Warmteterugwinning in ventilatiesystemen: werkingsprincipe en uitvoeringsvarianten

Tijdens het ventileren wordt niet alleen de afgevoerde lucht uit de ruimte verwijderd, maar ook een deel van de warmte-energie. In de winter leidt dit tot hogere energierekeningen.

Om onnodige uitgaven te verminderen zonder de luchtverversing te schaden, kan warmteterugwinning in ventilatiesystemen van het gecentraliseerde en lokale type worden gebruikt. Voor het terugwinnen van warmte-energie worden verschillende soorten warmtewisselaars - recuperatoren - gebruikt.

In het artikel worden de modellen van de units, hun constructieve kenmerken, werkingsprincipes, voor- en nadelen gedetailleerd beschreven. De verstrekte informatie helpt bij het kiezen van de optimale optie voor het inrichten van een ventilatiesysteem.

Het concept van recuperatie: werkingsprincipe van de warmtewisselaar

Uit het Latijn vertaald betekent recuperatie vergoeding of terugwinning. Met betrekking tot warmtewisselingsreacties wordt recuperatie gekenmerkt als een gedeeltelijke terugwinning van de energie die is verbruikt voor een technologische actie, met als doel deze in hetzelfde proces te gebruiken.

In ventilatiesysteem wordt het principe van recuperatie gebruikt om warmte-energie te besparen.

Naar analogie vindt recuperatie van koeling plaats bij warm weer - de warme toevoerluchtmassa's verwarmen de afgevoerde 'afval' lucht en hun temperatuur daalt.

Het energieherstelproces vindt plaats in de warmtewisselaar. Het apparaat beschikt over een warmtewisselaarelement en ventilatoren om tegengestelde luchtstromen te verplaatsen. Voor procesbesturing en kwaliteitscontrole van de luchttoevoer wordt een automatiseringssysteem gebruikt.

De constructie is zodanig ontworpen dat de aan- en afvoerstromen zich in aparte compartimenten bevinden en niet mengen – warmteterugwinning vindt plaats via de wanden van de warmtewisselaar.

Een duidelijke schema van luchtcirculatie helpt om te begrijpen wat ventilatie met warmteterugwinning is.

Via de afzuiging in vochtige ruimtes (toilet, badkamer, keuken) wordt de afgevoerde lucht afgevoerd. Voordat deze naar buiten gaat, stroomt deze door de warmtewisselaar en laat een deel van de warmte achter. De toevoerlucht beweegt in tegengestelde richting, wordt verwarmd en komt in de woonkamers terecht (+).

Doelmatigheid van een recuperator in de ventilatie

Over de nuttigheid van het installeren van warmteterugwinningsventilatie kan worden gesproken door de efficiëntie van het systeem te beoordelen en de voor- en nadelen met elkaar te vergelijken.

Van de afgevoerde lucht wordt een deel van de warmte teruggewonnen en overgedragen aan de verse toevoerlucht die naar binnen wordt geblazen. Dit maakt het mogelijk om warmteverliezen tot 70% te verminderen (+).

De noodzaak van warmteterugwinning is het meest relevant in gebouwen met mechanische lucht afvoer. Dit zijn meestal laag-inertiële gebouwen die zijn gebouwd met innovatieve isolatietechnologieën (huizen van sandwichpanelen, gasbetonplaten, schuimblokken).

In dergelijke gebouwen slaan de muren slecht warmte op en is natuurlijke ventilatie weinig effectief.

Echter, problemen met luchtcirculatie zijn ook kenmerkend voor "traditionele" bakstenen en betonnen gebouwen. De aanwezigheid van luchtdichte PVC-ramen met thermische en geluidsisolatie blokkeert de natuurlijke circulatie – de toevoer van frisse lucht stopt, en de trek in het ventilatiekanaal keert om of neigt naar nul.

De oplossing voor het probleem van "euro-ramen" – het organiseren van mechanische ventilatie. Het systeem herstelt de luchtuitwisseling, maar tegelijkertijd nemen de warmteverliezen toe tot 60%. En hier kan men niet zonder warmteterugwinning.

De effectiviteit van het uitwisselingsproces wordt uitgedrukt in procenten en geeft de hoeveelheid warmte weer die van de afvoerlucht wordt gebruikt om de verse toevoerlucht te verwarmen.

De indicator van het rendement van ventilatiewarmteterugwinning:

• 0% – open raam – warme lucht wordt afgevoerd naar de atmosfeer, en koude lucht komt naar binnen, waardoor de temperatuur in de ruimte daalt;
• 100% – de toevoerlucht wordt opgewarmd tot de temperatuur van de afvoerlucht – technisch niet realiseerbaar;
• 30-90% – acceptabele parameter, een recuperatie met een effectiviteit van 60% of meer wordt als goed beschouwd, een rendement boven 80% – uitstekende warmte-uitwisseling.

De effectiviteit van het systeem hangt af van het type recuperator, de afmetingen van de ruimte en het luchtdebiet. In elk geval is het gebruik van ventilatie met warmteterugwinning, zelfs met een rendement van 30%, voordeliger dan het ontbreken ervan. Naast aanzienlijke besparingen op energiebronnen, verbetert de "regeneratie" van warmte het algehele binnenklimaat.

Nadelen van het gebruik van een warmtewisselaar:

1. Afhankelijkheid van energie. De aanschaf van klimaatapparatuur is gerechtvaardigd als het elektriciteitsverbruik aanzienlijk lager is dan de besparing na installatie van een recuperator.
2. Condensvorming. Door het temperatuurverschil op de wanden van de warmtewisselaar kan vocht condenseren. In de winter is er kans op ijsvorming, wat kan leiden tot een snelle daling van het rendement of uitval van de recuperator.
3. Lawaaierige werking. Sommige modellen produceren tijdens gebruik een zoemend geluid. Overdag is dit nadeel niet erg merkbaar, maar 's nachts veroorzaakt het lawaai ongemak. Recuperatoren met verbeterde isolatie werken stil.

Hoge initiële investeringen worden vaak het belangrijkste argument tegen energie-efficiënte ventilatie.

Het is zinvol om geld te investeren in een systeem dat zich binnen 5-8 jaar terugbetaalt. Houd er rekening mee dat er voor het onderhoud van het complex extra kosten nodig zijn, zoals periodieke vervanging van ventilatoren.

Kenmerken van verschillende soorten warmtewisselaars

De constructie van de warmteterugwinner bepaalt het stromingspatroon van het warmtedragend medium, de efficiëntie van het ventilatiesysteem, de energieklasse en de kosten van de apparatuur. Er worden vijf soorten warmtewisselaars gebruikt: platenwarmtewisselaar, roterende warmtewisselaar, warmtepijpen, kamerapparaten en modellen met een tussenliggend warmtedragend medium.

Platenrecuperator - eenvoud van constructie

De basis van de warmtewisselaar is een luchtdichte kamer met meerdere parallelle luchtkanalen. De kanalen zijn gescheiden door scheidingswanden – warmtegeleidende platen gemaakt van staal of aluminium.

Golfvormige platen (60-70 stuks) zijn gegroepeerd in één blok, zodat de gevormde kanalen kruislings ten opzichte van elkaar zijn geplaatst – de gecreëerde turbulentie verbetert de warmtewisseling (+)

De gasstromen bewegen naar elkaar toe, kruisen elkaar in de cassette van de warmteterugwinner, maar vermengen zich niet. De warmte-uitwisseling vindt plaats door gelijktijdige koeling en verwarming van de platen aan verschillende zijden.

Voordelen van de kruisstroomwarmtewisselaar:

• eenvoud van installatie en afstelling van de apparatuur;
• uitsluiting van contact tussen luchtmassa's;
• betaalbare prijs en compacte afmetingen;
• afwezigheid van bewegende en wrijvende onderdelen.

Het rendement varieert tussen 40% en 70%.

Het grootste nadeel van het platenmodel is condensatie in het afvoerkanaal en ijsvorming in de winter. Om het apparaat te ontdooien, wordt de inkomende luchtstroom om de warmtewisselaar heen geleid en de warme uitgaande stroom smelt het ijs op de platen.

In de 'ontdooimodus' vindt geen energiebesparing plaats; voor het verwarmen van de inkomende lucht worden verwarmingsbatterijen met een vermogen tot 5 kW gebruikt. Het gemiddelde rendement daalt met 20% (+)

Er zijn twee manieren om het probleem op te lossen:

1. Voorverwarming van de inkomende luchtstroom tot een temperatuur waarbij ijsvorming wordt voorkomen.
2. Warmteterugwinner met platen van hygroscopische cellulose. Het materiaal neemt vocht op uit de afgevoerde lucht en geeft het door aan de nieuw binnenkomende stromen.

Bij het kiezen van een kruisstroomwarmtewisselaar moet u rekening houden met de operationele kenmerken van de platen.

Hun eigenschappen zijn afhankelijk van het fabricagemateriaal:

1. Aluminiumfolie – betaalbare prijs, maar beperkte prestaties in de winter. Bovendien niet aanbevolen voor woonruimtes vanwege het uitdrogen van de lucht. Modificaties met aluminium 'vulling' – optimaal voor sauna's en zwembaden.
2. Kunststof scheidingswanden – qua prijs vergelijkbaar met metalen producten, maar met een verbeterde werkingsefficiëntie.
3. Cellulose warmtewisselaar – voorkomt bevriezing en handhaaft een normaal vochtgehalte in de ruimte.

De hygrocellulose warmteterugwinner is het meest economisch en optimaal voor ventilatie van woongebouwen.

Roterende recuperator - hoge efficiëntie van het systeem

De warmtewisselaar heeft de vorm van een cilinder gevuld met lagen gegolfd metaal. Tijdens de rotatie van de trommeleenheid worden afwisselend warme of koude luchtstromen in elke sectie geleid.

Constructie van de roterende warmtewisselaar: een draaias en twee luchtkanalen. Een deel van de rotor wordt verwarmd door de ‘afgevoerde lucht’, de trommel draait en de warmte wordt geleid naar de koude luchtmassa’s in het aangrenzende kanaal (+)

Het rendement van de warmteoverdracht wordt bepaald door de rotatiesnelheid van de rotor; de werkefficiëntie kan worden geregeld.

Argumenten vóór de roterende warmtewisselaar:

• warmteterugwinning tot 65-90%;
• energiezuinigheid van het elektriciteitsverbruik;
• gedeeltelijk vochtbehoud – een bevochtiger is niet nodig;
• terugverdientijd – tot 4 jaar.

Ondanks de hoge efficiëntie is de trommelwarmtewisselaar niet de marktleider geworden onder vergelijkbare systemen.

Nadelen van het ventilatiesysteem:

1. Bijmenging van vervuilde lucht in de toevoerlucht. Door de microkanalen circuleren afwisselend afvoer- en toevoerlucht, waardoor ongeveer 3-8% van de ‘afgevoerde lucht’ terugkeert. De trommel geeft vaak de geur van de afvoerlucht door.
2. Complexiteit van de constructie. De draaiende delen van de rotor vereisen regelmatig onderhoud en periodieke vervanging. De bewegende onderdelen produceren tijdens het gebruik geluid en trillingen.
3. Hoge kosten. De prijs van roterende modellen is hoger dan die van platenwarmtewisselaars. Dit komt door het gebruik van complexe mechanica in de constructie van de trommelwarmtewisselaar.
4. Grote afmetingen. De installatie vindt plaats in een ruime ventilatiekamer.

Vanwege hun omvang worden roterende systemen voornamelijk gebruikt in industriële installaties.

Om vermenging van luchtstromen te minimaliseren worden roterende warmtewisselaars aangevuld met tussensectoren – hier worden de microkanalen doorgespoeld met verse lucht die terugstroomt naar de afvoer. Nadeel van deze opstelling is een lager rendement (+).

Gekoppelde warmtewisselaars - glycolmethode

Een warmteterugwinsysteem met een tussenmedium wordt vanwege constructieve kenmerken vaak een gekoppelde warmtewisselaar of een glycolaggregaat genoemd. Dit is een van de meest flexibele systemen voor warmteterugwinning. De ene warmtewisselaar wordt in het toevoerkanaal geplaatst, de andere in het afvoerkanaal.

In het leidingschema zijn aanwezig: circulatiepomp, expansievat, luchtklep, controller, temperatuursensor, veiligheidsklep, drukindicator (+)

Werkingsprincipe. De glycolhoudende vloeistof circuleert tussen de warmtewisselaars. De temperatuur van de warmtedrager stijgt door de verwarmde afgevoerde luchtstroom, en vervolgens wordt de thermische energie overgedragen aan de verse lucht. Het gesloten systeem voorkomt vermenging van de tegengestelde luchtstromen.

Kenmerken van de werking van warmtewisselaars met warmtedrager:

• Rendement – 45-55%;
• regeling van de efficiëntie met behulp van een pomp – de snelheid van de antivriesbeweging wordt gekozen;
• mogelijkheid om de toevoer- en afvoerluchtkanalen op afstand van elkaar te plaatsen (tot 800 m);
• montage van de warmteterugwinunit gebeurt verticaal of horizontaal;
• bij strenge vorst bevriest het oppervlak van de afvoerwarmtewisselaar – er ontstaat ijs; het gebruik van antivries maakt het mogelijk om de warmteterugwinunit te gebruiken zonder te hoeven ontdooien;
• terugverdientijd van het systeem – tot 2 jaar;
• een combinatie van 1 afzuiging en meerdere toevoeren of omgekeerd is toegestaan.

Het volume van de afgevoerde en toegevoerde lucht moet ongeveer gelijk zijn. Dergelijke warmteterugwinunits worden meestal gebruikt als de toevoerlucht giftig of sterk vervuild is, wanneer vermenging van de stromen onaanvaardbaar is.

Kamermodule - veelzijdigheid in toepassing

Constructief is de kamerwarmtewisselaar een gesloten kast, inwendig verdeeld door een bewegende klep. De openschietende scheidingswand bepaalt het werkingsschema van de warmteterugwinunit.

De afvoer stroomt langs één kanaal, en de toevoer komt in de tweede kamer. In de warmtewisselaar verwarmen de warme luchtmassa's de wanden van het eerste compartiment. Na verloop van tijd beweegt de klep en verandert de luchtstroom van richting.

Als gevolg – de toevoer stroomt langs de warme wanden van het eerste luchtkanaal, en de 'afgevoerde lucht' verwarmt het oppervlak van de tweede kamer. Op een bepaald moment keert de scheidingswand terug en de cyclus herhaalt zich.

Voordelen van de kamerwarmtewisselaarunit:

• Rendement – 80-90%;
• in combinatie met hoogwaardige isolatie worden de stookkosten tot een minimum beperkt;
• eenvoudige montage – hulp van specialisten is nodig bij het kiezen van de parameters van de ventilatie-installatie;
• behoud van het vochtigheidsniveau;
• bevriezing van het systeem uitgesloten.

Een kamerrecuperator is een uitstekende optie voor regio's waar gedurende het jaar een langdurige periode een aanzienlijk evenwichtsverlies is tussen de temperatuur binnen en buiten.

Tot de nadelen van de warmteterugwinunit behoren:

• noodzaak van regelmatig onderhoud van de bewegende delen;
• tegengestelde luchtstromen mengen gedeeltelijk – geuren en verontreinigingen kunnen terug het gebouw binnenkomen.

Om de bijmenging te verminderen wordt het systeem uitgerust met een filterelement. De lucht wordt schoner, maar het rendement van de recuperator neemt af.

Warmtepijpen - gesloten warmtewisselsysteem

De recuperator bestaat uit een groot aantal koperen of aluminium buizen, gevuld met een gemakkelijk verdampende stof, bijvoorbeeld freon. Het werkingsprincipe van de buiswarmtewisselaar is gebaseerd op fysische processen – verandering van toestand van de stof bij verwarming.

De thermobuis wordt verticaal geplaatst – het onderste uiteinde van de warmtewisselaar bevindt zich in het afvoerkanaal, en het bovenste in het toevoerluchtkanaal. De uitgaande luchtstromen gaan om het uiteinde van de buis heen – het koelmiddel wordt verhit, kookt en verdampt (+)

Het gas stijgt op en geeft warmte-energie af aan de toevoerlucht, waarna het koelmiddel condenseert en naar beneden stroomt in de recuperator. De thermische cyclus herhaalt zich in een kringloop.

Technische en operationele kenmerken van de buizenwarmtewisselaar:

• efficiëntie van het apparaat – tot 65%;
• geluidsarme werking dankzij het ontbreken van bewegende delen;
• eenvoudige constructie en onderhoudsvriendelijkheid;
• compactheid – kleine afmetingen en een gering gewicht;
• energieonafhankelijkheid – het warmtemedium circuleert op natuurlijke wijze;

Een groot voordeel is dat de luchtstromen van toevoer en afvoer niet worden gemengd.

Zwakke punten van warmtebuizen:

• een hoog rendement wordt bereikt in een beperkt temperatuurbereik – bij plotselinge oververhitting verdampt al het koelmiddel, en bij onvoldoende verwarming vertraagt de dampvorming;
• lage sterkte van de buizen – vormverandering of lekkage vermindert de werking van de apparatuur.

Buizenrecuperatoren worden toegepast in particuliere bouw, in administratieve gebouwen, kantoorpanden en kleine industriële ruimtes.

Manieren om recuperatieventilatie te organiseren

Warmteterugwinning wordt op een van de volgende manieren georganiseerd: gecentraliseerd en gedecentraliseerd. In het eerste geval gaan de ventilatiestromen van de gehele ruimte door de warmtewisselaar, in het tweede geval van één kamer.

Gecentraliseerd complex - luchttoevoer- en afvoerunit

Het gecentraliseerde systeem wordt geïnstalleerd tijdens de bouwfase of bij een grote modernisering van het ventilatiesysteem.

Er wordt een mechanische toevoer- en afvoerinstallatie (TAI) gekozen met ingebouwde recuperator. Het belangrijkste selectiecriterium is de totale capaciteit van het systeem, berekend op het gehele luchtvolume in het gebouw (+)

Een TAI met recuperator zorgt voor voldoende luchtverversing, zelfs in huizen met kierdichte ramen. Daarbij worden de luchtstromen gelijkmatig verdeeld, zonder tocht te creëren.

Complete toevoer- en afvoerinstallaties van het monobloktype zijn uitgerust met:

• ventilatoren – 24-uurs toevoer van schone lucht en afvoer van met kooldioxide verzadigde stromen;
• verwarmers – voorverwarming van de toevoerlucht;
• filters – houden stof en microdeeltjes tegen;
• recuperator – er kunnen verschillende typen installaties worden gebruikt.

De functionaliteit van sommige TAI's is uitgebreid met een uitschakeltimer, vermogensregelaar, vochtigheidssensoren enz.

De behuizing van monoblocmodellen is bekleed met geluiddempend materiaal, waardoor de werking van de ventilatie-unit zeer stil is. Verticale, horizontale en hangende uitvoeringen van ventilatie-eenheden zijn mogelijk.

Monobloc-ventilatie-units met warmteterugwinning van de volgende fabrikanten hebben hun waarde bewezen: Vents (Oekraïne), Dantherm (Denemarken), Daikin (Japan), Dantex (Engeland).

Lokale units - aanvulling op het bestaande ventilatiesysteem

Voor het herstellen van de luchtcirculatie in een bestaande ruimte zijn decentrale ventilatoren met warmteterugwinning geschikt.

Ze worden in de gevel van het gebouw ingebouwd of via het raam gemonteerd. Hun voornaamste taak is het verbeteren van de toevoerventilatie in huis.

Lokale warmteterugwinners zijn voorzien van een ventilator en een platenwarmtewisselaar. De 'mouw' van de toevoerunit is geïsoleerd met geluiddempend materiaal. De regelunit van compacte ventilatie-units wordt aan de binnenmuur geplaatst.

Kenmerken van decentrale ventilatiesystemen met warmteterugwinning:

• Rendement – 60-96%;
• Laag vermogen – de units zijn ontworpen voor luchtverversing in ruimtes tot 20-35 m²;
• Betaalbare prijs en een ruime keuze aan units, van eenvoudige muurkleppen tot geautomatiseerde modellen met meerstaps filtratiesysteem en de mogelijkheid om de luchtvochtigheid te regelen;
• Eenvoudige installatie – voor ingebruikname is geen aanleg van luchtkanalen nodig, u kunt een muurklep zelf installeren.

Populaire fabrikanten van lokale warmteterugwinners: Prana (Oekraïne), O.Erre (Italië), Blizzard (Duitsland), Vents (Oekraïne), Aerovital (Duitsland).

Belangrijke criteria bij het kiezen van een toevoermuurklep: toegestane muurdikte, capaciteit, rendement van de warmteterugwinner, diameter van het luchtkanaal en temperatuur van de overgedragen lucht.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Vergelijking van de werking van natuurlijke ventilatie en een mechanisch systeem met warmteterugwinning:

Werkingsprincipe van een centrale warmteterugwinner, berekening van het rendement:

Opbouw en werking van een decentrale warmtewisselaar aan de hand van de muurklep Prana:

Via het ventilatiesysteem gaat ongeveer 25-35% van de warmte verloren. Om verliezen te beperken en warmte effectief terug te winnen, worden warmteterugwinners gebruikt. Klimaatregelapparatuur maakt het mogelijk om de energie van de afgevoerde lucht te benutten voor het verwarmen van de toevoerlucht.

Heeft u nog iets toe te voegen of heeft u vragen over de werking van verschillende ventilatie-warmteterugwinsystemen? Laat dan alstublieft reacties achter op het artikel, deel uw ervaring met het gebruik van dergelijke installaties. Het contactformulier bevindt zich in het onderste blok.