Рекуперация тепла в здании

Рекуперация тепла может применяться в зданиях с приточно-вытяжной вентиляцией.

Аннотация

Известно, что в современных зданиях в зимний период, как минимум, 25–50 % тепла расходуется на нагрев приточного воздуха.

В простых системах вентиляции вытяжной воздух просто выбрасывается на улицу, таким образом в холодный период года это увеличивает затраты на отопление, а летом – на кондиционирование.

Таким образом, в течение отопительного периода данных системах удаляется и выбрасывается большой объём воздуха с температурой +18 °С.

Предлагаемое техническое решение

Рециркуляция подразумевает возврат (полный или частичный) вытяжного воздуха обратно в помещение, т.е. использование тепловой энергии, запасенной в удаляемом из помещения воздухе, для обогрева или охлаждения поступающего приточного воздуха. Рекуперация происходит в теплообменнике приточно-вытяжной системы вентиляции. При этом приточный и вытяжной воздух не смешиваются. В связи с тем, что удаляемый воздух необходимо компенсировать системой приточно-отопительной вентиляции, то с удаленным воздухом теряется значительное количество тепла.

Рассмотрим самые популярные виды рекуператоров:

1) Пластинчатые рекуператоры – самый распространенный вид рекуператоров, применяемых в системах приточно-вытяжной вентиляции.

Принцип его действия заключается в пересечении воздушных потоков приточного и вытяжного воздуха. Эти потоки пересекаются, но не перемешиваются в специальном пластинчатом теплообменнике.

Рисунок 1. Принцип работы пластинчатого рекуператора

Преимущества пластинчатых рекуператоров:

• Пластинчатые теплообменники обладают эффективностью 40–92%;
• Пластинчатый теплообменник в данном виде рекуператоров – устроен просто и не имеет подвижных или трущихся частей, что подразумевает собой нечастое техническое обслуживание;
• В данном рекуператоре отсутствуют какие-либо потребители электроэнергии, что снижает стоимость расходов на работу данного устройства.

Недостатки пластинчатых рекуператоров:

• Необходимость пересечения потоков приточного и вытяжного воздуха диктуется необходимость пересечения воздуховодов в рекуператоре, что не всегда удобно и реализуемо;
• В зимний период пластинчатый теплообменник может обмерзать и для решения этой проблемы необходимо либо периодически отключать приточный вентилятор, либо использовать байпасный клапан;
• Данные рекуператоры способны только к теплообмену. Влагообмен в данном виде рекуператоров – редкость.

2) Роторные рекуператоры – второй по распространенности вид рекуператоров, применяемых в системах приточно-вытяжной вентиляции.

Принцип его действия заключается в прохождении воздушных потоков приточного и вытяжного воздуха через специальный вращающийся роторный теплообменник.

Рисунок 2. Принцип действия роторного рекуператора

Преимущества роторных рекуператоров:

• Роторные теплообменники обладают эффективностью 60–85%;
• Роторный теплообменник в данном виде рекуператоров позволяет возвращать не только тепло, но и влажность;
• Регулируя скорость вращения ротора можно регулировать общую эффективность рекуператора.

Недостатки роторных рекуператоров:

• Необходимостью параллельного прохода потоков приточного и вытяжного воздуха диктуется необходимость пересечения воздуховодов в рекуператоре, что не всегда удобно и реализуемо;
• Загрязненный воздух частично переносится в приток, в связи, с чем необходима установка дополнительных фильтров на приток и на вытяжку;
• В данных рекуператорах имеются подвижные части и потребители электроэнергии, в связи, с чем необходимо производить техническое обслуживание чаще, чем в пластинчатых рекуператорах.

3) Водяные рециркуляционные рекуператоры воздуха – вид рекуператоров воздуха, применяемых в системах приточно-вытяжной вентиляции, имеющий свои интересные особенности.

Принцип действия водяного рекуператора воздуха заключается переносе тепловой энергии из отдельно стоящего вытяжного теплообменника в приточный с помощью воды, антифриза, либо других теплоносителей.

Рисунок 3. Схема работы водяного рециркуляционного рекуператора воздуха

Приточный и вытяжной теплообменники такого рекуператора воздуха могут быть расположены на удалении друг от друга и соединены теплоизолированным трубопроводом.

Применяются они не так часто в связи с низким КПД и необходимостью частого техобслуживания.

Применяются в основном с целью модернизации отдельных приточной и вытяжной вентиляции, либо при отсутствии возможности расположения вытяжной и приточной магистралей близко друг к другу.

Преимущества водяных рекуператоров:

• Пластинчатые теплообменники обладают эффективностью 50–65%;
• Вытяжной и приточный потоки никогда не перемешиваются, что предотвращает частичный перенос загрязненного воздуха из вытяжки в приток;
• Возможно размещение приточного и вытяжного теплообменииков на расстоянии друг от друга, что придает данной системе гибкость при проектировании и установке;
• Возможность объединения нескольких вытяжных и нескольких приточных систем в одну систему рекуперации.

Недостатки водяных рекуператоров:

• Наличие дополнительной водяной магистрали требует установки водяного насоса и дополнительных устройств, отвечающих за правильность работы данной системы;
• Расход электроэнергии на работу система циркуляции воды и теплопотери теплоносителя, если приточный и вытяжной теплообменники удалены друг от друга делает данную систему нецелесообразной;
• Данные рекуператоры способны только к теплообмену. Влагообмен в данном виде рекуператоров невозможен.

4) Тепловые трубки – представляет собой закрытую трубку из теплопроводящего металла (например, меди) с запаянной внутри легковоспламеняющеюся (легкокипящей) жидкостью, обычно фреоном.

Рабочее положение такого рекуператора – вертикальное или близкое к нему.

Теплообмен происходит по следующему принципу.

Теплый воздух на выходе из помещения омывает нижний конец трубки, заставляя фреон кипеть и выпариваться в верхнюю ее часть, забирая с собой тепловую энергию.

Верхний конец трубки омывается приточным холодным воздухом.

Пары фреона отдают тепло приточному потоку и конденсируются в верхней части теплообменной трубки.

Приточный воздух, забрав тепловую энергию, подается внутрь помещения. Жидкий фреон под воздействием гравитационной силы возвращается в нижнюю часть теплообменника.

Процесс циклично повторяется.

 

Рисунок 4. Принцип работы тепловой трубки

Преимущества тепловой трубки:

• Простота системы;
• Отсутствие движущихся частей.

Главным недостатком тепловых трубок это эффективность использования – 50–70%.

5) Камерные теплообменники – представляет собой камеру, разделённую на две части заслонкой.

Удаляемый воздух нагревает одну часть камеры, затем заслонка изменяет направление воздушного потока таким образом, что приточный воздух нагревается от нагретых стенок камеры.

Загрязнение и запахи могут передаваться из удаляемого воздуха в приточный.

Единственная подвижная часть рекуператора – заслонка, что минимизирует возможность загрязнения.

Он характеризуется высокой эффективностью (80-90%).

Рисунок 5. Принцип работы камерного теплообменника

Выбор оптимальной конструкции теплообменника является задачей, разрешаемой технико-экономическим сравнением нескольких типоразмеров аппаратов применительно к заданным условиям или на основании критерия оптимизации.

На поверхность теплообмена и на относящуюся к ней долю капитальных затрат, а также на стоимость эксплуатации влияет недорекуперация теплоты.

Чем меньше величина недорекуперации теплоты, т.е. чем меньше разность температур греющего теплоносителя на входе и нагреваемого теплоносителя на выходе при противотоке, тем больше поверхность теплообмена, тем выше стоимость аппарата, но тем меньше эксплуатационные расходы.

Конечно, должен быть определенный оптимум увеличения капитальных и снижения эксплуатационных расходов.

Технический расчёт

Рассчитаем количество тепла выбрасываемого на улицу данной системой, Гкал/год

где G – производительность вытяжного вентилятора, м3/час;
 – время работы системы в течение отопительного периода, ч; 

с – теплоемкость воздуха, кДж/кг·К;
– разница температур между удаляемым воздухом и наружным воздухом (средним за отопительный период) °С; 

 – плотность воздуха, кг/м3;

 – эффективность рекуператора. Зависит от типа рекуператора.

Учитывая время работы системы вентиляции Тгод и электрическую мощность существующей Nсущ и применяемой Nнов системы вентиляции годовая экономия составит, кВт·ч

Годовая экономия в денежном выражении составляет, руб/год

где Ттэ – тариф на тепловую энергию, руб/Гкал.;

Тээ – тариф на электрическую энергию, руб/ кВт·ч

Выводы

После реализации внедрения рекуператоров можно достичь следующих результатов:

• понижение расхода энергии, идущей на нагрев, и, следовательно, сокращение затрат на отопление;
• возможность выбора генератора тепла минимальной мощности, а поверхностей нагрева, трубопроводной сети – меньших размеров;
• возможность снижения летом количества энергии, идущей на охлаждение, что позволяет использовать охлаждающие установки меньшей мощности, что, в свою очередь, дает сокращение стоимости этих установок и затрат на их эксплуатацию;
• значительное улучшение качества воздуха помещения за счет увеличения нормы свежего воздуха на человека в час.

Практическое применение

Установка пластинчатого рекуператора была рекомендована на машиностроительном предприятии в свердловской области. Общая производительность вентиляционных систем составила порядка 200 тыс. м3/ч.

Капитальные затраты на модернизацию вентиляционной системы включающие стоимость оборудования, доставку и монтаж рекуператора оцениваются в 2500 тыс. руб.

Рассчитаем количество тепла выбрасываемого на улицу данной системой.

С учетом того, что количество потребляемой на систему вентиляции электроэнергии не изменяется и при тарифе на тепло Ттэ = 500 руб/Гкал, годовая экономия в денежном выражении составляет

На данном предприятии при указанных условиях – мероприятие окупается за