В связи с ростом тарифов на первичные энергоресурсы рекуперация становиться как никогда актуальна. В приточно-вытяжных установках с рекуперацией обычно применяются следующие типы рекуператоров:
- пластинчатый или перекрестно-точный рекуператор;
- роторный рекуператор;
- рекуператоры с промежуточным теплоносителем;
- тепловой насос;
- рекуператор камерного типа;
- рекуператор с тепловыми трубами.
Принцип работы
Принцип работы любого рекуператор в приточно-вытяжных установках заключается в следующем. Он обеспечивает теплообмен (в некоторых моделях - и холодообмен, а также влагообмен) между потоками приточного и вытяжного воздуха. Процесс теплообмена может происходить непрерывно – через стенки теплообменника, с помощью хладона или промежуточного теплоносителя. Может теплообмен быть и периодическим, как в роторном и камерном рекуператоре. В результате выбрасываемый вытяжной воздух охлаждается, нагревая тем самым свежий приточный воздух. Процесс холодообмена в отдельных моделях рекуператоров проходит в теплое время года и позволяет снизить энергозатраты на системы кондиционирования воздуха за счет некоторого охлаждения подаваемого в помещение приточного воздуха. Влагообмен идет между потоками вытяжного и приточного воздуха, позволяя поддерживать в помещении комфортную для человека влажность круглогодично, без использования каких либо дополнительных устройств – увлажнителей и других.
Пластинчатый или перекрестно-точный рекуператор.
Теплопроводящие пластины рекуперативной поверхности изготавливают из тонкой металлической (материал – алюминий, медь, нержавеющая сталь) фольги или из ультратонкого картона, пластика, гигроскопичной целлюлозы. Потоки приточного и вытяжного воздуха движутся по множеству небольших каналов, образованных этими теплопроводящими пластинами, по схеме противотока. Контакт и смешивание потоков, их загрязнение практически исключены. В конструкции рекуператора движущихся деталей нет. Коэффициент эффективности 50-80%. В рекуператора из металлической фольги из-за разницы температур потоков воздуха на поверхности пластин может конденсироваться влага. В теплое время года ее необходимо отвести в систему канализации здания по специально оборудованному дренажному трубопроводу. В холодное время есть опасность замерзания этой влаги в рекуператоре и его механического повреждения (разморозки). Кроме того, образовавшийся лед сильно снижает эффективность работы рекуператора. Поэтому рекуператоры с металлическими теплопроводящими пластинами требуют при эксплуатации в холодное время года периодической оттайки потоком теплого вытяжного воздуха или использования дополнительного водяного или электрического воздухонагревателя. При этом приточный воздух или совсем не подается, или подается в помещение в обход рекуператора через дополнительный клапан (байпас). Время оттайки составляет в среднем от 5 до 25 минут. Рекуператор с теплопроводящими пластинами из ультратонкого картона и пластика не подвержен обмерзанию, так как через эти материалы идет и влагообмен, но у него другой недостаток – его нельзя использовать для вентиляции помещений с высокой влажностью с целью их осушения. Пластинчатый рекуператор может устанавливаться в приточно-вытяжную систему как в вертикальном, так и в горизонтальном положении в зависимости от требований к размерам венткамеры. Пластинчатые рекуператоры самые распространенные из-за своей относительной простоты конструкции и дешевизны.
Роторный рекуператор.
Этот тип – второй по степени распространения после пластинчатого. Теплота от одного потока воздуха к другому передается через вращающийся между вытяжной и приточной секциями цилиндрический пустотелый барабан, называемый ротором. Внутренний объем ротора заполнен уложенной туда плотно металлической фольгой или проволокой, которая играет роль вращающейся теплопередающей поверхности. Материал фольги или проволоки тот же, что и у пластинчатого рекуператора - медь, алюминий или нержавеющая сталь. Ротор имеет горизонтальную ось вращения приводного вала, вращаемого электродвигателем с шаговым или инверторным регулированием. С помощью двигателя можно управлять процессом рекуперации. Коэффициент эффективности 75-90%. Эффективность рекуператора зависит от температур потоков, их скорости и частоты вращения ротора. Изменяя частоту вращения ротора, можно менять и эффективность работы. Замерзание влаги в роторе исключено, а вот смешивание потоков, их взаимное загрязнение и передачу запахов полностью исключить нельзя, так как потоки непосредственно контактируют друг с другом. Возможно смешивание до 3%. Роторные рекуператоры не требуют больших затрат электроэнергии, позволяют осушать воздух в помещениях с высокой влажностью. Конструкция роторных рекуператоров является более сложной, чем пластинчатых, а их стоимость и затраты на эксплуатацию более высокими. Тем не менее, приточно-вытяжные установки с роторными рекуператорами являются очень популярными благодаря их высокой эффективности.
Рекуператоры с промежуточным теплоносителем.
Теплоноситель чаще всего вода или водные растворы гликолей. Такой рекуператор состоит из двух теплообменников, соединенных между собой трубопроводами с насосом для циркуляции и арматурой. Один из теплообменников помещен в канал с потоком вытяжного воздуха и получает теплоту от него. Теплота через теплоноситель с помощью насоса и труб переносится в другой теплообменник, расположенный в канале приточного воздуха. Приточный воздух воспринимает это тепло и нагревается. Смешивание потоков в этом случае полностью исключено, но из-за наличия промежуточного теплоносителя коэффициент эффективности этого типа рекуператоров относительно низок и составляет 45-55%. На эффективность можно влиять с помощью насоса, воздействуя на скорость движения теплоносителя. Основное преимущество и отличие рекуператора с промежуточным теплоносителем от рекуператора с тепловой трубой в том, что теплообменники в вытяжной и приточной установках можно располагать на расстоянии друг от друга. Положение для монтажа теплообменников, насоса и трубопроводов может быть как вертикальным, так и горизонтальным.
Тепловой насос.
Относительно недавно появилась интересная разновидность рекуператора с промежуточным теплоносителем – т.н. термодинамический рекуператор, в котором роль жидкостных теплообменников, труб и насоса играет холодильная машина, работающая в режиме теплового насоса. Это своеобразная комбинация рекуператора и теплового насоса. Она состоит из двух хладоновых теплообменников – испарителя-воздухоохладителя и конденсатора, трубопроводов, терморегулирующего вентиля, компрессора и 4-х ходового клапана. Теплообменники размещены в приточном и вытяжном воздуховоде, компрессор необходим для обеспечения циркуляции хладона, а клапан переключает потоки хладагента в зависимости от сезона и позволяет переносить теплоту из вытяжного воздуха в приточный и наоборот. При этом приточно-вытяжная система может состоять из нескольких приточных и одной вытяжной установки большей производительности, объединенных одним холодильным контуром. При этом возможности системы позволяют нескольким приточным установкам работать в разных режимах (нагрев/охлаждение) одновременно. Коэффициент преобразования теплового насоса СОР может достигать значений 4,5-6,5.
Рекуператор с тепловыми трубами.
По принципу работы рекуператор с тепловыми трубами похож на рекуператор с промежуточным теплоносителем. Разница лишь в том, что в потоки воздуха помещают не теплообменники, а так называемые тепловые трубы или точнее термосифоны. Конструктивно это герметично закрытые отрезки медной оребренной трубы, заполненные внутри специально подобранным легкокипящим хладоном. Один конец трубы в вытяжном потоке нагревается, хладон в этом месте кипит и передает воспринятое от воздуха тепло на другой конец трубы, обдуваемый потоком приточного воздуха. Здесь хладон внутри трубы конденсируется и передает тепло воздуху, который нагревается. Полностью исключены взаимное смешивание потоков, их загрязнение и передача запахов. Подвижных элементов нет, трубы в потоки помещают только вертикально либо под небольшим уклоном, чтобы хладон двигался внутри труб от холодного конца к горячему за счет силы тяжести. Коэффициент эффективности 50-70%. Важное условие для обеспечения работы его работы: воздуховоды, в которые установлены термосифоны, должны располагаться вертикально друг над другом.
Рекуператор камерного типа.
Внутренний объем (камера) такого рекуператора разделена заслонкой на две половины. Заслонка время от времени движется, меняя тем самым направление движения потоков вытяжного и приточного воздуха. Вытяжной воздух нагревает одну половину камеры, затем заслонка направляет сюда поток приточного воздуха и он нагревается от нагретых стенок камеры. Этот процесс периодически повторяется. Коэффициент эффективности достигает 70-80%. Но в конструкции есть подвижные детали, в связи с чем существует большая вероятность взаимного смешивания, загрязнения потоков и передачи запахов.
Расчет эффективности рекуператора.
В технических характеристиках рекуперативных вентиляционных установок многих фирм-производителей приводят, как правило, два значения коэффициента рекуперации – по температуре воздуха и его энтальпии. Расчет эффективности работы рекуператора может быть произведен по температуре или по энтальпии воздуха. Расчет по температуре учитывает явное теплосодержание воздуха, а по энтальпии – учитывается еще и влагосодержание воздуха (его относительную влажность). Расчет по энтальпии считается более точным. Для расчета необходимы исходные данные. Их получают путем замера температуры и влажности воздуха в трех местах: в помещении (где вентиляционная установка обеспечивает воздухообмен), на улице и в сечении приточной воздухораспределительной решетки (откуда в помещение попадает обработанный наружный воздух). Формула для расчета эффективности рекуперации по температуре следующая:
Kt = (T4 – T1) / (T2 – T1) , где
- Kt – коэффициент эффективности рекуператора по температуре;
- T1 – температура наружного воздуха, oC;
- T2 – температура вытяжного воздуха (т.е. воздуха в помещении), оС;
- T4 – температура приточного воздуха, оС.
Энтальпия воздуха – это теплосодержание воздуха, т.е. количество теплоты, содержащейся в нем, отнесенное к 1 кг сухого воздуха. Энтальпию определяют с помощью i-d диаграммы состояния влажного воздуха, нанеся на нее точки, соответствующие замеренной температуре и влажности в помещении, на улице и приточного воздуха. Формула для расчета эффективности рекуперации по энтальпии следующая:
Kh = (H4 – H1) / (H2 – H1) , где
- Kh – коэффициент эффективности рекуператора по энтальпии;
- H1 – энтальпия наружного воздуха, кДж/кг;
- H2 –энтальпия вытяжного воздуха (т.е. воздуха в помещении), кДж/кг;
- H4 – энтальпия приточного воздуха, кДж/кг.
Экономическая целесообразность применения приточно-вытяжных установок с рекуперацией.
В качестве примера возьмем технико-экономическое обоснование применения вентиляционных установок с рекуперацией в системах приточно-вытяжной вентиляции помещений автосалона.
Исходные данные:
- объект – автосалон общей площадью 2000 м2;
- средняя высота помещений 3-6 м, состоит из двух выставочных залов, офисной зоны и станции технического обслуживания (СТО);
- для приточно-вытяжной вентиляции указанных помещений были выбраны вентиляционные установки канального типа: 1 единица с расходом воздуха 650 м3/час и потребляемой мощностью 0,4 кВт и 5 единиц с расходом воздуха 1500м3/час и потребляемой мощностью 0,83 кВт.
- гарантированный диапазон наружных температур воздуха для канальных установок составляет (-15…+40) оС.
Для сравнения энергопотребления произведем расчет мощности канального электрического воздухонагревателя, которая необходима для подогрева наружного воздуха в холодное время года в приточной установке традиционного типа (состоящей из обратного клапана, канального фильтра, вентилятора и электрического воздухонагревателя) с расходом воздуха 650 и 1500 м3/час соответственно. При этом стоимость электроэнергии принимаем 5 рублей за 1кВт*час.
Наружный воздух необходимо нагреть от -15 до +20оС.
Расчет мощности электрического воздухонагревателя произведен по уравнению теплового баланса:
Qн = G*Cp*T, Вт , где:
- Qн – мощность воздухонагревателя, Вт;
- G - массовый расход воздуха через воздухонагреватель, кг/сек;
- Ср – удельная изобарная теплоемкость воздуха. Ср = 1000кДж/кг*К;
- Т – разность температур воздуха на выходе из воздухонагревателя и входе.
T = 20 – (-15) = 35 оС.
1. 650 / 3600 = 0,181 м3/сек
р = 1, 2 кг/м3 – плотность воздуха.
G = 0, 181*1, 2 = 0,217 кг/сек
Qн = 0, 217*1000*35 = 7600 Вт.
2. 1500 / 3600 = 0, 417 м3/сек
G = 0, 417*1, 2 = 0, 5 кг/ сек
Qн = 0, 5*1000*35 = 17500 Вт.
Таким образом, применение в холодное время года канальных установок с рекуперацией тепла вместо традиционных с использованием электрических воздухонагревателей позволяет уменьшить затраты электроэнергии при одном и том же количестве подаваемого воздуха более чем в 20 раз и тем самым позволяет снизить затраты и соответственно увеличить прибыль автосалона. Кроме этого, применение установок с рекуперацией позволяет уменьшить финансовые затраты потребителя на энергоносители на отопление помещений в холодное время года и на их кондиционирование в теплое время примерно на 50%.
Для большей наглядности произведем сравнительный финансовый анализ энергопотребления систем приточно-вытяжной вентиляции помещений автосалона, укомплектованных установками с рекуперацией тепла канального типа и традиционных установок с электрическими воздухонагревателями.
Исходные данные:
Система 1.
Установки с рекуперацией тепла расходом 650 м3/час– 1ед. и 1500 м3/час – 5ед.
Суммарная электрическая потребляемая мощность составит: 0,4 + 5*0,83 = 4,55 кВт*час.
Система 2.
Традиционные канальные приточно-вытяжные вентиляционные установки -1ед. с расходом 650м3/час и 5ед. с расходом 1500м3/час.
Суммарная электрическая мощность установки на 650 м3/час составит:
- вентиляторы – 2*0,155 = 0,31 кВт*час;
- автоматика и приводы клапанов – 0,1кВт*час;
- электрический воздухонагреватель – 7,6 кВт*час;
Итого: 8,01 кВт*час.
Суммарная электрическая мощность установки на 1500м3/час составит:
- вентиляторы – 2*0,32 = 0,64кВт*час;
- автоматика и приводы клапанов – 0,1 кВт*час;
- электрический воздухонагреватель – 17,5 кВт*час.
Итого: (18,24 кВт*час)*5 = 91,2 кВт*час.
Всего: 91,2 + 8,01 = 99,21кВт*час.
Принимаем период использования подогрева в системах вентиляции 150 рабочих дней в год по 9 часов. Получаем 150*9 =1350 часов.
Энергопотребление установок с рекуперацией составит: 4,55*1350 = 6142,5 кВт
Эксплуатационные затраты составят: 5 руб.*6142,5 кВт = 30712,5 руб. или в относительном (к общей площади автосалона 2000 м2) выражении 30172,5 / 2000 = 15,1 руб./м2.
Энергопотребление традиционных систем составит: 99,21*1350 = 133933,5 кВт Эксплуатационные затраты составят: 5 руб.*133933,5 кВт = 669667,5 руб. или в относительном (к общей площади автосалона 2000 м2) выражении 669667,5 / 2000 = 334,8 руб./м2.
Рекуперация в вентиляции играет важную роль, так как позволяет повысить эффективность системы благодаря особенностям конструкции. Существуют разные исполнения рекуперационных узлов, каждый из которых обладает своими плюсами и минусами. Выбор приточно-вытяжной вентиляционной системы зависит от того, какие задачи решаются, а также от климатических условий местности.
Конструктивные особенности, назначение
Рекуперация в вентиляции является довольно новой технологией. Её действие основано на возможности использовать удаляемое тепло для обогрева помещения. Происходит это благодаря отдельным каналам, поэтому воздушные потоки между собой не смешиваются. Конструкция рекуперативных узлов может быть разной, некоторые типы позволяют избежать образования конденсата во время процесса теплоотдачи. От этого также зависит и уровень производительности системы в целом.
Вентиляция с рекуперацией тепла может выдавать во время работы высокий КПД (коэффициент полезного действия), который зависит от типа рекуперативного узла, скорости движения воздушных потоков через теплообменник и от того, насколько велика разница между температурой снаружи и внутри помещения. Значение КПД в некоторых случаях, когда вентиляционная система спроектирована с учётом всех факторов и обладает высокой производительностью, может достигать 96%. Но даже с учётом наличия погрешностей в работе системы минимальный предел КПД составляет 30%.
Целью рекуперативного узла является максимально эффективное использование ресурсов вентиляции для дальнейшего обеспечения достаточного воздухообмена в помещении, а также экономия электроэнергии. С учётом того, что приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией функционирует большую часть суток, а также, принимая во внимание, что обеспечение достаточной кратности воздухообмена требует немалой мощности оборудования, то применение системы вентиляции со встроенным узлом рекуперации поможет сэкономить до 30% электроэнергии.
Недостатком подобной техники можно назвать довольно малую эффективность при установке на больших площадях. При этом расход электричества будет высок, а производительность системы, направленная на теплообмен между воздушными потоками, может оказаться заметно ниже ожидаемого предела. Это объясняется тем, что на малых площадях намного быстрее происходит воздухообмен, чем на крупных объектах.
Виды рекуперативных узлов
Существует несколько разновидностей применяемого в вентиляционной системе оборудования. Каждый из вариантов обладает достоинствами и недостатками, что необходимо учесть ещё тогда, когда только проектируется принудительная вентиляция с рекуперацией. Различают:
- Пластинчатый механизм рекуператора. Он может быть выполнен на базе металлических или пластиковых пластин. Наряду с довольно высокой производительностью (КПД составляет 75%) такое устройство подвержено обледенению из-за образования конденсата. Плюсом является отсутствие подвижных элементов конструкции, что увеличивает продолжительность срока службы устройства. Также существует пластинчатый тип рекуперативного узла с влагопроницаемыми элементами, что исключает возможность выпадения конденсата. Особенностью пластинчатой конструкции является отсутствие вероятности смешивания двух потоков воздуха.
- Системы вентиляции с рекуперацией тепла могут функционировать на базе роторного механизма. При этом теплообмен между воздушными потоками происходит благодаря работе ротора. Производительность такой конструкции увеличивается до 85%, однако есть вероятность смешивания воздуха, что может привносить обратно в помещение запахи, которые удаляются за его пределы. К преимуществам можно отнести возможность дополнительно осушать воздушную среду, что позволяет задействовать оборудование такого типа в помещениях специального назначения с повышенным уровнем важности, например, в бассейнах.
- Камерный механизм рекуператора представляет собой камеру, которая оснащена подвижной заслонкой, что позволяет запахам и загрязнениям проникать обратно в помещение. Однако данный вид конструкции весьма производителен (КПД достигает 80%).
- Рекуперативный узел с промежуточным теплоносителем. В этом случае теплообмен происходит не напрямую между двумя потоками воздуха, а через специальную жидкость (водно-гликолевый раствор) или простую воду. Однако система на основе такого узла имеет низкую производительность (КПД ниже 50%). Применяется рекуператор с промежуточным теплоносителем практически всегда для организации вентиляции на производстве.
- Рекуперативный узел на базе тепловых трубок. Работает такой механизм с использованием фреона, который имеет свойство остывать, что приводит к образованию конденсата. Производительность такой системы находится на среднем уровне, плюсом же является отсутствие возможности проникновения запахов и загрязнений обратно в помещение. Вентиляция в квартире с рекуперацией будет весьма эффективна из-за того, что приходится обслуживать сравнительно небольшую площадь. Чтобы иметь возможность эксплуатировать такое оборудование без негативных последствий для него, необходимо подобрать модель на базе рекуперативного узла, который исключает вероятность выпадения конденсата. В местах с довольно мягким климатом, где температура воздуха на улице не достигает критических отметок, допускается использование практически любых видов рекуператоров.
Создание энергоэффективного административного здания, которое будет максимально приближено к стандарту «PASSIVE HOUSE», невозможно без современной приточно-вытяжной установки (ПВУ) с рекуперацией тепла.
Под рекуперацией подразумевается процесс утилизации тепла внутреннего вытяжного воздуха с температурой t в, выбрасываемого в холодный период с высокой температурой на улицу, для нагрева приточного наружного воздуха. Процесс утилизации тепла происходит в специальных утилизаторах теплоты: пластинчатые рекуператоры, вращающиеся регенераторы, а также в теплообменных аппаратах, устанавливаемых отдельно в воздушных потоках с различной температурой (в вытяжных и приточных установках) и соединяемые промежуточным теплоносителем (гликолем, этиленгликолем).
Последний вариант наиболее актуален в случае, когда приток и вытяжка разнесены по высоте здания, например, приточная установка – в подвале, а вытяжная – в чердачном помещении, однако эффективность рекуперации таких систем будет значительно меньше (от 30 до 50% в сравнении с ПВУ в одном корпусе
Пластинчатые рекуператоры представляют собой кассету, в которой каналы приточного и вытяжного воздуха разделены между собой листами алюминия. Между приточным и вытяжным воздухом через листы алюминия происходит теплообмен. Внутренний вытяжной воздух через пластины рекуператора нагревает наружный приточный воздух. При этом процесса смешения воздуха не происходит.
В роторных рекуператорах
передача тепла от вытяжного воздуха приточному осуществляется через вращающийся цилиндрический ротор, состоящий из пакета тонких металлических пластин. В процессе работы роторного рекуператора вытяжной воздух нагревает пластины, а затем эти пластины перемещаются в поток холодного наружного воздуха и нагревают его. Однако в узлах разделения потоков из-за их негерметичности происходит переток вытяжного воздуха в приточный. Процент перетока может быть от 5 до 20% в зависимости от качества оборудования.
Для достижения поставленной цели – приблизить здание ФГАУ «НИИ ЦЭПП» к пассивному, в ходе долгих обсуждений и расчетов, было принято решение установить приточно-вытяжные вентиляционные установки с рекуператором Российского производителя энергосберегающих климатических систем – компании TURKOV .
Компания TURKOV
производит ПВУ для следующих регионов:
- Для Центрального региона (оборудование с двухступенчатой рекуперацией серии ZENIT , которое стабильно работает до -25 о С, и отлично подходит для климата Центрального региона России, КПД 65-75%);
- Для Сибири (оборудование с трехступенчатой рекуперацией серии Zenit HECO стабильно работает до -35 о С, и отлично подходит для климата Сибири, однако часто применяется и в центральном регионе, КПД 80-85%);
- Для Крайнего Севера (оборудование с четырехступенчатой рекуперацией серии CrioVent стабильно работает до -45 о С, отлично подходит для экстремально холодного климата и применяется в самых суровых регионах России, КПД до 90%).
Однако в ПВУ TURKOV используется энтальпийный пластинчатый рекуператор
, в котором вместе с переносом неявного тепла из вытяжного воздуха приточному также переносится влага.
Рабочая область энтальпийного рекуператора выполнена из полимерной мембраны, которая пропускает молекулы водяного пара из вытяжного (увлажненного) воздуха и передает приточному (сухому). Смешения вытяжного и приточного потоков в рекуператоре не происходит, так как влага пропускается через мембрану посредством диффузии из-за разницы концентрации пара с двух сторон мембраны.
Размеры ячеек мембраны таковы, что пройти через нее может только водяной пар, для пыли, загрязняющих веществ, капель воды, бактерий, вирусов и запахов мембрана является непреодолимой преградой (в силу соотношения размеров «ячеек» мембраны и остальных веществ).
Энтальпийный рекуператор
по сути - пластинчатый рекуператор, где вместо алюминия используется полимерная мембрана. Так как теплопроводность пластины мембраны меньше, чем у алюминия, то требуемая площадь энтальпийного рекуператора значительно больше площади аналогичного алюминиевого рекуператора. С одной стороны это увеличивает габариты оборудования, с другой позволяет передавать большой объем влаги, и именно благодаря этому получается добиться высокой морозостойкости рекуператора и стабильной работы оборудования при сверхнизких температурах.
В зимнее время (уличная температура ниже -5С), если влажность вытяжного воздуха превышает 30 % (при температуре вытяжного воздуха 22…24 о С), в рекуператоре вместе с процессом передачи влаги в приточный воздух происходит процесс накопления влаги на пластине рекуператора. Поэтому необходимо производить периодическое отключение приточного вентилятора и высушивание гигроскопического слоя рекуператора вытяжным воздухом. Длительность, периодичность и температура, ниже которой, требуется процесс просушки, зависит от ступенчатости рекуператора, температуры и влажности внутри помещения. Наиболее часто используемые настройки просушки рекуператора приведены в таблице 1.
Таблица 1. Наиболее часто используемые настройки просушки рекуператора
| Ступени рекуператора | Температура/Влажность | ||||
|
|
<20% | 20%-30% | 30%-35% | 35%-45% | |
| 2 ступени | не требуется | 3/45 мин | 3/30 мин | 4/30 мин | |
| 3 ступени | не требуется | 3/50 мин | 3/40 мин | 3/30 мин | |
| 4 ступени | не требуется | 3/50 мин | 3/40 мин | ||
Просушка рекуператора требуется только при установке систем увлажнения воздуха, или при работе оборудования с большими, систематичными влагопритоками.
- При стандартных параметрах внутреннего воздуха режим просушки не требуется.
В данной статье в качестве примера административного здания рассмотрено типичное пятиэтажное здание ФГАУ «НИИ ЦЭПП» после намечаемой реконструкции.
Для этого здания был определен расход приточного и вытяжного воздуха в соответствии с нормами воздухообмена в административных помещениях для каждого помещения здания .
Суммарные значения расходов приточного и вытяжного воздуха по этажам здания приведены в таблице 2.
Таблица 2. Расчетные расходы приточного/вытяжного воздуха по этажам здания
| Этаж | Расход приточного воздуха, м 3 /ч | Расход вытяжного воздуха, м 3 /ч | ПВУ TURKOV |
| Подвал | 1987 | 1987 | Zenit 2400 HECO SW |
| 1 этаж | 6517 | 6517 |
Zenit 1600 HECO SW Zenit 2400 HECO SW Zenit 3400 HECO SW |
| 2 этаж | 5010 | 5010 | Zenit 5000 HECO SW |
| 3 этаж | 6208 | 6208 |
Zenit 6000 HECO SW Zenit 350 HECO MW - 2 шт. |
| 4 этаж | 6957 | 6957 |
Zenit 6000 HECO SW
Zenit 350 HECO MW |
| 5 этаж | 4274 | 4274 |
Zenit 6000 HECO SW Zenit 350 HECO MW |
В лабораториях ПВУ работают по специальному алгоритму с компенсацией вытяжки из вытяжных шкафов, т.е при включении какого-либо вытяжного шкафа вытяжка ПВУ автоматически уменьшается на величину вытяжки шкафа. На основе расчетных расходов был произведен выбор приточно-вытяжных установок Turkov. Каждый этаж будет обслуживаться своей ПВУ Zenit HECO SW и Zenit HECO MW с трехступенчатой рекуперацией до 85 %.
Вентиляция первого этажа осуществляется ПВУ, которые установлены в подвале и на втором этаже. Вентиляция остальных этажей (кроме лабораторий на четвертом и третьем этаже) обеспечивается ПВУ, установленными на техническом этаже.
Внешний вид ПВУ установки Zenit Heco SW приведен на рисунке 6. В таблице 3 приведены технические данные для каждой ПВУ установки.
Установка Zenit Heco SW
включает в себя:- Корпус с тепло-шумоизоляцией;
- Приточный вентилятор;
- Вытяжной вентилятор;
- Приточный фильтр;
- Вытяжной фильтр;
- 3-x ступенчатый рекуператор;
- Водяной нагреватель;
- Смесительный узел;
- Автоматика с комплектом датчиков;
- Проводной пульт управления.
Важным плюсом является возможность монтажа оборудования как вертикально, так и горизонтально под потолком, что применяется в рассматриваемом здании. А так же возможность располагать оборудование в холодных зонах (чердаках, гаражах, техпомещениях и т.д.) и на улице, что весьма актуально при реставрациях и реконструкциях зданий.
ПВУ Zenit HECO MW – небольшие ПВУ с рекуперацией тепла и влаги с водяным нагревателем и смесительным узлом в легком и универсальном корпусе из вспененного полипропилена, предназначенные для поддержания климата в небольших помещениях, квартирах, домах.
Компания TURKOV самостоятельно разработала и производит в России автоматику Monocontroller для вентиляционного оборудования. Данная автоматика используется в ПВУ Zenit Heco SW
- Контроллер управляет электронно-коммутируемыми вентиляторами по линии MODBUS, что позволяет следить за работой каждого вентилятора.
- Управляет водяными нагревателями и охладителями, для точного поддержания температуры подаваемого воздуха как в зимний, так и в летний периоды.
- Для контроля CO 2 в конференц-зале и переговорных автоматика оснащается специальными датчиками CO 2 . Оборудование будет следить за концентрацией CO 2 и автоматически изменять расход воздуха подстраиваясь под количество людей в помещении, для поддержания требуемого качества воздуха, тем самым уменьшая теплопотребление оборудования.
- Комплектная система диспетчеризации позволяет максимально просто организовать диспетчерский пункт. А система удаленного мониторинга позволит следить за оборудованием из любой точки мира.
Возможности пульта управления:
- Часы, дата;
- Три скорости вентилятора;
- Отображение состояния фильтра в реальном времени;
- Недельный таймер;
- Установка температуры приточного воздуха;
- Отображение неисправностей на дисплее.
Оценка эффективности
Для оценки эффективности установки в рассматриваемом здании приточно-вытяжных установок Zenit Heco SW с рекуперацией определим расчетные, средние и годовые нагрузки на систему вентиляции, а также расходы в рублях за холодный период, теплый период и за весь год для трех вариантов ПВУ:
- ПВУ с рекуперацией Zenit Heco SW (КПД рекуператора 85 %);
- Прямоточная ПВУ (т.е без рекуператора);
- ПВУ с КПД возврата тепла 50 %.
Нагрузка на систему вентиляции – это нагрузка на воздухонагреватель, который догревает (в холодный период) или охлаждает (в теплый период) приточный воздух после рекуператора. В прямоточной ПВУ в нагревателе нагревается воздух от начальных параметров, соответствующих параметрам наружного воздуха в холодный период, а в теплый период охлаждается. Результаты расчета расчетной нагрузки на систему вентиляции в холодный период по этажам здания приведены в таблице 3. Результаты расчета расчетной нагрузки на систему вентиляции в теплый период для всего здания приведены в таблице 4.
Таблица 3. Расчетная нагрузка на систему вентиляции в холодный период по этажам, кВт
| Этаж | ПВУ Zenit HECO SW/MW | Прямоточная ПВУ | ПВУ с рекуперацией 50% |
| Подвал | 3,5 | 28,9 | 14,0 |
| 1 этаж | 11,5 | 94,8 | 45,8 |
| 2 этаж | 8,8 | 72,9 | 35,2 |
| 3 этаж | 10,9 | 90,4 | 43,6 |
| 4 этаж | 12,2 | 101,3 | 48,9 |
| 5 этаж | 7,5 | 62,2 | 30,0 |
| 54,4 | 450,6 | 217,5 |
Таблица 4. Расчетная нагрузка на систему вентиляции в теплый период по этажам, кВт
| Этаж | ПВУ Zenit HECO SW/MW | Прямоточная ПВУ | ПВУ с рекуперацией 50% |
| 20,2 | 33,1 | 31,1 |
Так как расчетные температуры наружного воздуха в холодный и теплый период – не постоянны во время отопительного периода и периода охлаждения, необходимо определить среднюю вентиляционную нагрузку при средней температуре наружного воздуха:
Результаты расчета годовой нагрузки на систему вентиляции в теплый период и холодный период для всего здания приведены в таблицах 5 и 6.
Таблица 5. Годовая нагрузка на систему вентиляции в холодный период по этажам, кВт
| Этаж | ПВУ Zenit HECO SW/MW | Прямоточная ПВУ | ПВУ с рекуперацией 50% |
| 66105 | 655733 | 264421 | |
| 66,1 | 655,7 | 264,4 |
Таблица 6. Годовая нагрузка на систему вентиляции в теплый период по этажам, кВт
| Этаж | ПВУ Zenit HECO SW/MW | Прямоточная ПВУ | ПВУ с рекуперацией 50% |
| 12362 | 20287 | 19019 | |
| 12,4 | 20,3 | 19,0 |
Определим расходы в рублях за год на догрев, охлаждение и работу вентиляторов.
Расход в рублях на догрев получается перемножением годовых значений вентиляционных нагрузок (в Гкал) в холодный период на стоимость 1 Гкал/час тепловой энергии от сети и на время работы ПВУ в режиме нагрева. Стоимость 1 Гкал/ч тепловой энергии от сети принимаем равной 2169 рублей.
Расходы в рублях на работу вентиляторов получены перемножением их мощности, времени работы и стоимости 1 кВт электричества. Стоимость 1 кВт∙ч электричества принимаем равной 5,57 руб.
Результаты расчетов расходов в рублях на работу ПВУ в холодный период приведены в таблице 7, а в тёплый период в таблице 8. В таблице 9 приведено сравнение всех вариантов ПВУ по всему зданию ФГАУ "НИИ ЦЭПП".
Таблица 7. Расходы в рублях за год на работу ПВУ в холодный период
| Этаж | ПВУ Zenit HECO SW/MW | Прямоточная ПВУ | ПВУ с рекуперацией 50% | |||
| На догрев | На вентиляторы | На догрев | На вентиляторы | На догрев | На вентиляторы | |
| Суммарные затраты | 368 206 | 337 568 | 3 652 433 | 337 568 | 1 472 827 | 337 568 |
Таблица 8. Расходы в рублях за год на работу ПВУ в теплый период
| Этаж | ПВУ Zenit HECO SW/MW | Прямоточная ПВУ | ПВУ с рекуперацией 50% | |||
| На охлаждение | На вентиляторы | На охлаждение | На вентиляторы | На охлаждение | На вентиляторы | |
| Суммарные затраты | 68 858 | 141 968 | 112 998 | 141 968 | 105 936 | 141 968 |
Таблица 9. Сравнение всех ПВУ
| Величина | ПВУ Zenit HECO SW/MW | Прямоточная ПВУ | ПВУ с рекуперацией 50% |
| , кВт | 54,4 | 450,6 | 217,5 |
| 20,2 | 33,1 | 31,1 | |
| 25,7 | 255,3 | 103,0 | |
| 11,4 | 18,8 | 17,6 | |
| 66 105 | 655 733 | 264 421 | |
| 12 362 | 20 287 | 19 019 | |
| 78 468 | 676 020 | 283 440 | |
| Затраты на догрев, руб | 122 539 | 1 223 178 | 493 240 |
| Затраты на охлаждение, руб | 68 858 | 112 998 | 105 936 |
| Затраты на вентиляторы зимой, руб | 337 568 | ||
| Затраты на вентиляторы летом, руб | 141 968 | ||
| Суммарные годовые затраты, руб | 670 933 | 1 815 712 | 1 078 712 |
Анализ таблицы 9 позволяет сделать однозначный вывод – приточно-вытяжные установки Zenit HECO SW и Zenit HECO MW с рекуперацией тепла и влаги фирмы Turkov очень энергоэффективные.
Суммарная годовая вентиляционная нагрузка ПВУ TURKOV меньше нагрузки в ПВУ с КПД 50% на 72%, а в сравнении с прямоточной ПВУ на 88%. ПВУ Turkov позволит сэкономить 1 млн 145 тыс.руб – в сравнении с прямоточной ПВУ или 408 тыс.руб – в сравнении с ПВУ, КПД которой 50%.
Где ещё экономия…
Основной причиной отказов применения систем с рекуперацией являются относительно высокие начальные капиталовложения, однако при более полном взгляде на затраты на застройку, такие системы не только быстро окупаются, но и позволяют уменьшить общие капиталовложения при застройке.В качестве примера возьмем наиболее массовую «типовую» застройку с применением жилых, офисных зданий и магазинов.
Среднее значение теплопотерь готовых зданий: 50 Вт/м 2 .
- Включено: Теплопотери через стены, окна, кровлю, фундамент, и т.д.
Включено:
- Вентиляцию квартир с расчетом по назначению помещений и кратности.
- Вентиляцию офисов с расчетом по количеству людей и компенсации CO2.
- Вентиляцию магазинов, коридоров, складских помещений и т.д.
- Соотношение площадей выбрано на основе нескольких существующих комплексов
Включено:
- Компенсация санузлов, ванных комнат, кухонь и т.д. Так как из данных помещений нельзя организовать втяжку в систему рекуперации, то в данный помещения организован приток, а вытяжка идет отдельными вентиляторами мимо рекуператора.
Разница между количеством приточного воздуха и количеством воздуха на компенсацию.
Именно данный объем вытяжного воздуха передает тепло приточному воздуху.
Итак, необходимо произвести застройку района стандартными зданиями с общей площадью 40000 м 2 с указанными характеристиками теплопотерь. Посмотрим на чем позволит сэкономить применение систем вентиляции с рекуперацией.
Эксплуатационные расходы
Основной целью выбора систем с рекуперацией, является снижение стоимости эксплуатации оборудования, за счет значительного сокращения требуемой тепловой мощности для нагрева приточного воздуха.
С применением приточных и вытяжных вентиляционных установок без рекуперации мы получим теплопотребление системы вентиляции одного здания 2410 кВт∙ч.
- Примем стоимость эксплуатации такой системы за 100%. Экономии при этом вообще нет – 0%.
С применением наборных приточно-вытяжных вентиляционных установок с рекуперацией тепла и средним КПД 50% мы получим теплопотребление системы вентиляции одного здания 1457 кВт∙ч.
- Стоимость эксплуатации 60%. Экономия c наборным оборудованием 40%
С применением моноблочных высокоэффективных приточно-вытяжных вентиляционных установок TURKOV с рекуперацией тепла и влаги и средним КПД 85% мы получим теплопотребление системы вентиляции одного здания 790 кВт∙ч.
- Стоимость эксплуатации 33%. Экономия с оборудованием TURKOV 67%
Как видно, системы вентиляции с высокоэффективным оборудованием имеют меньшее теплопотребление, что позволяет говорить об окупаемости оборудования в срок 3-7 лет при применении водяных нагревателей и 1-2 года с применением электрических нагревателей.
Расходы при застройке
Если производить застройку в городе, то необходимо выделение значительного количества тепловой энергии из существующей теплосети, что всегда требует значительных финансовых затрат. Чем больше тепла требуется – тем дороже будет стоимость подведения.
Застройка «в поле» зачастую не предполагает подведение тепла, обычно подводится газ и производится постройка собственной котельной или ТЭЦ. Стоимость данного сооружения соразмерена требуемой тепловой мощности: чем больше - тем дороже.
В качестве примера предположим, что построена котельная мощностью 50 МВт тепловой энергии.
Помимо вентиляции затраты на отопление типового здания площадью 40000 м 2 и теплопотерями 50 Вт/м 2 будут составлять около 2000 кВт∙ч.
С применением приточных и вытяжных вентиляционных установок без рекуперации получится построить 11 зданий.
С применением наборных приточно-вытяжных вентиляционных установок с рекуперацией тепла и средним КПД 50% удастся построить 14 зданий.
С применением моноблочных высокоэффективных приточно-вытяжных вентиляционных установок TURKOV с рекуперацией тепла и влаги и средним КПД 85% удастся построить 18 зданий.
Итоговая смета подведения большего количества тепловой энергии или постройка котельной большой мощности обходится существенно дороже, чем стоимость более энергоэффективного вентиляционного оборудования. С применением дополнительных средств снижения теплопотерь здания можно увеличить застройку без увеличения требуемой тепловой мощности. Например уменьшив теплопотери всего на 20%, до 40 Вт/м 2, построить получится уже 21 здание.
Особенности работы оборудования в северных широтах
Как правило оборудование с рекуперацией имеет ограничения по минимальной температуре уличного воздуха. Связанно это с возможностями рекуператора и ограничение составляет -25…-30 o С. Если температура будет понижаться – конденсат из вытяжного воздуха будет замерзать на рекуператоре, поэтому при сверхнизких температурах используется электрический преднагреватель или водяной преднагреватель с незамерзающей жидкостью. Например, в Якутии расчетная температура уличного воздуха -48 o С. Тогда классические системы с рекуперацией работают следующим образом:
- o С нагревается предварительным нагревателем до -25 o С (Затрачивается тепловая энергия).
- С -25 o С воздух нагревается в рекуператоре до -2,5 o С (при КПД 50%).
- С -2.5 o С воздух нагревается основным нагревателем до требуемой температуры (Затрачивается тепловая энергия).
При применении же специальной серии оборудования для крайнего севера с 4-х ступенчатой рекуперацией TURKOV CrioVent преднагрев не потребуется, так как 4 ступени, большая площадь рекуперации и возврат влаги позволяют не допускать обмерзания рекуператора. Оборудование работает седеющим образом:
- Уличный воздух с температурой -48 o С нагревается в рекуператоре до 11,5 o С (КПД 85%).
- С 11,5 o С воздух нагревается основным нагревателем до требуемой температуры. (Затрачивается тепловая энергия).
Отсутствие преднагрева и высокий КПД оборудования позволят значительно сократить теплопотребление и упростить конструктив оборудования.
Применение высокоэффективных систем рекуперации в северных широтах наиболее актуально, так как из-за низких температур уличного воздуха применение классических систем рекуперации затруднительно, а оборудование без рекуперации требует слишком большого количество тепловой энергии. Оборудование Turkov успешно работает в городах с самыми сложными климатическими условиями, в таких как: Улан-Уде, Иркутск, Енисейск, Якутск, Анадырь, Мурманск, а также во многих других городах с более мягким, в сравнении с этими городами, климатом.
Заключение
- Применение систем вентиляции с рекуперацией позволяет не только снизить эксплуатационные расходы, но в случае масштабной реконструкции или капитальной застройки случаев уменьшить начальные капиталовложения.
- Максимальной экономии можно добиться в средних и северных широтах, где оборудование работает в тяжелых условиях с продолжительными отрицательными температурами уличного воздуха.
- На примере здания ФГАУ «НИИ ЦЭПП» система вентиляции с высокоэффективным рекуператором позволит сэкономить 3 млн 33 тыс.руб в год – в сравнении с прямоточной ПВУ и 1 млн 40 тыс.руб в год – в сравнении с наборной ПВУ, КПД которой 50%.
Вентиляция с рекуперацией – это оборудование, предназначенное для обработки воздуха до таких параметров, при которых человек мог бы себя чувствовать комфортно и безопасно. Такие параметры регламентированы нормами и лежат в пределах: температура 23÷26 С, влажность 30÷60%, скорость движение воздуха 0,1÷0,15 м/с.
Существует еще один показатель, который напрямую связан с безопасностью нахождения человека в закрытых помещениях – это наличие кислорода или точнее сказать процентное содержание углекислого газа в воздухе. Углекислый газ вытесняет кислород и при содержании от 2 до 3% углекислого газа в воздухе может привести человека к потере сознания или летальному исходу.
Именно для поддержания этих четырех параметров и служат вентиляционные установки с рекуперацией. Особенно актуально это для современных бизнес центров, где полностью отсутствует естественный приток свежего воздуха. Промышленные, административные, торговые, жилые, и другие помещения не могут обойтись без современного вентиляционного оборудования. При сегодняшней загрязненности воздуха вопрос установки вентиляционных установок с рекуперацией наиболее актуален.
Возможна установка в вентиляции с рекуперацией дополнительных фильтров и других приспособлений, которые позволяют еще лучше очистить и обработать воздух до заданных параметров.
Все это можно сделать при помощи вентиляционных установок Dantex.
Принцип действия приточно-вытяжной системы вентиляции с рекуперацией тепла
Благодаря приточно-вытяжной системы вентиляции в помещение нагнетается чистый воздух, а отработанный прогретый воздух выводится наружу. Проходя через теплообменник, прогретый воздух оставляет часть тепла стенкам конструкции, вследствие чего холодный воздух, поступающий с улицы, прогревается от теплообменника, не затрачивая дополнительной энергии на прогрев. Эта система наиболее эффективна и менее энергозатратна, чем система вентиляции без рекуперации тепла.
Эффективность рекуператора меняется от температуры наружного воздуха, ее можно рассчитать по общей формуле:
S = (T1 – T2) : (T3 – T2)
где:
S
– эффективность рекуперации;
T1
– температура воздуха поступающего в помещение;
T2
– температура воздуха на улице;
T3
– температура воздуха в помещении.
Виды рекуператоров
Пластинчатые рекуператоры
Данный вид теплообменника состоит из набора тонких пластин из алюминия или любого другого материала желательно с хорошими теплопередающими характеристиками). Это самый недорогой и наиболее популярный тип прибора (рекуператора). КПД пластинчатого рекуператора может составлять от 50% до 90%, а срок службы, благодаря отсутствию движущихся частей, очень долгий.
Главный минус таких рекуператоров – образование наледи из-за разницы температур. Предлагается три варианта решения данной проблемы:
- Не использовать рекуперацию при экстремально низких температурах
- Использовать модели автоматизированным процессом рекуперации. В данном случае холодный воздух обходит пластины, а теплый – отогревает наледь. Но стоит учесть, что КПД у таких моделей в холода снизится на 20%.
Роторные рекуператоры
В теплообменнике предусмотрена подвижная деталь – цилиндрический ротор (рекуператор) , которая состоит из профилированных пластин. Передача тепла происходит при вращении ротора. КПД составляет от 75 до 90%. В данном случае скорость вращения влияет на уровень рекуперации. Скорость можно регулировать самостоятельно.
Наледь на роторных рекуператорах не образуется, но в обслуживании они является более сложными, в отличие от пластинчатых рекуператоров.
С промежуточном теплоносителем
В случае с промежуточным теплоносителем, как и в пластинчатых рекуператорах, предусмотрено два канала для чистого и отработанного воздуха, но теплообмен происходит через водно-гликолевый раствор или воду. КПД такого устройства ниже 50%.
Камерные рекуператоры
В данном виде воздух проходит через специальную камеру (рекуператор), в которой предусмотрена подвижная заслонка. Именно заслонка имеет возможность перенаправлять потоки холодного и горячего воздуха. За счет такого периодического переключения потоков воздуха происходит рекуперация. Однако в такой системе происходит частичное смешение выходящих и входящих воздушных потоков, что приводит к попаданию посторонних запахов обратно в помещение но, в свою очередь, такая конструкция обладает высоким КПД – 80%.
Тепловые трубки
Такой механизм имеет множество трубок, которые собраны в единый герметичный блок, а внутри трубки заполнены специальным легкоконденсирующимся и испаряющемся веществом, чаще всего это фреон. Теплый воздух, проходя через определенную часть трубок, нагревает и испаряет его. Он перемещается в область трубок, через которую проходит холодный воздух и своим теплом нагревает его, а фреон при этом охлаждается и это может привести к образованию конденсата. Плюс такой конструкции в том, что в помещение не попадает загрязненный воздух. Оптимальное применение тепловых трубок возможно в небольших помещениях в климатических зонах с небольшой разницей межу внутренними и внешними температурами.
Иногда рекуперации не достаточно, чтобы обогреть помещение при низких наружных температурах, поэтому зачастую в дополнение к рекуперации используются электрические или водяные нагреватели. В некоторых моделях обогреватели выполняют функцию защиты теплообменника от обледенения.