De verschillende mogelijkheden van warmteterugwinning bij ventilatiesystemen

Een overzicht van de soorten warmtewisselaars

Stiebel Eltron WTW — Dankzij de geïntegreerde warmtewisselaar wint dit centraal ventilatietoestel luchtvochtigheid en warmte-energie terug uit de afvoerlucht (Bron: Stiebel Eltron)

Ventileren is in woongebouwen sinds 2006 verplicht. Niet-residentiële gebouwen worden al langer verplicht uitgerust met luchtbehandelingsinstallaties, maar ook bij residentiële gebouwen werden de luchtverversingsnormen de afgelopen decennia strenger. Naast de primaire functie van ventilatie-installaties, het voorzien in een goede luchtkwaliteit, wordt ook het energiezuinigheidsaspect van de installatie steeds belangrijker. Op steeds meer manieren wordt daarom getracht om warmteterugwinning in luchtbehandelingssystemen mogelijk te maken.

Situering

Om warmteterugwinning (WTW) te realiseren met een ventilatiesysteem, moet zowel de verontreinigde lucht mechanisch worden afgevoerd als de verse lucht toegevoerd worden, dus met behulp van ventilatoren. Om die reden zijn enkel ventilatiesystemen van het type D met warmteterugwinning geschikt.

De EPB-regelgeving beloont daarnaast installaties die efficiënter de warmte van de afvoerlucht kunnen recupereren. Om die reden zetten fabrikanten steeds meer in op de verdere optimalisatie van de huidige WTW-systemen en vooral het rendement ervan, maar worden er ook meer gebruiksmogelijkheden onderzocht.

vasco warmterecuperatie — Bij een D-systeem wordt WTW warmte gebruikt om de verse lucht op te verwarmen (Bron: Vasco)

De meest voor de hand liggende toepassing ligt in het voorverwarmen van de nieuwe, verse lucht. Hiervoor is een ventilatieconcept nodig dat de toevoerlucht mechanisch naar binnen brengt. Dit is het eerder genoemde systeem D, ook wel balansventilatie wordt genoemd. De volgende paragrafen gaan om die reden voornamelijk over systeem D.

Ter volledigheid dient ook opgemerkt te worden dat naast warmteterugwinning, in de warme perioden van het jaar en met dezelfde voorzieningen, ook koudeterugwinning mogelijk is. Hierbij wordt de toevoerlucht van het ventilatiesysteem voorgekoeld. Het verloop van de warmtestroom is in die situatie omgekeerd dan bij WTW het geval is.

Tot slot kan warmterecuperatie ook via andere toepassingen gerealiseerd worden, dan enkel voor het opwarmen van de toevoerluchtstroom. Daardoor biedt ventilatiesysteem C eveneens mogelijkheden voor warmterecuperatie. Meer hierover in de paragraaf over andere doeleinden voor het gebruik van gerecupereerde warmte.

Soorten warmtewisselaars bij ventilatiesystemen

Warmteterugwinning door recirculatie

De meest eenvoudige, maar ook minst doeltreffende manier van WTW, is door een deel van de afvoerlucht simpelweg te hergebruiken. Enkel licht verontreinigde lucht komt hiervoor in aanmerking, bijvoorbeeld lucht afkomstig uit een niet gebruikte vergaderzaal of uit een slaapzaal overdag.

Via een regelklep kan de hoeveelheid recirculatielucht ingesteld worden. De warme afvoerlucht wordt deels hergebruikt en toegevoegd aan de verse, maar koude luchtstroom.

Moderne luchtbehandelingskasten zullen niet meer voorzien worden van recirculatiemogelijkheden. De reden hiervoor is dat de toevoerlucht deels verontreinigd in gebouwen binnenkomt.

Het gebruik van deze menglucht is nefast en kan ook gezondheidsrisico’s inhouden, waaronder het sick building syndrome, maar ook de verdere verspreiding van ziektedeeltjes die potentieel in luchtstromen aanwezig zouden zijn.

Platenwarmtewisselaars of kruisstroomwarmtewisselaars zijn de meest gebruikte vorm van WTW-voorzieningen

Platenwarmtewisselaar

Platenwarmtewisselaars of kruisstroomwarmtewisselaars zijn de meest gebruikte vorm van WTW-voorzieningen. Ook tegenstroomwisselaars behoren tot deze groep en presteren nog iets beter dan kruisstroomwarmtewisselaars. Zeker bij residentiële installaties vormt deze laatste groep van WTW-systeem daarom de overgrote meerderheid.

De twee luchtstromen worden hermetisch gescheiden langs elkaar heen geleid. De opbouw van de component zorgt ervoor dat het contactoppervlak van de luchtstromen met de platenwisselaar zo groot mogelijk is, om de warmteoverdacht zo snel mogelijk te laten geschieden.

renson warmteterugwinning — Tegenstroomwarmtewissellaars zijn veel voorkomend in residentiële ventilatiesystemen (Bron: Renson)

Het rendement van platenwisselaars kan in residentiële toepassingen meer dan 90% bedragen. In grotere gebouwen is dit doorgaans minder, maar worden soms twee kruisstroomwisselaars na elkaar in een luchtbehandelingskast ingebouwd. Het nadeel van deze oplossing is de plaatsruimte die nodig is.

Echter wordt een ventilatiesysteem met warmterecuperatie bekomen, zonder het risico op luchtvermenging en zonder bewegende onderdelen. Dit komt de levensduur van de WTW-component ten goede en vergemakkelijkt het onderhoud ervan.

Kruisstroomwisselaars zijn qua vorm doorgaans uitgevoerd als zeshoekige prisma’s. Ze worden meestal uit kunststof vervaardigd. Sommige fabrikanten brengen ook systemen uit met een enthalpie-kruisstroomwisselaar. Deze soort WTW-systemen kunnen naast warmte ook vocht uit de afvoerlucht terugwinnen.

Twincoilsysteem

Het twincoilsysteem is een volgende manier om warmte uit ventilatielucht te recupereren. Het systeem berust erop dat de afvoerlucht over kleine leidingen geleid wordt, die gevuld zijn met een vloeibaar tussenmengsel. De vloeistof in de buizen warmt hierdoor op en wordt vervolgens verpompt naar het luchttoevoerkanaal.

twincoilsysteem renson — Bij een twincoilsysteem wordt WTW gerealiseerd door een leidingstelsel met een tussenmedium

In dit luchtkanaal zijn eveneens verschillende kleine leidingen aanwezig. Hier geeft het tussenmengsel zijn opgenomen warmte af, om de verse luchtstroom op te warmen.

De vloeistof betreft een water-glycolmengsel, om potentiële bevriezing in de winter of in periodes dat de WTW buiten dienst zou zijn te voorkomen. Soms wordt naast het buizenstelsel en de pomp ook een driewegregelklep voorzien om temperatuurregeling mogelijk te maken.

In de meerderheid van de toepassingen is dit echter niet nodig, gezien meestal alle warmte gerecupereerd kan worden.

Deze soort WTW onderscheidt zich van andere omdat het buizennetwerk met het vloeibare tussenmedium een belangrijk voordeel biedt. De luchtkanalen kunnen ruimtelijk gescheiden van elkaar opgesteld zijn.

Het is niet nodig dat de luchtafvoer- en de luchttoevoerkanalen in elkaars buurt komen. Het risico op ongewenste luchtvermenging is daardoor eveneens uitgesloten.

Heatpipes

crijns heatpipe principe — Het bovenste deel van de heatpipe ligt in het luchttoevoer- en het onderste in het luchtafvoerkanaal (Bron: Crijns)

Een volgende manier om WTW mogelijk te maken is met heatpipes. Heatpipes zijn rechte, hermetisch afgesloten buizen die deels in het toevoer- en deels in het afvoerkanaal liggen. Beide luchtkanalen dienen dus vlak boven of naast elkaar te zijn geplaatst.

Heatpipes zijn gevuld met een koelmiddel. Er worden verschillende heatpipes samen gemonteerd tussen de twee luchtkanalen. Ze worden zodanig vastgezet dat ze afhellen naar het luchtafvoerkanaal. Aan de laagst gelegen zijde die in het luchtafvoerkanaal valt, zal de heatpipe warmte opnemen. Bijgevolg zal het koelmiddel in de heatpipe verdampen en dit gas in de heatpipe omhoog bewegen.

Het hoogste punt van de heatpipe ligt in het toevoerluchtkanaal. Hier geeft het gas zijn warmte af om opnieuw te condenseren. De heatpipe verliest zo zijn warmte aan de toevoerlucht en het koelmiddel in de heatpipe wordt opnieuw vloeibaar.

De helling van de heatpipe zorgt er tot slot voor dat het koelmiddel naar beneden stroomt. Het proces begint vervolgens opnieuw.

Warmtewiel

Vooral in grote gebouwen is het warmtewiel veruit de meest gekozen oplossing voor warmterecuperatie. Het basisprincipe van het warmtewiel maakt gebruik van twee luchtkanalen met een verschillende luchttemperatuur die naast of boven elkaar opgesteld zijn.

De stromingsrichting van beide luchtstromen dient tegengesteld aan elkaar te zijn. Beide kanalen zijn op een bepaald punt onderbroken door één gemeenschappelijk warmtewiel. De helft van de doorsnede van het wiel ligt in het ene luchtkanaal, de andere helft in het tegengestelde kanaal.

De rotor van het warmtewiel draait voortdurend en draagt de warmte van de warme luchtstroom over naar de koudere luchtstroom.

warmtewiel clingenburg — Warmtewielen liggen deels in het toevoer- en deels in het afvoerluchtkanaal (Bron: Klingenburg)

Warmteoverdracht met een warmtewiel geschiedt door opwarming en afkoeling van het materiaal waaruit het wiel opgebouwd is. Meest voorkomend zijn wielen die opgebouwd zijn uit aluminium lamellen. Lucht stroomt hierbij door de verschillende, kleine luchtkanalen waaruit het wiel vervaardigd is.

Door het toepassen van coatings kunnen warmtewielen ook vocht overdragen van de ene naar de andere luchtstroom. Een warmtewiel met enkel WTW wordt ook aangeduid als een condensatiewiel.

Een warmtewiel met voornamelijk vochtterugwinning heet een sorptiewiel. Warmtewielen die beide kunnen realiseren, zijn enthalpiewielen.

Het WTW-rendement van warmtewielen is afhankelijk van verschillende parameters. De omwentelingssnelheid is een eerste factor. Doorgaans bedraagt die ongeveer 10 rotaties per minuut. Ook de dikte van de rotor is van belang. Een dikker wiel zal een hoger rendement opleveren, maar zorgt onvermijdelijk wel voor een grotere drukval.

Belangrijk aandachtspunt bij warmtewielen is dat er een risico bestaat op luchtvermenging. Gezien het warmtewiel tussen beide luchtstromen roteert kan vervuilde lucht onbedoeld in de verse luchtstroom terechtkomen.

Drie zaken kunnen dit risico beperken:

Afdichtingmateriaal rond het wiel. Door strips of borstels aan de rand van het draaioppervlak toe te passen, kunnen onbedoelde luchtstromen die naast in plaats van in het wiel terechtkomen, afgeremd worden.
Hogere luchtdruk in de toevoer- dan in de afvoerluchtzijde. Zowel aan de voor- als aan de achterkant van het wiel zou de toevoerluchtzijde steeds in overdruk moeten staan tegenover de afvoerluchtzijde. Op die manier zal leklucht steeds van de toevoer- naar de afvoerkanalen die een lagere luchtdruk kennen, toestromen.
Een geïntegreerde spoelzone. Daar waar het wiel telkens van het afvoer- naar het toevoerkanaal overdraait, kan best een spoelzone worden aangebracht. De spoelzone zal telkens een klein stuk van de nieuwe, verse lucht onmiddellijk naar buiten afvoeren. Hierdoor wordt vermeden dat door de draaiing van het wiel, naast louter de warmte van de afvoerlucht ook een deel van de afvoerluchtstroming op zich mee in de toevoerluchtstroom wordt gebracht.

afdichting klingenburg — Afdichtingstrips verminderen het risico op onbedoelde luchtstromen (Bron: Klingenburg)

Eerder werd gesteld dat het rendement van een warmtewiel afhankelijk is van de rotordikte en de draaisnelheid. Beide parameters bepalen onder meer ook mee het risico op leklucht. Voornamelijk de benodigde grootte van de spoelzone hangt hiervan af. Een grotere spoelzone is nodig wanneer:

De rotor dikker is
De draaisnelheid trager is
De luchtsnelheid lager ligt
Het drukverschil tussen beide zijden van het wiel kleiner is

Warmtewielen hebben als voordeel dat ze efficiënt en snel warmterecuperatie mogelijk maken voor grote luchtdebieten zonder veel plaats in te nemen

Warmtewielen hebben als voordeel dat ze efficiënt en snel warmterecuperatie mogelijk maken voor grote luchtdebieten zonder veel plaats in te nemen. Doordat ze afwisselend langs beide kanten luchtstromen te verwerken krijgen, zijn ze deels zelfreinigend.

Daarnaast kunnen ze niet bevriezen en zijn ze in staat om door het vocht in de afvoerlucht ook latente warmte te recupereren. Bijhorende nadelen zijn echter het eerder vermelde risico op onbedoelde luchtvermenging en de bewegende onderdelen, die een kortere levensduur en meer risico op storingen vertonen.

warmteterugwinning klingenburg — Een warmtewiel is een compacte manier om WTW mogelijk te maken (Bron: Klingenburg)

klingenburg luchttoevoerstroom — De spoelzone vermijdt dat afvoerlucht in de toevoerluchtstroom wordt meegevoerd (Bron: Klingenburg)

Accumulerende systemen

Tot slot vormen de accumulerende systemen of warmtebuffersystemen een laatste manier om warmte uit afvoerlucht te recupereren en af te geven aan toevoerlucht. Bij dit soort WTW-voorzieningen vormen regelkleppen en warmte-batterijen de voornaamste onderdelen.

Een accumulerend systeem kan in twee standen staan. Beide luchtstromingen kunnen bijgevolg ook langs twee verschillende wegen gestuwd worden.

Langs allebei de wegen komt lucht in contact met een warmte-accu. De helft van de tijd stroomt verse lucht door kanaal A en vervuilde lucht door kanaal B. Hierbij wordt de warmtebatterij van kanaal A ontladen en de warmtebatterij van kanaal B opgeladen.

Na verloop van tijd keren de regelkleppen de trajecten om en zal verontreinigde lucht door kanaal A en propere luchtstroming door kanaal B stromen. De batterij die daarnet werd opgeladen, wordt nu ontladen en omgekeerd.

menerga warmteterugwinning — Bij warmtebuffersystemen worden twee accu’s voortdurend op- en ontladen (Bron: Menerga)

Het voordeel van dit systeem is het erg hoge rendement, zodat er meestal zonder een bijkomstige warmtebatterij in de luchtgroep gewerkt dient te worden om de verse lucht in de winter voor te verwarmen. Daarenboven zijn warmtebuffersystemen vaak platter dan andere WTW-systemen.

Dit is vooral bij dakopstellingen een voordeel, wanneer het niet wenselijk is dat de luchtgroep vanop de grond zichtbaar is.

Net als bij warmtewielen hebben accumulerende systemen als nadeel dat er veel mechanische bewegingen optreden, wat nefast is voor de levensduur van de installatie. Bijkomstig vormt ook hier onbedoelde luchtverontreiniging een risico.

Gerecupereerde warmte voor andere doeleinden

Naast het hergebruiken van warmte louter binnen de luchtbehandelingsinstallatie zelf, zijn ook andere toepassingen van warmterecuperatie mogelijk. Zowel ventilatiesystemen C als D komen hierbij in aanmerking.

Warmtebron voor warmtepompen

De warmte die gewonnen kan worden uit afvoerlucht, kan onder meer dienstdoen als warmtebron voor een warmtepomp. Fabrikanten die warmtepompen aanbieden die deze warmtebron kunnen gebruiken, bieden veelal ook ventilatiesystemen aan.

Zo kan de koppeling tussen beide systemen gemaakt worden met componenten van hetzelfde merk. Sommige fabrikanten bieden beide technische installaties zelfs in één grote, geïntegreerde installatie aan.

Met medewerking van Klingenburg, Menerga, Renson, Vasco en Zehnder