Утилизаторы теплоты вытяжного воздуха как перспективное энергосберегающее мероприятие
В настоящее время показатели теплозащиты многоэтажных жилых зданий достигли достаточно высоких значений, поэтому поиск резервов экономии тепловой энергии находится в области повышения энергоэффективности инженерных систем. Одно из ключевых энергосберегающих мероприятий с довольно высоким потенциалом экономии тепловой энергии – использование утилизаторов 1 теплоты вытяжного воздуха в системах вентиляции.
Приточно-вытяжные вентустановки с утилизацией теплоты вытяжного воздуха по сравнению с традиционными приточными системами вентиляции обладают рядом достоинств, к числу которых следует отнести существенную экономию тепловой энергии, расходуемой на нагрев вентиляционного воздуха (от 50 до 90 % в зависимости от типа применяемого утилизатора). Также нужно отметить высокий уровень воздушно-тепловой комфортности, обусловленный аэродинамической устойчивостью вентиляционной системы и сбалансированностью расходов приточного и удаляемого воздуха.
Типы утилизаторовв
Наиболее широко применяются:
1. Регенеративные утилизаторы теплоты. В регенераторах теплота вытяжного воздуха передается приточному воздуху через насадку, которая попеременно нагревается и охлаждается. Несмотря на высокую энергоэффективность, регенеративные утилизаторы теплоты обладают существенным недостатком – вероятностью смешивания определенной части удаляемого воздуха с приточным в корпусе аппарата. Это, в свою очередь, может привести к переносу неприятных запахов и болезнетворных бактерий. Поэтому их обычно применяют в пределах одной квартиры, коттеджа или одного помещения в общественных зданиях.
2. Рекуперативные утилизаторы теплоты. Данные утилизаторы, как правило, включают в свой состав два вентилятора (приточный и вытяжной), фильтры и пластинчатый теплообменник противоточного, перекрестного и полуперекрестного типов.
При поквартирной установке рекуперативных утилизаторов теплоты появляется возможность:
3.Утилизаторы теплоты с промежуточным теплоносителем. По своим конструктивным особенностям эти утилизаторы малопригодны для индивидуальной (поквартирной) вентиляции, и поэтому на практике их используют для центральных систем.
4. Утилизаторы теплоты с теплообменником на тепловых трубах. Использование тепловых труб позволяет создавать компактные энергоэффективные теплообменные устройства. Однако в связи со сложностью конструкции и высокой стоимостью они не нашли применения в системах вентиляции для жилых зданий.
В базовых показателях распределение расходов тепловой энергии в типовой многоэтажной застройке осуществляется почти поровну между трансмиссионными теплопотерями (50–55 %) и вентиляцией (45–50 %).
Примерное распределение годового теплового баланса на отопление и вентиляцию:
Повысить энергоэффективность многоквартирных домов позволяет введение в практику массового строительства:
При сходных массогабаритных показателях наилучший результат в жилых зданиях показывают регенеративные утилизаторы теплоты (80–95 %), далее следуют рекуперативные (до 65 %) и на последнем месте находятся утилизаторы теплоты с промежуточным теплоносителем (45–55 %).
Следует упомянуть утилизаторы теплоты, которые, помимо передачи тепловой энергии, переносят влагу от вытяжного к приточному воздуху. В зависимости от конструкции теплопередающей поверхности они подразделяются на энтальпийный и сорбционный типы и позволяют утилизировать 15–45 % влаги, удаляемой с вытяжным воздухом.
Один из первых проектов внедрения
В 2000 году для жилого дома по Красностуденческому пр., д. 6, была запроектирована одна из первых систем поквартирной механической приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха для подогрева приточного в перекрестноточном воздухо-воздушном пластинчатом теплообменнике.
Компактная малошумная квартирная приточно-вытяжная установка расположена в каждой квартире в пространстве подшивного потолка гостевого санузла, расположенного рядом с кухней. Максимальная производительность по приточному воздуху составляет 430 м 3 /ч. Для уменьшения энергопотребления забор наружного воздуха в большинстве квартир осуществляется не с улицы, а из пространства застекленной лоджии. В остальных квартирах, где нет технической возможности забора воздуха с лоджий, воздухозаборные решетки расположены непосредственно на фасаде.
Наружный воздух очищается, при необходимости предварительно подогревается, чтобы предупредить обмерзание теплообменника, затем нагревается или охлаждается в теплообменнике за счет удаляемого воздуха, далее, при необходимости, окончательно догревается до требуемой температуры электрокалорифером, после чего раздается по помещениям квартиры. Первый нагреватель номинальной мощностью 0,6 кВт предназначен для защиты вытяжного тракта от замораживания конденсата. Конденсат посредством специальной дренажной трубки через гидрозатвор отводится в канализацию. Второй нагреватель мощностью 1,5 кВт предназначен для догрева приточного воздуха до заданного комфортного значения. Для простоты монтажа он также выполнен электрическим.
Энергетическое обследование 2008–2009 годов систем теплопотребления жилого дома по Красностуденческому пр., оборудованного системой поквартирной механической приточно-вытяжной вентиляцией с утилизацией теплоты вытяжного воздуха, показало экономию теплоты на отопление и вентиляцию в размере 43 % по сравнению с аналогичными домами того же года постройки
Следует отметить, что, по расчетам проектировщиков, необходимость в догреве воздуха после теплообменника могла возникнуть только при очень низких температурах наружного воздуха. Тем не менее, учитывая, что через утилизатор приточно-вытяжного агрегата проходит в два раза больше приточного воздуха, чем вытяжного, электрокалорифер на притоке был установлен. Практика эксплуатации подтвердила эти предположения: дополнительный догрев практически никогда не используется, теплоты вытяжного воздуха вполне хватает для нагрева приточного до температуры, не вызывающей у жильцов дискомфорта.
Теплоутилизатор оборудован системой автоматики с контроллером и пультом управления. Система автоматики предусматривает включение первого нагревателя при достижении температуры стенки теплообменника ниже 1 °С, второй нагреватель может включаться и отключаться, обеспечивая постоянство заданной температуры приточного воздуха.
Предусмотрено три фиксированных скорости вращения приточного вентилятора. На первой скорости объем приточного воздуха составляет 120 м 3 /ч, эта величина удовлетворяет требованиям для одно- и двухкомнатной квартиры, а также трехкомнатной квартиры при небольшом числе жителей. На второй скорости объем приточного воздуха составляет 180 м 3 /ч, на третьей – 240 м 3 /ч. Второй и третьей скоростью жители пользуются очень редко.
Были проведены акустические замеры на всех скоростях вращения вентилятора, которые показали, что на первой скорости уровень шума не превышает 30–35 дБ (А), причем эта величина справедлива для необставленной квартиры. В квартире с мебелью и предметами интерьера уровень шума будет еще ниже. На второй и третей скорости уровень шума выше, но при закрытой двери гостевого санузла не вызывает дискомфорта у жильцов.
Вытяжной воздух забирается из санузлов, затем, после фильтрации, пропускается через теплообменник и выбрасывается через центральный сборный вытяжной воздуховод. Сборные вытяжные воздуховоды – металлические, выполнены из оцинкованной стали и проложены в выгороженных противопожарных шахтах. На верхнем техническом этаже сборные воздуховоды одной секции объединяются и выводятся за пределы здания.
На момент реализации проекта нормативами запрещалось объединять для утилизации вытяжки санузлов и кухонь, поэтому вытяжки кухонь обособлены. Утилизируется теплота примерно половины объема воздуха, удаляемого из квартиры. В настоящее время этот запрет отменен, что позволяет еще больше повысить энергоэффективность системы.
В отопительный сезон 2008–2009 годов в здании было проведено энергетическое обследование систем теплопотребления, показавшее экономию теплоты на отопление и вентиляцию в размере 43 % по сравнению с аналогичными домами того же года постройки.
Проект в Северном Измайлово
Еще один подобный проект реализован в 2011 году в Северном Измайлово. В 153 квартирном здании предусмотрена поквартирная вентиляция с механическим побуждением и утилизацией теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного. Приточно-вытяжные агрегаты установлены автономно в коридорах квартир и оснащены фильтрами, пластинчатым теплообменником и вентиляторами. В состав комплектации установки входят средства автоматизации и пульт управления, позволяющий регулировать воздухопроизводительность установки.
Проходя через вентиляционную установку с пластинчатым утилизатором, вытяжной воздух нагревает приточный до 4°С (при температуре наружного воздуха –28°С). Компенсация дефицита теплоты на нагрев приточного воздуха осуществляется нагревательными приборами отопления.
Наружный воздух забирается с лоджии квартиры, а вытяжной воздух из ванн, санузлов и кухонь (в пределах одной квартиры) после утилизатора выводится в выбросной канал через спутник и удаляется в пределах технического этажа. При необходимости отвод конденсата от утилизатора теплоты предусматривается в канализационный стояк, оборудованный капельной воронкой с запахозапирающим устройством. Стояк расположен в помещении санузлов.
Регулирование расхода приточного и вытяжного воздуха осуществляется посредством одного пульта управления. Агрегат может быть переключен с обычного режима работы с утилизацией теплоты на летний режим без утилизации. Вентиляция технического этажа происходит через дефлекторы.
Объем приточного воздуха принят для возмещения вытяжки из помещений санузла, ванны, кухни. В квартире нет вытяжного канала для подключения кухонного оборудования (вытяжной зонт от плиты работает на рециркуляцию). Приток разведен через звукопоглощающие воздуховоды по жилым комнатам. Предусмотрена зашивка вентиляционной установки в поквартирных коридорах строительной конструкцией с лючками для обслуживания и вытяжного воздуховода от вентиляционной установки до вытяжной шахты. На складе службы эксплуатации находятся четыре резервных вентилятора.
Испытания установки с утилизатором теплоты показали, что ее эффективность может достигать 67%.
Использование систем механической вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха в мировой практике широко распространено. Энергетическая эффективность утилизаторов теплоты составляет до 65% для пластинчатых теплообменников и до 85% для роторных. При использовании этих систем в условиях Москвы снижение годового теплопотребления к базовому уровню может составить 38–50 кВт•ч/м 2 в год. Это позволяет снизить общий удельный показатель теплопотребления до 50–60 кВт•ч/м 2 в год без изменения базового уровня теплозащиты ограждений и обеспечить 40 процентное снижение энергоемкости систем отопления и вентиляции, предусмотренное с 2020 года.
Литература
1 Изначально эта технология получила распространение в Северной Европе и Скандинавии. Сегодня и у российских проектировщиков имеется значительный опыт применения данных систем в многоэтажных жилых зданиях.
Сферы использования и устройство пластинчатого рекуператора воздуха: особенности выбора и обзор лучших моделей
Владельцы квартир и хозяйствующие субъекты видят своей задачей минимизацию теплопотерь, что делает систему отопления более энергоэффективной. Для этой цели разработаны специальные приборы — рекуператоры. Они бывают пластинчатыми и роторными. Первые наиболее часто используются для установки в частных домах, административных и общественных зданиях.
Что из себя представляет пластинчатый рекуператор воздуха?
Рекуператор — прибор, функция которого заключается в заборе тепла у воздуха, выходящего из помещения, и передаче его (тепла) входящему потоку с улицы.
Как работает: принцип действия и устройство
Пластинчатый рекуператор представляет собой блок (кассету) внутри которого расположены несколько параллельно установленных пластин. Пространство между ними — каналы для движения воздуха. Потоки разделены и не смешиваются между собой.
Конструкция несложная и эффективная. Но обладает одним недостатком: обмерзание пластин в холодный период года. До недавнего времени борьба с этой неприятностью сводилась к прогреву оборудования.
Сегодня производители предлагают усовершенствованные модели пластинчатых рекуператоров, в которых для забора влаги из воздуха используется гигроскопичный материал: целлюлоза. В этом случае риск обмерзания значительно снижается.
Материал, из которого выполнен теплообменник
Теплообменник пластинчатого рекуператора — система металлических или пластиковых пластин с зазорами между ними. Для изготовления перегородок используются:
Чаще всего металлические пластины изготавливают из стали марки 316 (усовершенствованная 304), в состав которой входят молибден и никель.
Как выглядит: фото
Когда и для чего нужен: сфера применения
Рекуператор воздуха пластинчатого типа является основной или составной частью приточно-вытяжной системы вентиляции и может встраиваться в любое место воздуховодов.
Зимой пластинчатый рекуператор работает на подогрев воздуха, летом — на охлаждение. Это оборудование преимущественно устанавливается в жилых помещениях.
Отзывы о пластинчатых рекуператорах воздуха: плюсы и минусы
Пластинчатые рекуператоры имеют свои достоинства и недостатки. В числе преимуществ:
Производители и популярные модели: рейтинг лучших и цены
Производители вентиляционных систем и климатической техники предлагают достаточно широкий модельный ряд пластинчатых рекуператоров и приточно-вытяжных установок, в конструкцию которых они входят.
Electrolux EPVS-450
Приточно-вытяжная установка Electrolux EPVS-450 — компактное устройство, в комплектацию которого входят вентиляторы, обеспечивающие поступление воздуха с улицы в помещение и в обратном направлении. Конструкция мембранного типа, отличительной особенностью которой является эффективное извлечение из воздуха влаги.
Крыльчатки вентиляторов оснащены загнутыми лопатками, приводятся в действие двигателями асинхронного типа. В конструкцию прибора включены термоконтакты, обеспечивающие автоматический перезапуск оборудования при достижении порогового значения температуры. Рекуператор имеет две скорости вращения вентиляторов, защиту от обмерзания пластин. Рекомендован монтаж в воздуховоды круглого сечения.
Производитель дает на свою продукцию 1-годичную гарантию. Средняя цена 44100 руб.
Рекуператор Marley MEnV-180 Plus
Малогабаритная установка от немецкого производителя отличается массой преимуществ:
Корпус рекуператора можно регулировать в зависимости от толщины стены, в которую устанавливают устройство. Кожух аппарата утеплен, на передней декоративной панели расположена кнопка включения и выключения питания. При монтаже двух устройств возможен режим синхронизации проветривания: один рекуператор работает на приток воздуха в помещение, второй — на отток.
В конструкцию рекуператора включены:
Средняя цена 29300 руб.
Вытяжная установка Shuft RHPr 400×200
Пластинчатый рекуператор Shuft RHPr 400×200 предназначен для установки в жилых, общественных и производственных помещениях. Корпус аппарата изготовлен из оцинкованной стали толщиной 0,7 мм. Кассета теплообменника состоит из алюминиевых пластин толщиной 0,2 мм. Извлеченная из воздуха влага накапливается в съемном поддоне.
Специфика применения рекуператора в том, что его нельзя устанавливать в системах транспортировки воздуха, в составе которого присутствуют агрессивные газы, клейкая пыль (в том числе мучная), металлические и другие тяжелые частицы. Допустима исключительно горизонтальная установка рекуператора.
Средняя цена 24822 руб.
Пластинчатый рекуператор VENTS ВУТ 300 В мини
Приточно-вытяжная установка «Вентс ВУТ 300 В мини» предназначена для вертикального монтажа. Алюмоцинковый корпус аппарата утеплен минеральной ватой (толщина слоя 20 мм). Очистка воздуха осуществляется фильтрами класса G4. Пластины рекуператора изготовлены из алюминия, предусмотрены вкладыши для удаления влаги. Реализована электронная защита от обмерзания.
Средняя цена 44800 руб.
Korf PR 80-50
Пластинчатый рекуператор от производителя «РеалВент» состоит из алюминиевых пластин толщиной 0,2 мм, спрофилированных таким образом, чтобы движение потоков воздуха было перекрестным. Корпус аппарата изготовлен из листовой оцинкованной стали, оснащен присоединительными фланцами. В стандартную комплектацию входит штуцер, необходимый для слива конденсата из съемного поддона.
Оборудование предназначено для установки в жилых и общественных зданиях. При эксплуатации при низких температурах воздуха рекомендован монтаж предварительного нагревателя, обеспечивающего защиту от обмерзания. Ее автоматизацию осуществляют посредством установки датчика дифференциального давления. Для очистки воздуха производитель рекомендует дополнительно приобрести комплект из двух фильтров: на приток и отток.
Средняя цена 74683 руб.
Какого производителя и какой тип лучше выбрать: ТОП-3
Выбор вентиляционного оборудования требует ответственного подхода. Важно купить рекуператор, максимально надежный и удобный в эксплуатации. Такое оборудование выпускают производители вентиляционных установок и систем. В числе ведущих брендов «РеалВент», Electrolux, Marley.
Что учитывать при выборе
Рекуператор выбирают, обращая внимание на следующие параметры:
3 лучших модели
Лучшие модели для установки в жилые помещения:
Стоимость
Цена пластинчатого рекуператора зависит от нескольких параметров;
Средняя цена лучших моделей:
Где купить пластинчатый рекуператор воздуха?
В Москве
В Санкт-Петербурге
Пластинчатый рекуператор поможет сократить потери тепла. Благодаря широкому выбору приточно-вытяжных установок можно выбрать наиболее подходящую для конкретной системы вентиляции.
Приточно-вытяжные вентиляционные установки с пластинчатыми рекуператорами тепла. Технический обзор рынка
Факторы формирования спроса на приточно-вытяжные системы вентиляции с рекуперацией тепла
Приточно-вытяжные установки с рекуперацией тепла становятся все более популярным решением для организации вентиляции в квартирах и частных домах (рис. 1), несмотря на высокую стоимость оборудования и ряд технических сложностей, возникающих при проектировании, монтаже и эксплуатации систем. Такие установки позволяют экономить до энергии, затрачиваемой на подогрев приточного воздуха. Возможность снижения эксплуатационных расходов — серьезный, но не единственный аргумент в пользу выбора более дорогого вентиляционного оборудования. Дело в том, что использование вентиляции с рекуперацией тепла дает возможность существенно снизить электрическую и тепловую мощность, необходимую для подключения установки.
Для подогрева уличного воздуха с температурой —25оС в объеме 200 кубометров в час до +22оС в обыкновенной приточной вентиляционной установке потребуется нагреватель мощностью 3,3 киловатта. Дополнительный подогреватель придется установить и в установке с высокоэффективным рекуператором (рис. 4), так как одного только тепла рекуперации не хватит, однако мощность этого подогревателя будет всего 1 киловатт. Если речь идет о квартире, выделить 1 киловатт электрической мощности для нагревателя, скорее всего, не составит труда, в то время как подключить 3,3 киловатта может быть затруднительно.
Еще актуальнее вопрос мощности стоит при организации вентиляции частных домов с отсутствующим газоснабжением. С одной стороны, современные технологии строительства и новые материалы позволяют строить дома с удельными расчетными теплопотерями в холодном климате на уровне ватт на квадратный метр (без учета подогрева вентиляционного воздуха). Таким образом, для полноценного обогрева частного дома площадью квадратных метров может оказаться достаточно от 3,5 до 7 киловатт тепла. С другой стороны, стоимость подключения газоснабжения в Московской области может достигать 600 тысяч рублей и более. В результате значительное количество собственников небольших частных домов принимает решение отложить подключение газа и использовать для обогрева электричество. Подключить к частному дому до 15 киловатт электрической мощности в большинстве случаев не составит проблем, но эта мощность будет использоваться не только для отопления, но и для подогрева горячей воды, освещения, работы кухонной плиты, микроволновой печи, чайника, холодильника, стиральных, сушильных и посудомоечных машин и всех бытовых приборов. Кроме того, тарифы на электричество достаточно высоки, поэтому при отсутствии газоснабжения вопрос экономии энергии в частном доме очень важен.
Современный индивидуальный энергоэффективный дом помимо низких теплопотерь обладает высокой герметичностью. Постоянное проживание в таком доме требует обязательной организации вентиляции. Для дома площадью квадратных метров, в котором живут минимальный приток свежего воздуха должен составлять примерно 200 кубометров в час, неважно, при помощи механической приточной вентиляции или через открытые форточки и переточные клапаны. В любом случае для подогрева 200 кубометров воздуха в час потребуются дополнительно 3,3 киловатта тепловой энергии. При естественной вентиляции эта нагрузка ляжет на систему отопления, а при наличии механической приточной вентиляции — на электрический или водяной подогреватель приточного воздуха. Использование рекуперации тепла позволяет уменьшить необходимую дополнительную мощность до 1 киловатта, и часто именно это имеет решающее значение.
В домах площадью более 200 квадратных метров, а также в домах с невысокой тепловой изоляцией необходимость газоснабжения не вызывает сомнений. С одной стороны, это делает вопрос подогрева вентиляционного воздуха не столь актуальным, с другой — для больших домов с высокими требованиями к комфорту минимальный приток свежего воздуха должен составлять не менее кубометров в час. Для подогрева такого количества воздуха нужно уже киловатт тепла. То есть нужен газовый котел значительно большей мощности, чем потребовалось бы только для компенсации тепловых потерь и горячего водоснабжения. При этом нередко, например, для домов, расположенных на территориях коттеджных поселков, вводятся ограничения максимального суточного потребления газа, поэтому тепла на подогрев вентиляционного воздуха может не хватать. Использование системы вентиляции с рекуперацией тепла позволит обойтись увеличением мощности котла для подогрева свежего воздуха всего на 4 киловатта при расходе воздуха 800 кубометров в час. Еще более существенно будут снижены эксплуатационные расходы.
Все эти факторы создают благоприятные условия для использования приточно-вытяжных систем вентиляции с рекуперацией тепла во всех сегментах рынка частных квартир и индивидуальных жилых домов. Что касается малых и средних объектов коммерческого назначения, то здесь решающую роль играет объем первоначальных инвестиций, поэтому при наличии доступных мощностей для подогрева вентиляционного воздуха предприниматели и предприятия все еще предпочитают нести повышенные эксплуатационные расходы, чем инвестировать в более дорогие и сложные системы с рекуперацией тепла.
В результате на рынке оборудования для систем вентиляции востребованы компактные установки производительностью по воздуху от 150 до 500 кубометров в час для квартир и небольших энергоэффективных частных домов и установки производительностью кубометров в час для больших частных домов. При более высоких расходах воздуха и наличии технических помещений достойной альтернативой компактным вентиляционным установкам с рекуперацией становятся блочные промышленные центральные кондиционеры, которые обладают более широкими функциональными возможностями и привлекательной стоимостью.
Конструкция приточно-вытяжной вентиляционной установки
Основным элементом приточно-вытяжной вентиляционной установки с рекуперацией тепла является пластинчатый рекуперативный теплообменник поверхностного типа. Он позволяет использовать тепло вытяжного воздуха, который удаляется из помещений вытяжным вентилятором, для подогрева уличного воздуха, который подается в помещения приточным вентилятором. Теплообмен между вытяжным и приточным потоками осуществляется непрерывно через разделяющую стенку теплообменника.
Поскольку эффективность передачи тепла напрямую зависит от состояния теплопередающей поверхности, для ее защиты от загрязнений обязательно используются фильтры приточного и вытяжного воздуха.
Кроме пластинчатых теплообменников в приточно-вытяжных установках могут использоваться роторные регенеративные теплообменники. Традиционно такие установки называются приточно-вытяжными рекуператорами с роторным теплообменником.
Эффективность пластинчатого рекуператора
Основная характеристика пластинчатого рекуператора — его эффективность, показывающая, насколько хорошо идет процесс передачи тепла от одного потока воздуха к другому. Эффективность рекуператора по температуре можно рассчитать по формуле
где t11 — температура приточного воздуха перед рекуператором;
t12 — температура приточного воздуха после рекуператора;
t21 — температура вытяжного воздуха перед рекуператором.
Например, если температура наружного воздуха t11 = —25оС, температура приточного воздуха t12 = +10 о С, температура вытяжного воздуха t21 = +24 о С, эффективность рекуператора будет равна:
,
Данный показатель не учитывает дополнительных затрат электроэнергии вентиляторами для преодоления аэродинамического сопротивления при прохождении потока воздуха между пластинами рекуператора. Поэтому считать, что один рекуператор лучше другого, только потому, что у него выше эффективность, неправильно. При одинаковой эффективности аэродинамическое сопротивление рекуператоров может существенно отличаться. Например, при одинаковых расходах воздуха аэродинамическое сопротивление (dP) одного рекуператора будет равно 100 Па, а другого — 200 Па. Это значит, что для прохождения воздуха через рекуператоры вентиляторы второй установки будут потреблять в 2 раза больше электроэнергии. В некоторых случаях выгода от дополнительной экономии энергии за счет более эффективной рекуперации тепла может оказаться меньше, чем суммарное увеличение энергопотребления.
Казалось бы, зная эффективность рекуператора и значение температуры воздуха на входе в него, можно определить температуру приточного воздуха после рекуператора для любых условий:
но это будет некорректно.
Эффективность рекуператора существенно изменяется при изменении температуры и влажности воздуха [1]. Кроме того, эффективность пластинчатого рекуператора очень сильно зависит от расхода воздуха через него. Этими двумя факторами активно пользуются производители, чтобы представить свою продукцию в более выгодном свете. Например, в каталогах оборудования тепловая эффективность рекуператора может быть заявлена на уровне более 90%, в то время как значение, определенное по нормам европейского регламента по экодизайну № 1253/2014, будет только 80%, но эта цифра может отсутствовать в технических характеристиках оборудования или же быть представлена в неявном виде, например через соответствующие графические зависимости. Однако оба значения эффективности достоверны, поэтому формально претензий к производителям быть не должно.
В результате сравнение тепловой эффективности рекуператоров становится чрезвычайно трудоемкой задачей. Если для крупных вентиляционных систем еще можно попытаться рассчитать и объективно сравнить параметры рекуператоров с помощью заводских программ подбора, то при выборе небольших установок, особенно отечественных или малоизвестных зарубежных производителей, даже специалистам приходится полагаться исключительно на личный опыт, имидж компании и уровень доверия к бренду.
Варианты конструкции пластинчатого рекуперативного теплообменника
В настоящее время можно встретить различные конструктивные исполнения рекуперативных теплообменников поверхностного типа.
Традиционно в системах вентиляции используются перекрестно-точные пластинчатые рекуператоры, в которых приточный и вытяжной потоки движутся перпендикулярно друг другу по каналам, образованным разделительными пластинами. Важным преимуществом всех типов пластинчатых рекуператоров является то, что потоки воздуха не соприкасаются друг с другом, а высокая герметичность конструкции обеспечивает отсутствие перетоков. Такие рекуператоры можно использовать для утилизации тепла загрязненного вытяжного воздуха из помещений санузлов, ванных комнат. Однако для утилизации тепла вытяжного воздуха, содержащего химически опасные вещества, пластинчатые рекуператоры применять нельзя, в этом случае следует использовать системы с промежуточным теплоносителем.
Эффективность стандартных перекрестно-точных рекуператоров составляет По современным меркам это немного, роторные теплообменники обладают более высокой энергоэффективностью, однако их недостаток — переток воздуха, составляющий
Помимо невысокой эффективности проблемой пластинчатых рекуператоров является обмерзание поверхности теплообмена при отрицательных температурах приточного наружного воздуха. Теплый вытяжной воздух содержит значительное количество влаги, которая выпадает на поверхности пластинчатого теплообменника в процессе охлаждения. Дальнейшее охлаждение влаги приточным холодным воздухом приводит к образованию инея в вытяжных каналах теплообменника, увеличению сопротивления, снижению эффективности теплопередачи и постепенному заполнению инеем всего сечения канала. Сама конструкция перекрестно-точного рекуператора предполагает наличие неблагоприятного «холодного угла» [2], в котором собирается наибольшее количество влаги при низкой температуре воздуха и, соответственно, создаются благоприятные условия для образования инея. Одно из наиболее интересных и актуальных исследований вопроса обмерзания приведено в [3], где показаны результаты испытания работы пластинчатого теплообменника при низких температурах и дана качественная оценка процессов образования инея в каналах.
Чтобы повысить эффективность рекуперации в приточно-вытяжных системах, некоторые производители используют несколько пластинчатых рекуператоров, установленных последовательно друг за другом. В этом случае удается повысить эффективность рекуперации до Кроме того, по информации от производителей, использование нескольких рекуператоров позволяет избежать обмерзания. Так, некоторые производители и поставщики обещают работу оборудования без обмерзания рекуператоров при температурах входящего воздуха до —15оС, но есть и такие, кто указывает еще более низкую рабочую температуру — до —25 и даже —35оС. Однако при детальном изучении создается впечатление, что такая информация носит больше рекламно-информационный характер и, как правило, отсутствует в официальной документации оборудования или имеет ряд дополнительных оговорок. В открытых источниках в большинстве случаев также не удается обнаружить каких-либо достоверных исследований работы нескольких перекрестно-точных рекуператоров при низкой температуре входящего воздуха. Данный вопрос активно обсуждается на профильных форумах в Интернете, но приводимая там информация носит субъективный и противоречивый характер. В свою очередь, разработчики оборудования отмечают, что использование нескольких пластинчатых рекуператоров значительно усложняет конструкцию корпуса, обеспечивающего герметичность и предотвращающего перетоки между вытяжным и приточным воздухом.
Следующим этапом развития пластинчатых рекуператоров стало появление противоточных рекуперативных теплообменников. В таких теплообменниках потоки воздуха движутся навстречу друг другу, что обеспечивает максимальную эффективность передачи тепла и увеличивает площадь поверхности теплообмена. По информации производителей, при некоторых температурных и влажностных параметрах приточного и вытяжного воздуха противоточные пластинчатые рекуператоры могут обеспечить эффективность что является очень высоким показателем даже по сравнению с роторными теплообменниками. Однако оценка эффективности по нормам Регламента ЕС № 1253/2014 при стандартных параметрах воздуха показывает значение Среди российских производителей рекуператоров не удалось найти ни одного, указывающего параметры согласно Регламенту ЕС № 1253/2014 или имеющего сертификат Eurovent. В то же время официальных отечественных стандартов оценки эффективности рекуператоров не существует.
Конструкция противоточного рекуператора позволяет практически исключить проблему «холодного угла». Такое устройство значительно меньше подвержено обмерзанию в процессе эксплуатации при низких температурах, в официальной документации производителей можно увидеть минимальные значения рабочей температуры входящего воздуха на уровне —10 … —15оС.
Первоначально прямоточные рекуператоры разрабатывались для применения в компактных приточно-вытяжных установках частного жилья, где требуется высокая эффективность, а полноценное использование роторных теплообменников затруднено из-за проблем с перетоками воздуха. Сейчас производители предлагают противоточные пластинчатые рекуператоры с эффективностью выше 80% для промышленных центральных кондиционеров большой мощности. Можно ожидать, что в перспективе пластинчатые рекуператоры начнут вытеснять роторные.
Для изготовления пластинчатых теплообменников в основном используется алюминиевая фольга, обладающая высоким коэффициентом теплопередачи и позволяющая интенсифицировать теплообмен за счет создания дополнительных канавок или иного рельефа поверхности. В последние годы на рынке появились энтальпийные пластинчатые рекуператоры, в которых приточный воздух забирает у вытяжного не только тепло, но и влагу. Для их изготовления применяется бумага, пропитанная специальным составом, или полимерная мембрана, пропускающая влагу на молекулярном уровне. Такие теплообменники более эффективны, но имеют меньшую механическую прочность, и поэтому их обмерзание в процессе эксплуатации недопустимо. На сегодняшний день накоплено еще слишком мало опыта эксплуатации и статистических данных по реальному сроку службы, надежности и долговечности энтальпийных рекуператоров. Пока такие устройства используются главным образом в вентиляционных установках с относительно небольшим расходом воздуха. Производители обещают, что мембранные пластинчатые рекуператоры прослужат до 10 лет.
Решения по предотвращению обмерзания рекуперативного теплообменника
Проблема образования конденсата и обмерзания каналов теплообменника значительно усложняет эксплуатацию приточно-вытяжных систем вентиляции с пластинчатыми рекуператорами. Тем не менее существует ряд решений, обеспечивающих работу рекуперационной установки при низких температурах: временное отключение вентиляции по датчику температуры входящего воздуха, циклическое включение режима осушения рекуператора по таймеру, включение режима оттаивания по датчику перепада давления [4]. В основе этих решений — возможность встроенной автоматики значительно снизить или полностью приостановить подачу приточного воздуха в помещения на время осушения и оттаивания рекуператора. В отсутствие холодного притока теплый вытяжной воздух может быстро прогреть, освободить от инея и осушить поверхность рекуператора, после чего тот снова будет готов к работе.
Учитывая, что при относительно низких температурах наружного воздуха процесс намерзания инея на рекуператоре может продолжаться до 9 часов [3], а оттаивание занимает ориентировочно такие «компромиссные» алгоритмы работы автоматики вполне допустимы. Широкое применение современных ЕС-вентиляторов с плавным регулированием скорости вращения позволило производителям повысить качество «компромиссных» режимов, оптимизировав расход приточного и вытяжного воздуха для циклов оттаивания. Кроме того, использование противоточных рекуперативных теплообменников и теплообменников с влагопередающей мембраной делает оборудование более устойчивым к образованию инея. В то же время при снижении или прекращении подачи приточного воздуха существенно нарушается воздушный баланс в обслуживаемых помещениях. В режиме оттаивания воздух, необходимый для компенсации оттока через вытяжку, будет подсасываться из соседних помещений и с улицы, через щели в окнах и дверях, а также через вытяжные каналы естественной вентиляции, что приведет к временному нарушению комфортного режима.
При температуре наружного воздуха —10оС и ниже скорость обмерзания значительно возрастает, и «компромиссные» режимы работы могут оказаться неспособны удовлетворить требования комфорта, особенно на объектах, расположенных в суровых климатических условиях. Когда среднемесячная температура наружного воздуха находится ниже установленных производителем рабочих диапазонов на протяжении «компромиссный» режим эксплуатации оборудования становится основным. В этом случае стандартную рекуперационную установку (рис. 2) рекомендуется дооснастить дополнительным оборудованием, установив запорный клапан на входе свежего воздуха, клапан на выходе вытяжного воздуха, предварительный нагреватель с защитным фильтром и дополнительный нагреватель (рис. 4).
Дополнительный нагреватель располагается после рекуператора и обеспечивает подогрев приточного воздуха до температуры воздуха в помещении. Например, если зимой в помещении будет поддерживаться +24оС, то температура приточного воздуха после рекуперативного теплообменника может быть на уровне +16…+18оС, что недостаточно комфортно для приточной вентиляции и создает дополнительную нагрузку на систему отопления. Как правило, использование дополнительного нагревателя рекомендуется производителями приточно-вытяжных рекуперационных систем. Система автоматики многих моделей предусматривает его простое подключение и управление им.
Предварительный нагреватель обеспечивает подогрев свежего воздуха перед рекуператором до минимально допустимой температуры, указанной производителем вентиляционной установки, или до температуры, при которой установка начинает работать с использованием «компромиссных» режимов — обычно от —15 до —5оС. Для небольших приточно-вытяжных систем целесообразно применять электрический нагреватель. При значительных расходах воздуха и наличии газового котла, например в коттедже, нагреватель может быть водяным, с применением незамерзающей жидкости.
Вопрос автоматизации работы предварительного нагревателя требует дополнительного внимания. С одной стороны, штатная система автоматики ряда вентиляционных установок не поддерживает подключение предварительного нагревателя. В этом случае потребуется использовать дополнительный шкаф управления с регулятором мощности, контроллером, датчиками температуры и прочими компонентами. Сложности могут возникнуть и при подключении сервоприводов запорных воздушных клапанов. С другой стороны, на рынке есть производители, которые предлагают штатную систему автоматики, рассчитанную на управление не только дополнительным, но и предварительным нагревателем, а также воздушными клапанами. Кроме того, существуют модели приточно-вытяжных установок со встроенными предварительным и дополнительным нагревателями. Стоимость таких устройств несколько выше, но заказчик получает от производителя законченный функциональный агрегат, не требующий дополнительных доработок и адаптации к холодному климату.
Интересное решение для круглогодичной эксплуатации приточно-вытяжной вентиляционной установки с рекуператором предлагают некоторые отечественные разработчики. В вентиляционных установках, предназначенных для стабильной работы в условиях Сибири и Центральной России, производители использует трехступенчатый энтальпийный рекуператор. Производители обещают стабильную эксплуатацию рекуператора при температуре входящего воздуха до —35оС. При этом в установках нет поддона для сбора конденсата, не требуется организация дренажа, а монтаж возможен как горизонтально, так и вертикально. К сожалению, производители не сообщают, достигается ли такой результат использованием «компромиссных» режимов с помощью системы автоматики, или все дело только в конструкции энтальпийного рекуператора. В любом случае независимые отчеты о результатах тестирования работы установок с трехступенчатым энтальпийным рекуператором при низких температурах наружного воздуха, информация о сроке службы рекуператоров, а также объективные данные об эффективности рекуператора, определенной по стандартным европейским нормам, могли бы значительно повысить привлекательность данной продукции для всех участников рынка.
Альтернативные решения для предварительного подогрева воздуха перед рекуператором
Суровые климатические условия, а также ощутимый рост цен на электроэнергию и тепло побуждают частных застройщиков искать альтернативные варианты для предварительного подогрева приточного воздуха в системах вентиляции, например за счет теплоты грунта.
Одно из таких экспериментальных решений предполагает использование воздушного грунтового теплообменника (рис. 5). Прежде чем попасть в рекуператор, приточный воздух проходит через грунтовый воздуховод — трубу из полипропилена или ПВХ, уложенную в грунт на глубину ниже уровня промерзания. За счет теплоты грунта холодный приточный воздух нагревается до положительной температуры, что позволяет обойтись без предварительного нагревателя для предотвращения обмерзания рекуператора. Протяженность воздушного грунтового теплообменника должна быть не менее поэтому для подачи воздуха через него необходимо использовать дополнительный канальный вентилятор.
К явным недостаткам такой конструкции можно отнести возможность выпадения конденсата внутри трубы, особенно при эксплуатации в теплый период года, что создаст благоприятные условия для размножения опасных для здоровья бактерий. Данные о том, насколько велики эти риски, отсутствуют. Однако, исходя из имеющегося опыта, рекомендуется регулярно проводить дезинфекцию воздушного грунтового теплообменника. Для отвода конденсата труба теплообменника должна иметь уклон, а для обслуживания и сбора конденсата следует соорудить дополнительные смотровые шахты. Еще одним недостатком воздушного грунтового теплообменника считают необходимость его периодического отключения для прогрева грунта вокруг подземного воздуховода в процессе эксплуатации. Для решения этой проблемы предлагается использовать два независимых контура, что значительно увеличивает капитальные затраты. Однако вполне вероятно, что данная проблема связана с неправильным расчетом размеров теплообменника, не учитывающим постепенного вымораживания грунта в процессе эксплуатации.
Дополнительную информацию по расчетам и опыту использования воздушных грунтовых теплообменников, а также примеры реализованных проектов и отзывы пользователей можно найти на строительных интернет-форумах и сайтах монтажных компаний.
Второй вариант подогрева приточного воздуха за счет теплоты грунта предполагает использование водяного грунтового теплообменника. В этом случае перед рекуператором устанавливается предварительный водяной подогреватель воздуха, который получает тепло от грунтового теплообменника (рис. 6). В качестве промежуточного теплоносителя используется незамерзающая жидкость, которая циркулирует в контуре с помощью небольшого насоса.
Использование водяных грунтовых теплообменников получило более широкое распространение по сравнению с воздушными грунтовыми теплообменниками в связи с активными работами по внедрению тепловых насосов в отечественную практику строительства. За последнее десятилетие в России накоплен определенный опыт проектирования, монтажа и эксплуатации грунтовых теплообменников, получены данные о вымораживании грунта, опубликованы работы с рекомендациями по проектированию (например, [5]). Эти обстоятельства делают использование водяного грунтового теплообменника для предварительного подогрева приточного вентиляционного воздуха более надежным, стабильным и предсказуемым решением.
Литература
Виталий Алексеевич Волков, канд. техн. наук, эксперт по системам вентиляции
Технический обзор рынка вентиляционных установок с рекуперацией тепла будет продолжен в следующем номере журнала «Мир климата».
