bochten van 90 graden te minimaliseren. Diffusors voor luchtverspreiding verhogen ook de weerstand, dus het is wenselijk om geen elementen met een complex patroon te gebruiken.

Vervuilde filters en roosters veroorzaken aanzienlijke hinder voor de luchtstroom, daarom moeten ze periodiek worden gereinigd of vervangen. Een effectieve manier om de vervuilingsgraad te beoordelen, is het installeren van sensoren die het drukverschil meten tussen de punten voor en na het filter.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Werkingsprincipe van de roterende en platenwarmtewisselaar:

Meting van het rendement van een platenwarmtewisselaar:

Huishoudelijke en industriële ventilatiesystemen met een geïntegreerde warmtewisselaar hebben hun energie-efficiëntie bewezen voor warmtebehoud in ruimtes. Er zijn nu tal van aanbiedingen voor de verkoop en installatie van dergelijke apparaten, zowel als kant-en-klare en geteste modellen, als op maat. Het berekenen van de benodigde parameters en het uitvoeren van de installatie kunt u zelf doen.

Als u bij het lezen van de informatie vragen heeft of onjuistheden in ons materiaal vindt, laat dan uw opmerkingen achter in het onderstaande blok.