Rekuperacja to inaczej odzysk energii. W ostatnich czasach, pod pojęciem rekuperacji, ogół ludzi rozumie odzysk energii cieplnej z układów wentylacji mechanicznej.
Powietrze znajdujące się w pomieszczeniu posiada przeważnie inną temperaturę niż powietrze na zewnątrz. Latem powietrze w pomieszczeniach jest zazwyczaj chłodniejsze, a zimą jest cieplejsze. Ponieważ energia cieplna kosztuje, zatem schładzanie lub ogrzewanie pomieszczeń także jest kosztowne. Aby obniżyć koszty schładzania, bądź ogrzewania pomieszczeń, stosuje się pewne rozwiązania, których celem jest odzyskanie jak największej części energii, już wcześniej wydatkowanej na schłodzenie lub ogrzanie pomieszczeń. Do odzysku jest przeznaczona ta ilość energii, która jest zgromadzona w powietrzu usuwanym z pomieszczeń. Energia zgromadzona w ścianach, meblach, sprzętach itp. pozostaje w pomieszczeniu, a jej utratę można ograniczyć jedynie poprzez stosowanie izolacji termicznej pomieszczeń.
Energia zgromadzona w powietrzu dzieli się z grubsza na dwa rodzaje energii:

– ciepło zawarte w parze wodnej rozpuszczonej w powietrzu – tzw. ciepło utajone
– ciepło zawarte w suchym powietrzu, gdyby usunąć z niego całą wilgoć – tzw. ciepło jawne

Wiemy z fizyki oraz intuicyjnie rozumiemy to z codziennych obserwacji, że ciepło potrafi się przemieszczać samoistnie, o ile występuje różnica temperatur pomiędzy ośrodkami. W takim przypadku energia cieplna przemieszcza się z ośrodka o wyższej temperaturze do ośrodka o niższej temperaturze. Oznacza to, że bez stosowania dodatkowych urządzeń technicznych, energia cieplna przemieszcza się tylko do takiego momentu, gdy temperatury dwóch ośrodków zrównają się. Im mniejsza jest różnica temperatur pomiędzy ośrodkami, tym gorsza jest sprawność wymiany ciepła. Wynika z tego istotny wniosek do konstruowania wymienników ciepła, czyli rekuperatorów, o czym wspomnimy w dalszej części artykułu.
Aby odzyskać kosztowną energię cieplną musimy skontaktować ze sobą dwa ośrodki biorące udział w wymianie. Ponieważ mówimy o rekuperacji dla powietrza wywiewanego z pomieszczeń, to naturalnie nie chcemy mieszać ze sobą powietrza zużytego (wywiewanego) z powietrzem świeżym (nawiewanym). Z tego powodu te dwa strumienie powietrza są od siebie odseparowane fizycznie. Przegroda między strumieniami powietrza (strumieniami energii) powinna zapewniać jak najlepszą wymianę ciepła między nimi. Oznacza, to że zarówno powinna być wykonana z materiału, który przepływającemu ciepłu stawia jak najmniejszy opór zatem ma jak największą przewodność cieplną, jak też powierzchnia kontaktu tych strumieni powinna być jak największa. I to zdanie oraz wcześniejszy wniosek z termodynamiki o sprawności wymiany ciepła stanowią całą kwintesencję rekuperacji.
Dane techniczne poszczególnych modeli rekuperatorów są podawane w katalogach przez producentów. Te dane w połączeniu z odpowiednio atrakcyjnym wyglądem obudowy stanowią dla wielu użytkowników podstawę wyboru określonej marki i modelu.
Artykuł porusza te zagadnienia, o których zazwyczaj nie ma mowy w katalogach, a które później decydują o rzeczywistych kosztach eksploatacji.

1. Powierzchnia wymiany wymiennika:
Wzory fizyczne oraz intuicja podpowiadają, że im większa jest powierzchnia, przez którą następuje wyrównywanie się temperatur tym proces ten jest wydajniejszy. Tzn. więcej ciepła przepłynie w tym samym czasie lub ta sama ilość ciepła zostanie przekazana w krótszym czasie. Ponieważ w rekuperatorach wymiana ciepła zachodzi pomiędzy przepływającymi, a nie statycznymi porcjami powietrza, zatem przez większą powierzchnię przepłynie więcej ciepła do drugiego strumienia niż przez mniejszą, przy tej samej prędkości strumieni w obu wymiennikach. Skoro przepłynie więcej ciepła, to znaczy, że więcej ciepła zostanie przekazane do drugiego strumienia. Jeżeli więcej ciepła zostanie przekazane, to znaczy, że mniej kosztownej energii (ciepła) musi dostarczyć (dołożyć) użytkownik.

2. Długość drogi wymiany ciepła:
Wyobraźmy sobie dwa wymienniki o identycznych powierzchniach wymiany, ale o różnych długościach dróg pokonywanych przez strumienie powietrza podczas przekazywania sobie ciepła. Rozważmy również przypadek rekuperacji podczas zimy. Przyjmijmy, że suche, zewnętrzne powietrze o temperaturze powiedzmy minus dwadzieścia stopni Celsjusza wpływa do naszych dwóch rekuperatorów. Po drugiej stronie powierzchni wymiany płynie strumień ciepłego i wilgotnego powietrza wypływającego z pomieszczeń, w których jest temperatura powiedzmy plus dwadzieścia dwa stopnie Celsjusza. Podczas kontaktu przez ścianki wymiennika tych dwóch, przyjmijmy jednakowych strumieni powietrza, następuje wymiana ciepła. O ile z powietrzem zewnętrznym nie ma większego problemu, poza tym, że jego wilgotność względna maleje jeszcze bardziej, o tyle z tym drugim sprawa wygląda gorzej. Temperatura powietrza wilgotnego (wewnętrznego) maleje podczas oddawania ciepła powietrzu suchemu (zewnętrznemu). Podczas ochładzania następuje wzrost wilgotności względnej tego powietrza. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że powietrze zewnętrzne i wewnętrzne powinny wyrównać swoje temperatury „pośrodku” zakresu swoich wartości czyli maksymalnie dojść do punktu w okolicy zera stopni Celsjusza. W rzeczywistości powietrze ciepłe będzie się ochładzało wolniej, o około 0,7 stopnia Celsjusza na każdy 1,0 stopień przyrostu temperatury powietrza zimnego. Dzieje się tak z powodu energii zawartej w wodzie, rozpuszczonej w tym powietrzu oraz z powodu wydzielania się ciepła kondensacji. Zatem w rzeczywistości powietrze wylotowe ochłodzi się do około plus siedmiu stopni Celsjusza, a powietrze zewnętrzne ogrzeje się do około plus pięciu – siedmiu stopni Celsjusza. Powietrze z wnętrza, które miało + 22 stopnie Celsjusza i zostało ochłodzone do plus kilku stopni Celsjusza z pewnością przekroczyło tzw. punkt rosy, zapewne w okolicach plus 10-14 stopni Celsjusza (zależnie od pierwotnej wilgotności względnej) i nastąpiło wykroplenie się wody we wnętrzu rekuperatora. I teraz wracamy myślami do „krótkiego” i „długiego” rekuperatora. W długim rekuperatorze jesteśmy w stanie wydzielić konstrukcyjnie strefę odpływu skroplin i wyprowadzić je w postaci ciekłej na zewnątrz wymiennika. Jak wygląda sytuacja w krótkim? Droga pomiędzy początkiem wykraplania wody a punktem jej zamarzania jest siłą rzeczy również krótka. Zatem trudne lub niemożliwe staje się utrzymanie kondensatu w postaci ciekłej i odprowadzenie go na zewnątrz. Czy jest to ważne zagadnienie? Jeżeli nie odprowadzimy kondensatu z wymiennika podczas ujemnych temperatur, to woda ta zamarznie w wymienniku i uniemożliwi dalszy przepływ powietrza przez wymiennik. Czy uzyskamy jakiś odzysk ciepła jeżeli ciepłe powietrze nie będzie mogło wypływać z pomieszczenia przez wymiennik z powodu zablokowania go przez lód?
Naturalnie nie. Ponadto nastąpi zakłócenie wentylacji w całym obiekcie, gdyż powietrze zewnętrzne będzie miało utrudniony napływ do pomieszczeń z powodu braku wypływu powietrza wewnętrznego. Przy braku lub zmniejszonej, w stosunku do założeń projektowych wentylacji pomieszczeń mieszkalnych, nastąpi w nich pogorszenie warunków bytowych. Oznacza to wzrost wilgotności pomieszczeń (rozwój grzybów i pleśni), zwiększoną zawartość dwutlenku węgla, wydychanego przez ludzi i ewentualnie wzrost zawartości spalin z kuchni i piecyków gazowych. Otóż producenci „małych” rekuperatorów, „udając” całkowitą normalność tego rozwiązania, informują użytkownika w swoich katalogach, że wymiennik posiada grzałkę elektryczną o takiej to a takiej mocy, która „zabezpiecza” rekuperator przed zamarznięciem w okresie zimowym. I teraz dochodzimy do sedna sprawy. To co interesuje użytkownika to nie jest sprawność rekuperatora zmierzona w laboratorium producenta, przy określonych parametrach powietrza i przepływu, tylko ilość pieniędzy, które trzeba wydać w skali np. roku (wszystkie sezony) na wentylację pomieszczeń. Oczywiście koszt energii elektrycznej, zużytej na odszranianie rekuperatora grzałką, podczas ujemnych temperatur eksploatacji, zmniejsza jego sprawność podaną w katalogu.

3. Zwartość konstrukcji wymiennika:
Mały wymiennik posiadający tę samą powierzchnię wymiany co duży wymiennik musi posiadać kanaliki powietrzne o mniejszych wymiarach. Mniejsze wymiary to mniejsze pola powierzchni przekrojów kanalików (ciaśniejsze kanaliki) czyli większe opory dla przepływającego powietrza. Czy te opory w ogóle interesują użytkownika czy jest to tylko zagadnienie akademickie dla teoretyków?
Zastanówmy się przez chwilę co oznaczają większe opory podczas przepływu powietrza przez wymiennik. Większe opory, w stosunku do wymiennika mniej zwartego, o większych gabarytach, skutkują tym, że ta sama porcja powietrza przepływającego w tej samej jednostce czasu, spowoduje większą różnicę ciśnień pomiędzy końcami rekuperatora. Jak wiemy z fizyki oraz intuicyjnie z codziennej obserwacji, powietrze (i inne gazy) przepływa pomiędzy różnymi ośrodkami tylko wtedy, gdy występuje między nimi różnica energii reprezentowana w tym przypadku przez różnicę ciśnień. Ponieważ trudno liczyć na spontaniczną różnicę ciśnień między końcem a początkiem wymiennika, dlatego konstruktorzy stosują wentylatory. Wentylator jest urządzeniem, które zamienia energię elektryczną dostarczaną przez użytkownika na energię mechaniczną powietrza, ujawniającą się we wzroście ciśnienia statycznego powietrza w rekuperatorze. Wentylator i jego silnik elektryczny są tak dobrane, aby wytworzyć takie ciśnienie statyczne, określonej ilości powietrza, aby mogło ono pokonać opory wymiennika (spadek ciśnienia na wymienniku) i wydostać się z niego. W zależności od potrzeby, powietrze opuszczające wymiennik posiada określoną nadwyżkę energii, pozwalającą pokonywać kolejne opory przepływu np. przez kanały wentylacyjne. Rozumiemy zatem, że zwiększone opory przepływu przez wymiennik wymuszają zastosowanie wentylatora o wyższym sprężu, a co za tym idzie z silnikiem elektrycznym pobierającym więcej energii elektrycznej. Oczywiste zatem jest, że mniejszy, bardziej zwarty wymiennik rekuperatora musi być droższy w eksploatacji w porównaniu z wymiennikiem o większych gabarytach, przy takiej samej powierzchni wymiany czy sprawności. Czasami dane w katalogach nie uwzględniają kosztów energii elektrycznej dostarczanej do silników wentylatorów rekuperatora.

4. Filtry powietrza w rekuperatorach:
Zazwyczaj w rekuperatorach są stosowane filtry powietrza klasy EU3/G3. Z punktu widzenia techniki filtracji powietrza można powiedzieć, że w zasadzie są to filtry przeciwko owadom. Jest to określenie nieco żartobliwe gdyż takie filtry zatrzymują również mniejsze cząstki niż owady, ale jednak wiele zanieczyszczeń zawartych w powietrzu, przedostaje się przez te filtry. Czy filtry powietrza zawarte w rekuperatorze powinny specjalnie interesować użytkownika?
Użytkownicy przeważnie wiedzą, że filtry należy regularnie wymieniać aby utrzymywać je w czystości.
Zastanówmy się przez chwilę jak działa filtr powietrza?
Filtr powietrza można obrazowo porównać do sita, przez które przelatują zanieczyszczenia. Te które są większe niż „oczka” filtra zostają na nim, a te mniejsze lecą bez przeszkód dalej. Dla części tych zanieczyszczeń kolejnym stopniem filtracji staje się… wymiennik ciepła w rekuperatorze.
Filtr, który filtruje powietrze przez jakiś czas, zawiera w sobie dużo odfiltrowanych zanieczyszczeń, które pozostając w nim… poprawiają klasę filtracji filtra. Jednak filtr o wyższej klasie filtracji stawia przepływającemu powietrzu większy opór, zatem powoduje zmniejszenie ilości przepływającego powietrza, o ile nie zastosujemy wentylatora o wyższych parametrach. Naturalnie łatwiej i taniej jest wymienić zabrudzony filtr powietrza niż wstawić do rekuperatora wentylator o wyższych parametrach. Przyjmijmy zatem, że dbający o swoje urządzenie użytkownik stara się utrzymywać filtry powietrza w rekuperatorze w dosyć dobrym stanie. Powietrze zawiera różnego rodzaju zanieczyszczenia o różnych rozmiarach. Te, które nie zostały zatrzymane na filtrze klasy EU3/G3 przemieszczają się wraz z powietrzem przez wymiennik. Wymiennik posiada kanaliki powietrza, przeważnie z pofałdowanymi powierzchniami w celu polepszenia wymiany ciepła. Na zakrętach kanalików i na pofałdowaniach ich powierzchni, następuje wytrącanie się zanieczyszczeń z przepływającego powietrza. Nota bene, na podobnej zasadzie działają przemysłowe urządzenia odpylające labiryntowe czy cyklotronowe. Wytrącone wewnątrz wymiennika zanieczyszczenia, przywierają do jego wewnętrznych powierzchni w wyniku działania sił adhezji. Przyklejone zanieczyszczenia powodują pogorszenie przewodności cieplnej przegród wymiennika, działając jak izolacja termiczna. Skutkiem tego, po pewnym okresie eksploatacji wymiennik ma pogorszoną wymianę ciepła. Rekuperatory stosowane w domkach jednorodzinnych przeważnie mają powierzchnię wymiany wynoszącą kilkanaście do kilkudziesięciu m2. Wyobraźmy sobie, że po kilku latach, w wyniku zabrudzenia spowodowanego przepływem określonej porcji powietrza, powierzchnia wymiany zmniejszyła się o kilka m2. Jeżeli nowy rekuperator miał powierzchnię wymiany np. 35 m2, to zmniejszenie o np. 5 m2 oznacza, że rekuperator ma efektywną powierzchnię wymiany 30 m2. Jest to zmniejszenie o około 14%. A teraz przyjmijmy, że w tym samym obiekcie zainstalowano rekuperator o powierzchni wymiany np. 300 m2. Po takim samym czasie i przepływie przez ten wymiennik takiej samej porcji powietrza, osadzi się w nim podobna (przyjmijmy, że taka sama) ilość zanieczyszczeń. Nastąpi więc zmniejszenie powierzchni wymiany o te 5 m2. W tym wypadku oznacza to, że pozostanie 295m2 efektywnej powierzchni wymiany. Jest to zmniejszenie o około 1,7%. Nie trzeba być matematycznym geniuszem, żeby zrozumieć, iż wymienniki o małych powierzchniach wymiany są bardziej podatne na utratę sprawności wymiany ciepła pod wpływem zanieczyszczeń z powietrza, niż wymienniki o dużych powierzchniach wymiany. Nota bene, podobnie ma się sytuacja z ewentualnym szronieniem końcówki rekuperatora. Szron i lód stanowią izolację termiczną. Wyłączenie określonej powierzchni rekuperatora z wymiany ciepła w wyniku zaszronienia czy zalodzenia, bardziej wpływa na wymiennik z małą powierzchnią wymiany niż na ten z dużą.

5. Wentylatory w rekuperatorach:
Rozwój techniki spowodował, że pewne korzystne rozwiązania stają się obecnie cenowo bardziej dostępne niż kiedyś. Jednym z nich są silniki elektryczne komutowane elektronicznie. Silniki te są bardziej ekonomiczne w eksploatacji i pozwalają płynnie regulować obroty. W przypadku silników wentylatorów oznacza to możliwość płynnej regulacji wydatku powietrza bez strat energii w kolejnych stopniach regulacyjnych czy wykonawczych. Jeżeli chodzi o rekuperatory, to zużycie energii elektrycznej przez pracujące wentylatory; nawiewny i wyciągowy, pogarszało całoroczną sprawność wymiany ciepła. Zastosowanie droższych, ale o wyższej sprawności silników EC (elektronicznie komutowanych) poprawia sprawność rekuperacji ze względu na mniejsze koszty wydatkowanej energii elektrycznej. W tym momencie dochodzimy do kolejnego, wiążącego się z wentylatorami zagadnienia;

6. Równość strumieni powietrza w rekuperatorze:
Dwa identyczne wentylatory będą przetłaczały inne objętości powietrza o różnych temperaturach. Powietrze chłodniejsze jest gęstsze od ciepłego i to powoduje różnicę w wydajności. Wentylator zasysający mroźne powietrze zewnętrzne, przetłoczy go więcej przez rekuperator niż wentylator wyciągowy, operujący ciepłym powietrzem wewnętrznym. Sprawność rekuperatora jest podawana zazwyczaj dla równych strumieni powietrza. Problem ten można rozwiązać stosując układ kontrolujący ilość powietrza przetłaczanego przez wymiennik i regulujący np. ilość obrotów wentylatorów. Wentylatory EC pozwalają bezproblemowo regulować obroty silników i wpływać płynnie na wydatek powietrza. Rozwiązanie to pozwala poprawić sprawność rekuperacji czyli obniżyć koszty eksploatacji.

6. Skropliny w rekuperatorze:
Podczas wymiany ciepła pomiędzy dwoma strumieniami powietrza następuje zmiana wilgotności względnej w obu strumieniach. W tym, którego temperatura rośnie, zdolność rozpuszczenia w sobie wody wzrasta. W tym drugim, który ulega ochłodzeniu wilgoć się wykrapla po przekroczeniu tzw. punktu rosy.
Wykroplona z powietrza wilgoć spływa w dolną część rekuperatora, gdzie powinien znajdować się odpływ skroplin. Naturalnie odpływ powinien kierować skropliny do miejsca gdzie nie będą stwarzały problemu czyli np. do kanalizacji. W tym momencie możemy zauważyć, że pojawiają się dwie kwestie związane z pracą takiego rekuperatora: a.) Po pierwsze, następuje obniżenie wilgotności względnej w powietrzu nawiewanym do pomieszczeń, co szczególnie zimą może doprowadzić do nadmiernego wysuszenia powietrza i wynikającyc z tego dolegliwości zdrowotnych u mieszkańców. b.) Po drugie, skropliny trzeba zabezpieczyć przed działaniem mrozu, czyli np. prowadzić w ciepłych pomieszczeniach lub/i stosować podgrzewanie np. grzałkami elektrycznymi aby nie zamarzły. Ten warunek czasami wymusza miejsce montażu rekuperatora w określonym miejscu budynku niekoniecznie w tym w którym chciałby użytkownik. c.) Po trzecie, skropliny zawierają energię „wyprowadzoną” (wykroploną) z powietrza wywiewanego, która nie wraca do powietrza nawiewanego do pomieszczeń tylko do kanalizacji.
Dlatego też wymyślono i wdrożono już wiele lat temu, rekuperatory bezskroplinowe. Zawarty w nich wymiennik pozwala przenikać przez swoje ścianki zarówno ciepłu jak i parze wodnej, pozostając jednocześnie nieprzenikalny dla gazów niepożądanych takich np. jak dwutlenek węgla, amoniak i inne.
Dzięki temu nie potrzebna jest instalacja skroplin, ani ich podgrzewanie. Jednocześnie energia zawarta w parze wodnej (entalpia) jest przekazywana do powietrza nawiewanego. Sprawia to, że w rekuperatorze sumarycznie odzyskujemy więcej energii oraz, że nie występuje efekt nadmiernego wysuszenia powietrza w pomieszczeniach ponieważ powietrze nawiewane jest wzbogacane w rekuperatorze o wilgoć z powietrza wywiewanego.
Oczywiście są pewne ograniczenia w stosowaniu tego typu rekuperatorów. Np. nie nadają się one do basenów, saun, powietrza zanieczyszczonego tłuszczem itp. pomieszczeń gdzie występuje ponadprzeciętna wilgotność czy innego rodzaju zanieczyszczenia powietrza.