Ostatnio starałem przybliżyć się temat wymienników ciepła - rekuperatorów. Wspomniałem tam o możliwości szronienia wymienników, ale tez o ich sprawności, która jakby nie patrzeć nie osiągnie 100%, a więc powietrze trzeba ogrzać. I tu właśnie pojawia się nagrzewnica.

Nagrzewnica wstępna

Jeśli występuje problem szronienia wymiennika to jednym z rozwiązań jest zastosowanie nagrzewnicy wstępnej, która będzie "pilnowała" temperatury powietrza przed rekuperatorem, tak aby do zaszronienia nie doszło.

Nagrzewnica podstawowa

O ile z nagrzewnicy wstępnej teoretycznie można zrezygnować, to nie radzę tego robić z nagrzewnicą za wymiennikiem.
Ma ona za zadanie dogrzać powietrze, tak aby jego temperatura osiągnęła wartość projektową. Bez tego procesu szybko wychłodzimy pomieszczenie. (Tutaj niektórzy mogą się ze mną nie zgodzić i taką przepustnicę nazwać wtórną, pewnie słusznie, ale podzieliłem to aby wskazać jeszcze jedną możliwość, którą opisuję w kolejnym punkcie)

Nagrzewnica wtórna

Czyli dodatkowa nagrzewnica, najczęściej stosowana jako kanałowa. Takie nagrzewnice mają sens gdy mamy pomieszczenia o różnych temperaturach, każde urządzenie to możliwość odrębnej nastawy temperatury. Raczej bez zastosowania w tradycyjnym domu.

Temperatury

Projektowa temperatura wewnętrzna, czyli taka do której podgrzejemy powietrze, w przypadku pomieszczeń przeznaczonych do stałego przebywania ludzi bez okryć zewnętrznych (pokoje, biura itp z pewnością do takich pomieszczeń należą) przyjmuje się temperaturę 20°C
Z temperaturą zewnętrzną zimą jest trochę trudniej, tutaj polska podzielona jest na 5 stref klimatycznych, a temperatury im odpowiadające mieszczą się w zakresie od -24°C do -16°C

Moc

Moc nagrzewnicy policzymy z prostego wzoru:
Q = V·ρ·cp·ΔT [kW]

gdzie:
V – strumień objętości powietrza [m³/s];
ρ – gęstość powietrza [przyjmujemy 1,2 kg/m³];
cp – ciepło właściwe powietrza [przyjmujemy 1,005 kJ/(kg·K);
ΔT – różnica temperatur powietrza przed i za nagrzewnicą [K].

Przykład
Załóżmy że liczymy sobie moc nagrzewnic(y) dla instalacji o wydajności 300 m3/h, zlokalizowana jest ona w III strefie klimatycznej, dla której zimą przyjmujemy temperaturę -20°C, a nasz wymiennik ma sprawność na poziomie 80%

Nagrzewnica wstępna:
Q = V·ρ·cp·ΔT = (300:3600)·1,2·1,005·(268-253)≈ 1,51 [kW]

W praktyce nie kupujemy nagrzewnicy na dokładną moc, możemy tutaj zastosować nagrzewnicę o mocy 2 kW co nie znaczy że każda godzina jej pracy będzie wiązać się z wykorzystaniem takiej właśnie mocy, z założenia nagrzewnica wstępna powinna uruchamiać się wtedy gdy istnieje ryzyko oszronienia tj nie będzie pracować cały czas.

Nagrzewnica podstawowa:
Skoro założyłem że odzysk ma sprawność 80% to zapoznając się z poprzednim wpisem będziemy wiedzieć że za wymiennikiem uzyskamy ok 12°C, czyli do naszej temperatury projektowej brakuje nam jedynie 8°C
Q = V·ρ·cp·ΔT = (300:3600)·1,2·1,005·8 ≈ 0,8 [kW]

W teorii wystarczyłoby zastosować taką małą nagrzewnicę, ale warto wziąć pod uwagę że temperatura zewnętrzna może być niższa niż książkowe -20°C oraz to że sprawność odzysku wymiennika może być nieco mniejsza, warto zastosować urządzenie o nieco większej mocy.

Źródło ciepła

• Rozwiązaniem najtańszym w zakupie będzie nagrzewnica elektryczna, będzie ona też najprostsza w instalacji i w sterowaniu. Zasada jest prosta, powietrze przepływa przez rozgrzane grzałki elektryczne, a czujnik temperatury umieszczony za nagrzewnicą pozwala określić jak mocno mają się one nagrzewać. Minus jest jeden koszty eksploatacji, w porównaniu z innymi mediami prąd elektryczny będzie najdroższy. No chyba że ktoś ma ogniwa fotovoltaiczne ale to już inna para kaloszy.

Elektryczna nagrzewnica kanałowa. Źródło: Harmann

• Wodna nagrzewnica będzie trochę bardziej kłopotliwa, poza samą nagrzewnicą należy przewidzieć armaturę (zawory, manometry, śrubunki itp) oraz doprowadzić instalację. No i najważniejsze, mieć własne źródło ciepła np w postaci kotła, ale zakładam że skoro temat rozpatrujemy pod kątem domu jednorodzinnego, to takie i tak się w nim znajduje. W instalacji może płynąć woda lub inny czynnik np glikol. Powietrze przepływa przez wymiennik a sterowanie odbywa się na zaworze regulacyjnym, podobnie jak na tradycyjnych grzejnikach tylko że automatycznie. Wadą będą koszty montażu instalacji, ale koszty eksploatacji powinny to wynagrodzić.

Wodna nagrzewnica kanałowa. Źródło: Harmann

• Istnieją również gazowe nagrzewnice, są to właściwie palniki wbudowane w centrale. Wymagają one doprowadzenia gazu oraz wyprowadzenia komina, nie spotkałem się z takim rozwiązaniem dla domu (być może ze względu na małą moc) ale teoretycznie jest to możliwe.

• Gruntowy Wymiennik Ciepła - od razu się przyznaje, tematu nie znam od strony praktycznej i nie za bardzo wiem jak się za to zabrać. Będzie bardzo ogólnie. Pod powierzchnią ziemi panuje stała temperatura. Mamy pionowe wymienniki ciepła, które wymagają minimum 2 głębokich odwiertów, lub wymienniki powierzchniowe dla których instalację zakopuje się na głębokości np 2 m. To rozwiązanie podobno jest tańsze.
  Na głębokości wspomnianych 2 m mamy temperaturę ok 8°C (chociaż intuicyjnie czuję że to zależy od kilku czynników i nie zawsze tak jest). W ziemi możemy zakopać rury i przeprowadzić przez nie powietrze, którego temperatura, przy odpowiednim doborze, przybliży się do temperatury otoczenia (tj. te 8°C), ale można też puścić cieńszą instalację z glikolem, który przejmie temperaturę i odda ją w wymienniku - wodnej nagrzewnicy wstępnej.
  Tutaj dygresja, nagrzewnica wodna różni się tym od chłodnicy że przepływa przez nie medium o innej temperaturze i tak jeśli będziemy mieć GWC z glikolem to to samo urządzenie będzie wstępnie podgrzewać powietrze zimą, ale też schładzać je latem, przy tej samej temperaturze glikolu.
  Wymienników jest kilka rodzajów, tak jak wspomniałem i tutaj zachęcam do głębszego zapoznania się z tematem już we własnym zakresie.

• Pompa ciepła - przykro mi ale tego też nie poznałem od strony praktycznej.
  Bez głębokiego wchodzenia w temat każdy z was ma lodówkę, pobiera ona ciepło z wnętrza (wiem że tam jest zimno, ale jeśli zmienimy jednostkę na Kelwiny to tam nadal jest ciepło ;) ) i oddajemy je na zewnątrz, zazwyczaj za lodówką umieszczona jest taka siatka która emituje ciepło, gdybyśmy odwrócili kierunki przepływu to schładzalibyśmy otoczenie a wnętrze byłoby ogrzewane - tak mniej więcej działa pompa ciepła. Jest ich kilka rodzajów, główny podział wynika z medium które bierze udział w wymianie temperatury (powietrze, woda, solanka, grunt). Trochę się to zazębia z GWC.
  Na rynku są centrale ze zintegrowaną pompą ciepła, jeden wymiennik mamy na kanale nawiewnym, drugi na wyrzutowym, dzięki czemu powietrze które oddało już sporo ciepła na wymienniku zostanie tutaj "dociśnięte" tak żeby jeszcze trochę go oddać do nagrzewnicy i uzyskać docelową temperaturę nawiewu.
  To co istotne przy pompach ciepła to fakt że do działania potrzebują energii elektrycznej, ale z 1 kW energii elektrycznej mogą uzyskać 4-5 (może już więcej) kW energii cieplnej. Pompa ciepła również może schładzać powietrze latem co jest dużym plusem.

Uwaga

Bez względu na rodzaj wybranej nagrzewnicy warto pomyśleć o dodatkowym zabezpieczeniu które wyłączy nagrzewnicę jeśli nie będzie przez nią przepływać powietrze, wystarczy zastosować czujnik ciśnienia lub czujnik przepływu

Aktualizacja

@bowess w komentarzu zwrócił uwagę na jeszcze jedno rozwiązanie, które on sam z powodzeniem stosuje: całkowity brak nagrzewnicy. Problem ze szronieniem można rozwiązać za pomocą bypassu, albo np zmiany prędkości obrotów w przypadku wymiennika obrotowego - w ten sposób likwidujemy nagrzewnicę wstępną, choć sam spotkałem się z opinią że korzystniej jest jednak ją stosować.
Jeśli nie mamy wentylacji mechanicznej to przez różne nieszczelności do naszego domu i tak dostaje się świeże, zimne powietrze. To że nie marzniemy jest zasługą instalacji CO, która pokrywa straty ciepła spowodowane wymianą powietrza. W takim razie jeśli mamy sam rekuperator to domowe ogrzewanie tym bardziej sobie poradzi z temperaturą pomieszczenia, bo do pomieszczenia nie dopływa powietrze o temperaturze -20, a np +16
W tym przypadku zwróciłbym jednak uwagę na odpowiedni dobór nawiewników, tak aby powietrze zostało rozprowadzone "delikatnie"