Dlaczego zimą powietrze w budynkach jest suche i  co możemy zrobić, by tak nie było?

Aby zrozumieć problem suchego powietrza w budynkach zimą, trzeba zrozumieć czym jest powietrze wilgotne. Dlatego postaramy się to wytłumaczyć na prostych przykładach. Powietrze, którym oddychamy to mieszanina powietrza suchego (głównie azotu i tlenu) oraz pary wodnej. Ilość pary wodnej, którą może wchłonąć powietrze jest ograniczona i zależy od jego temperatury. Powietrze, które wchłonęło już maksymalną ilość pary wodnej nazywa się powietrzem nasyconym, a jago wilgotność jest równa 100%. Im cieplejsze powietrze, tym więcej pary wodnej może wchłonąć. Na przykład, każdy 1 m³ powietrza o temperaturze -5°C może wchłonąć maksymalnie 3 gramy pary wodnej, ale gdy podgrzejemy to powietrze do temperatury +18°C to 1 m³ będzie mógł wchłonąć już 15.6 gramów pary wodnej. To właśnie zmiana zdolności pochłaniania pary wodnej przez powietrze w czasie jego podgrzewania jest przyczyną suchego powietrza w budynkach zimą. Dzieje się tak ponieważ system wentylacyjny pobiera zimą powietrze zewnętrzne i podgrzewa je w rekuperatorze do temperatury pokojowej, zwiększając „zdolność powietrza do pochłaniania pary wodnej”, co automatycznie prowadzi do zmniejsza wilgotność tego powietrza. A suche powietrze chłonie wodę z wszystkiego z czym się kontaktuje, w tym z powierzchni naszej skóry oraz ze śluzówek naszych dróg oddechowych.

Sprawdźmy na przykładzie, jak zmieni się wilgotność powietrza, gdy podgrzejemy je od -5°C do +18°C.
Wyobraźmy sobie 1 m³ powietrza o temperaturze -5°C zawierający 2.4 grama wody. Takie powietrze ma wilgotność 80%, bo 2.4/3*100% = 80%. Jeżeli podgrzejemy to powietrze do temperatury +18°C zwiększymy jego „zdolność do pochłaniania pary wodnej” ponad pięciokrotnie (z 3 gramów do 15.6 grama). Jednak po podgrzaniu, w naszym powietrzu wciąż będzie rozpuszczone jedynie 2.4 grama pary wodnej, a 2.4 grama stanowi teraz 15.4% z 15.6 grama, które mogłoby pochłonąć to powietrze (2.4/15.6*100%= 15.4%).

To właśnie dlatego zimą powietrze jest suche. Jak widać, problem dotyczy każdego skutecznego systemu wentylacji (również grawitacyjnej), a jedynym sposobem jego rozwiązania jest nawilżanie powietrza dostarczanego do budynku zimą. Nawilżanie możemy realizować przy pomocy nawilżacza lub wykorzystując naturalne zyski wilgoci występujące w budynku w czasie jego użytkowania. Jednym z generatorów wilgoci jesteśmy my sami. Dorosły człowiek nie wykonując pracy fizycznej emituje średnio 38 gramów pary w ciągu godziny, a przy zwiększonym wysiłku fizycznym ta wartość rośnie nawet 5-krotnie. Poza tym, nawilżamy powietrze przygotowując posiłki, susząc pranie, czy biorąc prysznic. Wymiennik entalpijny pozwala nam właśnie na wykorzystanie tych naturalnych zysków wilgoci. W tym artykule, przekonasz się na ile jest to skuteczna metoda.

Jaka będzie wilgotność powietrza w domu, w którym działa rekuperator bez entalpijnego wymiennika ciepła?

Wiedząc już czym jest powietrze wilgotne, przeanalizujemy działanie systemu wentylacji na przykładzie domu, w którym mieszka czteroosobowa rodzina. Sprawdzimy jakie parametry powietrza ustalą się w budynku w nocy, ponieważ jest to czas, w którym przebywamy w domu przez kilka godzin i zbyt suche powietrze może negatywnie wpływać na nasze zdrowie i samopoczucie. Załóżmy, że powietrze zewnętrzne ma temperaturę -5°C i wilgotność 85% (typowa wartość wilgotności dla warunków klimatycznych Polski). Załóżmy również, że system grzewczy utrzymuje w całym budynku temperaturę +20°C oraz, że rekuperator z wysokosprawnym wymiennikiem przeciwprądowym dostarcza do budynku 180 m³/h świeżego powietrza. Jeżeli nie posiadamy nawilżacza, to w nocy jedyne zyski wilgoci w pochodzą od osób przybywających w domu. Dorosły człowiek, który nie wykonuje żadnych czynności fizycznych emituje średnio 38 gramów pary wodnej na godzinę, co przy 4 osobowej rodzinie daje strumień pary równy 38×4=152 g/h.

Proces wentylacji prezentuje rysunek, na którym powietrze nawiewane, wywiewane, zewnętrzne i usuwane oznaczyliśmy odpowiednio literami: N, W, Z oraz U, przebiega następująco: Powietrze zewnętrzne (Z) jest podgrzewane w rekuperatorze do temperatury +18°C (N), na skutek czego, jego wilgotność spada do 17% (N). Po wprowadzeniu do pomieszczenia, powietrze nagrzewa się do +20°C (W) i nawilża od osób przebywających w pomieszczeniu do 19% (W). Następnie powietrze usuwane przepływa przez rekuperator, w którym oddaje ciepło do powietrza świeżego, a samo ochładza się do 0.3°C (U). W budynku ustali się wilgotność na poziomie 19.5% (U). Zgodnie z normą PN-EN 12251 pomieszczenie spełnia kryterium IV kategorii komfortu (najwyższy komfort to Kategoria I). Zwróć uwagę, że powietrze, które centrala wentylacyjna usuwa z budynku oddaje w rekuperatorze ciepło, ale całą wilgoć, którą to powietrze pochłonęło przebywając w budynku zostaje wyrzucona na zewnątrz lub ulega kondesacji w wymienniku przeciwprądowym, a następnie jest odprowadzana do kanalizacji.

Jak działa entalpijny wymiennik ciepła?

Celem wymiennika entalpijnego zimą jest odzyskanie z powietrza wywiewanego z budynku ciepła oraz pary wodnej (wilgoci) zawartej w powietrzu i wprowadzenie tej wilgoci do strumienia powietrz świeżego dostarczanego do budynku. Latem zadanie jest odwrotne – wymiennik entalpijny odbiera ciepło i parę wodną od powietrza dostarczanego do budynku. Entalpijny wymiennik ciepła to przeciwprądowy wymiennik ciepła, w którym plastikowa przegroda, dzieląca strumienie powietrza, została zastąpiona selektywną membraną przepuszczalną dla cząstek pary wodnej i nieprzepuszczalną dla cząstek powietrza oraz zawartych w nim zanieczyszczeń.

Membraną, w wymiennikach rekuperatorów AirPack⁴ Enthalpy, jest monolityczny film polimerowy, zapewniający transfer cząstek pary wodnej (średnia = 0.265 nm (nanometra)). Jednocześnie przez membranę nie przechodzą główne składniki powietrza, czyli azot (0.305 nm) i tlen (0.299 nm), pył PM2.5 (250 nm), bakterie (0.8-5000 nm) oraz wirusy grypy i SARS (80-120 nm).

Przepływ pary wodnej przez membranę, zależy od różnicy zawartości pary pomiędzy powietrzem usuwanym z budynku, a powietrzem nawiewanym do budynku. Uwaga! Nie chodzi o różnicę wilgotności względnej wyrażonej w %, tylko o różnicę zawartości pary wodnej [g/kg_powietrza] (ilość gramów pary przypada na każdy kilogram powietrza).

Jaka będzie wilgotność powietrza w domu, w którym działa rekuperator z entalpijnym wymiennikiem ciepła?

Znając zasadę działania wymiennika entalpijnego, sprawdzimy teraz, jaką wilgotność powietrza uzyskamy w analizowanym powyżej domu przy zastosowaniu AirPacka⁴ Enthalpy z entalpijnym wymiennikiem ciepła. Analizę wykonamy dla tych samych warunków atmosferycznych (powietrze zewnętrzne ma temperaturę -5°C i wilgotność 85%) oraz takiej samej temperatury powietrza wewnątrz budynku (+20°C). Proces wentylacji przebiega następująco: Powietrze zewnętrzne (Z) o temperaturze -5°C, podgrzewa się w wymienniku entalpijnym do temperatury +15.2°C (N’), przejmując jednocześnie od powietrza wywiewanego parę wodną (wilgoć zawartą w powietrzu). Dzięki temu, nawiewane powietrze opuszczające wymiennik (N’) ma wilgotność równą 38%. Zauważyłeś pewnie, że temperatura powietrza nawiewanego, które opuszcza wymiennik entalpijny (+15.2°C) jest niższa od temperatury powietrza opuszczającego wymiennik przeciwprądowy (+18.0°C). Przyczyną jest nieco mniejsza powierzchnia wymiany ciepła wymiennika entalpijnego, wynikająca z ograniczeń konstrukcyjnych oraz brak dodatkowej porcji energii, która w wymienniku nieodzyskującym wilgoci pochodzi z procesu kondensacji pary wodnej. Dlatego, w rekuperatorach z wymiennikami entalpijnymi warto zastosować niewielką nagrzewnicę wtórną, ogrzewającą powietrza o 1-3°C. W naszym przypadku  nagrzewnica podgrzewa powietrze o 2.8 °C. Ostatecznie powietrze nawiewane (N) będzie miało temperaturę 18°C oraz wilgotność na poziomie 32%. W pomieszczeniach budynku nawiewane powietrze nagrzewa się do +20°C i zwiększa zawartość pary wodnej o kolejne 0.7 grama na każdy metr sześcienny, na skutek pochłonięcia zysków wilgoci od osób przebywających w pomieszczeniach. Powietrze usuwane przez rekuperator oddaje ciepło oraz wilgoć do powietrza świeżego, a samo ochładza się do 0°C (U). Ostatecznie w budynku ustali się wilgotność powietrza na poziomie 34%(W). Zgodnie z normą PN-EN 12251 pomieszczenie spełnia kryterium  Kategorii I komfortu (najwyższy komfort).

Dlaczego wymiennik jest entalpijny ?

Użyjemy teraz fizyki do opisania procesów odzysku ciepła i wilgoci, w obu, przedstawionych na rysunkach powyżej, przykładach systemów rekuperacji.  Rzeczywiste powietrze to powietrze wilgotne, dlatego w obliczeniach ilość energii, niezbędnej do jego ogrzewania, ochładzania, czy nawilżania musimy uwzględnić energię suchego powietrza oraz energię rozpuszczonej w tym powietrzu pary wodnej (wilgoci). Wielkością uwzgledniającą energię tych obu składników powietrza wilgotnego jest właśnie Entalpia, a każdy proces, w którym bierze udział powietrze wilgotne można przedstawić na wykresie Molliera. Znając temperaturę i wilgotność powietrza, możemy z wykresu odczytać wartość entalpii dla tego powietrza. Zwróć uwagę, że na przedstawionym poniżej wykresie powietrze wywiewane (punkty oznaczony literą W) w obu procesach ma tę samą temperaturę (20°C) ale różną wilgotność. Dlatego wartości entalpii tych punktów są różne. Dla wymiennika z odzyskiem wilgoci, entalipa powietrza wywiewanego ma wartość 33 kJ/kg, a dla wymiennika bez odzysku wilgoci 28 kJ/kg. W dalszej części przedstawimy prostą analizę, która wyjaśni Ci dlaczego wymiennik ciepła odzyskujący wilgoć nazywa się entalpijny oraz pozwoli Ci ocenić zalety oraz wady wymienników przeciwprądowych oraz przeciwprądowych entalpijnych. Dzięki temu, będziesz mógł podjąć decyzję, które z rozwiązań będzie odpowiednie do Twojego domu.

Plusy i minusy wymiennika entalpijnego?

W CZYM JEST LEPSZY WYMIENNIK ENTALPIJNY OD WYMIENNIKA BEZ ODZYSKU WILGOCI?

Wymiennik entalpijny eliminuje problemu suchego powietrza w budynku zimą. Wymiennik entalpijny to najtańszy sposób na utrzymanie zimą, w budynku mieszkalnym, wilgotności na poziomie > 25%, zapewniającej tym samym komfort i zdrowie użytkownikom. Wysokiej klasy wymiennik entalpijny (o sprawności odzysku wilgoci >70%) pozwoli uzyskać wilgotność na poziomie >30%, przy temperaturze powietrza zewnętrznego równego -10°C, w większości budynków mieszkalnych. 30% to poziom wilgotności wymagany przy najwyższym standardzie komfortu cieplnego dla budynków, określony w normie PN-EN 12251.

Rekuperator z wymiennikiem entalpinym zużywa mniej energii elektrycznej. Wymiennik entalpijny o sprawności odzysku wilgoci > 70% praktycznie eliminuje konieczność korzystania z systemu przeciwzamrożeniowego wymiennika ciepła, nawet do -8°C. Pamiętajmy, że w przeciwprądowych wymiennikach nagrzewnica systemu przeciwzamrożeniowego włącza się przy temperaturach <-3°C, a każdy inny niż nagrzewnica wstępna sposób zapobiegania zamrożeniu kondensatu w wymienniku ciepła jest droższy, bo zwiększa koszty ogrzewania (a jego marketing najczęściej opiera się na mitach zamiast na fizyce).

Z wymiennikiem entalpijnym koszty ogrzewania budynku są niższe. Koszty ogrzewania budynku, w którym działa rekuperator z wymiennikiem entalpijnym będą zawsze niższe w porównaniu do kosztów użytkowania tego samego budynku, z identycznym systemem rekuperacji, ale z wymiennikiem przeciwprądowym. Wynika to z wyższej o 5-15% sprawności entaplijnej wymiennika entalpijnego, w orównaniu z wymiennikiem przeciwprądowym.

Z wymiennikiem entalpijnym koszty klimatyzacji budynku są niższe. Koszty klimatyzowania budynku, w którym działa rekuperator w wymiennikiem entalpijnym będą niższe o kilkanaście procent od budynku, w którym działa rekuperator z wymiennikiem przeciwprądowym. W lecie w klimatyzowanym budynku zawartość pary wodnej w powietrzu jest niższa niż w powietrzu zewnętrznym, ponieważ powietrze jest osuszane w chłodnicy klimatyzatora. W takich warunkach rekuperator z entalpijnym wymiennikiem ciepła będzie osuszał powietrze zmniejszając tym samym ilość kondensatu wykroplonego w chłodnicy klimatyzatora i co za tym idzie zmniejszając zużycie energii przez ten klimatyzator o około 15%.

Wymiennik entalpijny jest powietrznie szczelny, dzięki czemu zapewnia wysoki poziom higieny. Monolityczna membrana polimerowa jest nieprzepuszczalna dla gazów innych niż para wodna. Nie przenikają przez nią bakterie i wirusy. Nie przenikają przez nią też zapachy.

W CZYM JEST GORSZY WYMIENNIK ENTALPIJNY OD WYMIENNIKA BEZ ODZYSKU WILGOCI?

Z wymiennikiem entalpijnym, temperatura powietrza nawiewanego zimą, będzie zawsze o 1-3°C niższa. Temperatura powietrza nawiewanego, nagrzewanego w wymienniku entalpijnym będzie zawsze niższa, niż w przypadku wymiennika przeciwprądowego bez odzysku wilgoci. Uwaga: w tym miejscu musimy wyłączyć intuicję – niższa temperatura nie oznacza gorszej sprawności odzysku energii! Wręcz przeciwnie – wymiennik entalpijny odzyskuje również energię z pary wodnej zawartej w powietrzu czego nie robi zwykły wymiennik przeciwprądowy! Niezależnie od tego, który produkt wybierzemy, nie mamy co liczyć na wartości wyższe niż 16-17°C, a przy dużych mrozach temperatury powietrza nawiewanego mogą spadać nawet do +14°C. Z punktu widzenia odzyskanej energii to i tak lepiej niż w przypadku wymiennika przeciwprądowego, ponieważ wymiennik entalpijny nie wymaga stosowania systemu przeciwzamrożeniowego nawet do -8°C. Z punktu widzenia komfortu niższe temperatury mogą być nieakceptowalne przez użytkownika. Dlatego w rekuperatorach AirPack⁴ Enthalpy z wymiennikami entalpijnymi są niewielkie nagrzewnice PTC, których zadaniem jest podnieść temperaturę powietrza nawiewanego o 1-3°C. Moc zużywana przez taka nagrzewnicę przy jest prawie dwukrotnie niższa od mocy nagrzewnicy wstępnej systemu przeciwzamrożeniowego, poza tym użytkownik może w każdej chwili wyłączyć tę funkcję, korzystając z panelu sterowania.

Rekuperator z wymiennikiem entalpijnym jest droższy. Urządzenia z wymiennikiem enatlpijnym są o 15-20% droższe, co wynika z wyższego kosztu samego wymiennika oraz dodatkowego wyposażenia w postaci nagrzewnicy wtórnej i systemu sterowania tą nagrzewnicą.

Jak dobry jest AirPack⁴ Enthalpy?

PORÓWNANIE SPRAWNOŚCI WYMIENNIKÓW 

* porównanie zostało wykonane dla wymienników przeciwprądowych typu 366 o wysokości 345 mm oraz wymiennika obrotowego z blachy aluminiowej o średnicy 400 mm, długości 240 mm, grubości 0.08 mm oraz wysokości fałdy 1.9 mm

PORÓWNANIE DZIAŁANIA WYMIENNIKÓW W BUDYNKU MIESZKALNYM

Analiza przedstawia procesy odzysku ciepła oraz wynikające z tych procesów parametry powietrza, które ustalą się w budynku mieszkalnym jednorodzinnym w zależności od tego, który z wymienników zastosujemy w rekuperatorze. Analizę wykonaliśmy dla powietrza zewnętrznego o temperaturze -5°C i wilgotności 85% (są to warunki występujące w Polsce przez ponad 7% godzin w roku). W analizowanym budynku system grzewczy utrzymuje temperaturę powietrza równą 20^oC. W budynku przebywają 4 osoby nie wykonujące pracy fizycznej (każda osoba emituje 38 gramów pary wodnej w ciągu godziny). Strumień powietrza jest stały i równy 180 m³/h.

PORÓWNANIE WILGOTNOŚĆ I SZACUNKOWYCH KOSZTÓW ENERGII W SKALI ROKU DLA RÓŻNYCH WYMIENIKÓW CIEPŁA

Analizę wykonaliśmy w oparciu na bazach danych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej z lat 1971-2000, dla stacji meteorologicznych z obszaru Polski, posiadających ciągi danych terminowych co najmniej 3-godzinne, z okresu co najmniej 10 lat. Spośród 61 stacji, dla których zostały wygenerowane dane źródłowe, 43 stacje posiadają pełne ciągi danych dla 30 lat. Założyliśmy, że rekuperator odzyskuje ciepło w czasie kiedy temperatura powietrza zewnętrznego spada poniżej +15°C. W takich warunkach zaczynają działać systemy grzewcze, a otwieranie okien może prowadzić do utraty komfortu cieplnego w budynku. W Polsce średnio w czasie 301 dni (82% roku) temperatura powietrza spad poniżej +15°C. Spośród tych dni, w czasie 86 dni (24% roku) temperatura powietrza spada poniżej 0°C. Temperatura powietrza w budynku utrzymywana jest na poziomie 20°C przez system grzewczy.
Pierwszy wykres przedstawia wartości wilgotności względnej powietrza, które ustalą się w jednorodzinnym budynku mieszkalnym w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego, przy założeniu, że w budynku nie działa nawilżacz, a źródłem pary wodnej są zyski wilgoci pochodzące od 4 osób przebywających w budynku (nie wykonujących wysiłku fizycznego). Strumień powietrza wentylacyjnego jest stały i równy 180 m³/h. Wilgotność powietrza zewnętrznego pochodzi z danych meteorologicznych (według powyższego źródła) i przyjmuje wartości od 76% przy +15°C do 85% przy -15°C. Drugi wykres przedstawia szacunkowy koszt energii zużytej przez rekuperator w ciągu roku w powyższych warunkach.