В Северной Европе и Скандинавии получили распространение системы вентиляции многоэтажных жилых зданий с подогревом приточного воздуха за счет теплоты удаляемого с помощью теплоутилизаторов. Теплоутилизаторы в системах вентиляции получили развитие в 1970-е годы в период энергетического кризиса.

К настоящему времени массовое применение нашли теплоутилизаторы: – рекуперативного типа на базе пластинчатых воздухо-воздушных теплообменников (рис. 41); – регенеративные с вращающейся теплообменной насадкой (рис. 42); – с промежуточным теплоносителем с теплообменниками «жидкость-воздух» (рис. 43).

По своему исполнению в многоэтажных жилых зданиях теплоутилизаторы могут быть центральными на все здания или группу квартир и индивидуальными, поквартирными.

Рис. 42. Теплоутилизатор с вращающейся теплообменной насадкой

Рис. 41. Теплоутилизатор рекуперативного типаутилизатор теплоты вентиляционного воздуха)

При сходных массогабаритных показателях наибольшей энергетической эффективностью обладают регенеративные теплоутилизаторы (80-95%), далее следуют рекуперативные (до 65%) и на последнем месте находятся теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем (45-55%).

По своим конструктивным особенностям теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем мало пригодны для индивидуальной поквартирной вентиляции, и поэтому на практике их используют для центральных систем.

Рис. 43. Утилизатор теплоты вентиляционного воздуха с промежуточным теплоносителем: 1 – приточная вентустановка; 2 – вытяжная вентустановка; 3 – теплообменник; 4 – циркуляционный насос; 5 – фильтр; 6 – корпус утилизатора

Регенеративные теплоутилизаторы обладают существенным недостатком - вероятностью смешивания определенной части удаляемого воздуха с приточным в корпусе аппарата, что, в свою очередь, может привести к переносу неприятных запахов и болезнетворных бактерий. Объем перетекающего воздуха в современных аппаратах сокращен до долей процента, но, тем не менее, большинство специалистов рекомендуют ограничить их область применения пределами одной квартиры, коттеджа или одного помещения в общественных зданиях.

Рекуперативные теплоутилизаторы, как правило, включают в свой состав два вентилятора (приточный и вытяжной), пластинчатый теплообменник, фильтры (рис. 41). В современных конструкциях в теплоутилизатор встраиваются два водяных или электрических подогревателя. Один служит для защиты от замораживания вытяжного тракта теплообменника, второй - для догрева температуры приточного воздуха до заданного значения.

Эти системы, по сравнению с традиционными, обладают рядом достоинств, к числу которых следует отнести существенную экономию тепловой энергии, расходуемой на подогрев вентиляционного воздуха, - от 50 до 90% в зависимости от типа применяемого утилизатора; а также высокий уровень воздушно-тепловой комфортности, обусловленный аэродинамической устойчивостью вентиляционной системы и сбалансированностью расходов приточного и удаляемого воздуха.

При установке рекуперативных теплоутилизаторов поквартирно появляются: – возможность гибко регулировать воздушно-тепловой режим в зависимости от режима эксплуатации квартиры, в том числе с использованием рециркуляционного воздуха; – возможность защиты от городского, внешнего шума (при использовании герметичных светопрозрачных ограждений); – возможность очистки приточного воздуха с помощью высокоэффективных фильтров.

Реализация указанных достоинств связана с решением ряда проблем: – необходимо предусмотреть соответствующие объемно-планировочные решения квартиры и выделить место для размещения теплоутилизаторов и дог полнительных воздуховодов; – следует предусмотреть защиту от замораживания теплоутилизаторов при низких температурах наружного воздуха (-10 °С и ниже); – утилизаторы должны быть в малошумном исполнении и при необходимости оборудованы дополнительными шумоглушителями; – необходимо обеспечить квалифицированное техническое обслуживание теплоутилизаторов (замена или чистка фильтров, промывка теплообменника).

Различные модификации утилизаторов теплоты удаляемого воздуха производят в общей сложности более 20 фирм. Кроме того, производство энергосберегающего оборудования начинается и на отечественных предприятиях.

Уровень звуковой мощности приведен без сети воздуховодов, без глушителей для открыто расположенного утилизатора.

Широкое применение в жилых многоэтажных зданиях систем механической вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха сдерживается рядом факторов: – практически отсутствует материальное стимулирование энергосбережения у потребителей - владельцев квартир; – инвесторы-застройщики не заинтересованы в дополнительных затратах на инженерное оборудование в домах эконом- и бизнес-класса, полагая, что качество вентиляции - второстепенный показатель в формировании рыночной стоимости жилья; – «отпугивает» необходимость технического обслуживания механической вентиляции; – население недостаточно информировано о критериях воздушно-теплового комфорта жилища, его влиянии на здоровье и работоспособность.

Вместе с тем наметилась положительная тенденция преодоления отмеченных проблем, и у инвесторов, и у покупателей квартир появляется практический интерес в современных технических решениях систем вентиляции.

Сравним эффективность традиционной вентиляции и новых технических решений применительно к жилым многоэтажным зданиям массовой застройки.

Предлагается три варианта организации вентиляции в жилых 17-этажных зданиях серии П-44 для условий Москвы:
A. Вентиляция по типовому проекту (естественная канальная вытяжка из помещений кухни, ванны и туалета и приток за счет инфильтрации и от
крывания фрамуг окон).
Б. Механическая вытяжная, центральная система вентиляции с установкой в квартирах приточных и вытяжных клапанов постоянного расхода воздуха.
B. Механическая приточно-вытяжная система вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха в рекуперативных теплообменниках.

Сравнение проводилось по трем критериям: – качество воздуха; – расход тепловой энергии в системах вентиляции; – акустический режим.

Для условий Москвы по данным метеонаблюдений были приняты следующие климатические условия.

В расчетах приняты следующие значения сопротивления теплопередаче: – стен - 3,2 м2 °С/Вт; – окон – 0,62 м2 °С/Вт; – покрытий - 4,04 м2 °С/Вт.

Система отопления с традиционными конвекторами на параметры теплоносителя 95/70 °С.

В каждом подъезде на этаже расположено две 2-комнатных, одна 1-комнатная и одна 3-комнатная квартиры. В каждой квартире предусмотрена кухня с электроплитой, ванная комната и туалет.

Вытяжка производится в соответствии с нормативами: – из кухни - 60 м3/ч; – из ванной комнаты - 25 м3/ч; – из туалета - 25 м3/ч.

Для анализа принято, что в варианте А за счет проветривания путем открывания фрамуг окон среднесуточный объем притока соответствует объему вытяжки из квартиры.

Рис. 44. Рекуператор с установкой догревателей воздуха в квартирах экспериментального дома: 1 – вентилятор удаляемого воздуха; 2 – вентилятор приточного воздуха; 3 – пластинчатый теплообменник; 4 – электрический нагреватель; 5 – подогреватель теплообменника; 6 – фильтр для наружного воздуха (класс EU5); 7 – фильтр для удаляемого воздуха (класс EU5); 8 – датчик против замерзания теплообменника; 9, 10 – автоматический сброс термозащиты; 11, 12 – ручной сброс термозащиты; 13 – датчик температуры приточного воздуха

В варианте Б постоянный воздухообмен обеспечивается за счет работы центрального вытяжного вентилятора, сетью воздуховодов связанного с каждой из квартир. Постоянство воздухообмена обеспечивается применением приточных клапанов постоянного расхода, установленных в створках окон, и саморегулирующихся вытяжных клапанов на кухне, в ванной комнате и туалете.

В варианте В используется механическая приточно-вытяжная система вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха для подогрева приточного в пластинчатом теплообменнике. При сравнении также принято условие постоянства воздухообмена.

По критерию качества воздуха вариант А существенно уступает вариантам Б и В. Проветривание осуществляется периодически в течение произвольно выбранного жителями времени, т. е. субъективно и потому далеко не всегда эффективно. В зимний период проветривание связано с необходимостью покидать жителями проветриваемое помещение. Попытки отрегулировать открытие фрамуг для постоянной вентиляции чаще всего приводят к нестабильности работы вентиляции, возникновению сквозняков, температурному дискомфорту. При периодическом проветривании качество воздуха после закрытия форточек ухудшается, и большую часть времени жители проводят в загрязненной воздушной среде (рис. 45).

Рис. 45. Изменение воздухообмена и концентрации вредных веществ при периодическом проветривании помещений:
1 - воздухообмен;
2 - концентрация вредных веществ;
3 - нормативный уровень концентрации вредных веществ

Особый режим вентиляции предусматривается для помещения кухни. При приготовлении пищи в работу включается надплитньгй зонт, оборудованный высокопроизводительным многоскоростным вентилятором. Воздухопроиз-водительность современных надплит-ных зонтов достигает 600-1000 м3/ч, что во много раз превышает показатель расчетного воздухообмена в квартире. Для удаления воздуха от надплитных зонтов, как правило, предусматриваются отдельные воздуховоды, не связанные с системой общеобменной вытяжной вентиляции из кухни. Компенсационный расход приточного воздуха обеспечивается приточным клапаном в стене, открываемым в период работы зонта. Общий вывод по сравниваемым вариантам можно сделать следующий: наибольшей эффективностью по воздушно-тепловому комфорту и экономии тепловой энергии обладает вариант В с утилизацией теплоты вытяжного воздуха; для нормализации акустического режима требуются дополнительные меры по шумозащите вентиляторной установки.

Постоянно работающая вентиляция квартир с использованием приточных клапанов (вариант Б), встроенных в створки окон или наружные стены, при низких температурах наружного воздуха может привести к тепловому дискомфорту, связанному с неравномерным распределением температуры и скорости движения воздуха в помещениях. Несмотря на то что рекомендуется располагать приточные клапаны над или за отопительными приборами, специалисты в Западной Европе ограничивают эффективную область применения таких систем вентиляции районами с температурой наружного воздуха не ниже -10 °С. Наибольший интерес представляет вариант вентиляции В, т. е. механическая приточно-вытяжная вентиляция с утилизацией теплоты удаляемого воздуха в рекуперативных теплообменниках. Именно по этой системе произведено проектирование и строительство экспериментальной системы.

Экспериментальное здание состоит из четырех секций; общее количество квартир - 264. Под зданием размещен гараж-стоянка на 94 автомобиля. На 1-м этаже находятся вспомогательные нежилые помещения, два верхних этажа отведены под спортивно-оздоровительный центр. Жилые квартиры располагаются со 2-го по 16-й этаж. В квартирах свободной планировки от 60 до 200 м2 общей площади предусмотрены, помимо жилых помещений, кухня, ванная комната с санузлом, постирочная, гостевой туалет, кладовые помещения, застекленные лоджии. Здание построено по индивидуальному проекту (архитектор П. П. Пахомов). Конструктивные решения здания представляют собой монолит с эффективным утеплителем с кирпичной облицовкой. Концепция энергосберегающих решений здания разработана под руководством президента Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизики, профессора Ю. А. Табунщикова, архитектурной мастерской «Архитекторы-XXI век», ОАО «ЦНИИПРОМЗДАНИЙ», ООО «НПО “ТЕРМЭК”».

Проектом предусмотрено комплексное решение, в котором функционально связаны энергосберегающие архитектурно-планировочные решения, эффективные ограждающие конструкции и инженерные системы нового поколения.

Конструкции здания имеют высокий уровень теплозащиты. Так, сопротивление теплопередаче стен составляет 3,33 м2 °С/Вт, металлопластиковых окон с двухкамерными стеклопакетами - 0,61 м2*°С/Вт, верхних покрытий - 4,78 м2 °С/Вт, лоджии застеклены солнцезащитными тонированными стеклами.

Внутренние параметры воздуха для холодного периода приняты следующими: – жилые комнаты - 20 °С; – кухня - 18 °С; – ванная - 25 °С; – туалет - 18 °С.

В здании запроектирована горизонтальная поквартирная система отопления с периметральной разводкой трубопроводов по квартире. Металлопластиковые трубы с теплоизоляцией в защитной гофре замоноличены в подготовку «черного» пола. На все здание общей площадью около 44 тыс. м2 в системе отопления жилой части всего четыре пары стояков (подающий и обратный) по числу секций. На каждом этаже в лифтовом холле к стоякам присоединены распределительные коллекторы к квартирам. Коллекторы оборудованы арматурой, балансировочными вентилями и квартирными счетчиками теплоты.

В здании запроектирована и реализована поквартирная регулируемая приточно-вытяжная система вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха.

Компактный приточно-вытяжной агрегат с пластинчатым рекуператором размещен в подшивном потолке гостевого туалета рядом с кухней.

Забор приточного воздуха осуществляется через теплоизолированный воздуховод и отверстие в наружной стене, выходящей на лоджию кухни. Удаляемый воздух забирается из помещения кухни. Вытяжка из туалетов и ванной комнаты не теплоутилизируется, т. к. на момент согласования проекта нормативы запрещали объединять в пределах квартиры в одну вентиляционную сеть вытяжки кухни, ванной комнаты и туалета. В настоящее время согласно «Техническим рекомендациям по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома» это ограничение снято.

В условиях свободной планировки квартир объединение общим горизонтальным вытяжным воздуховодом трех-четырех зон требует специальных архитектурно-планировочных решений, устройства в квартире горизонтальной сети воздуховодов, что трудно осуществимо по конструктивным соображениям.

В отопительный период 2003-2004 годов в 3-комнатной квартире на 12-м этаже были проведены предварительные испытания квартирной системы вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха. Общая площадь квартиры составляет 125 м2. Испытания проводились в квартире без отделки, без межкомнатных перегородок и дверей. Выборочные результаты испытаний приведены в табл. 22. Температура наружного воздуха 4 составляла от +4,1 до -4,5 °С при преимущественно облачной погоде. Температура воздуха в помещении tB поддерживалась квартирной системой отопления со стальными радиаторами, оборудованными термостатическими вентилями, в диапазоне от 22,8 до 23,7 °С. В ходе испытаний с помощью увлажнителей воздуха изменялась относительная влажность воздуха ф от 25 до 45%.

В квартире был установлен рекуперативный теплоутилизатор, максимальной производительностью по приточному воздуху Lnp = 430 м3/ч. Объем удаляемого воздуха Ь„игутл составлял примерно 60-70% от приточного, что обусловлено настройкой аппарата на утилизацию только части удаляемого воздуха.
Аппарат оборудован воздушными фильтрами приточного и вытяжного тракта и двумя электрическими нагревателями. Первый нагреватель номинальной мощностью 0,6 кВт предназначен для защиты вытяжного тракта от замораживания конденсата, который специальной дренажной трубкой через гидрозатвор отводится в канализацию. Второй нагреватель мощностью 1,5 кВт предназначен для догрева приточного воздуха tw до заданного комфортного значения.

Рис. 46. План квартиры с системой вентиляции: 1 – приточно-вытяжная установка с утилизатором; 2 – воздухозабор с лоджии; 3 – вытяжка из кухни; 4 – вытяжка из гостевого туалета; 5 – вытяжка из гардеробной; 6 - вытяжка из ванной; 7 - потолочный перфорированный воздухораспределитель

Для простоты монтажа он также выполнен электрическим.

В процессе испытания проводились измерения температуры и влажности наружного, внутреннего и удаляемого воздуха, расхода приточного и удаляемого воздуха, расхода теплоты квартирной системой отопления Qm по показаниям теплосчетчика, расхода электроэнергии.

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, которая находилась в процессе испытаний в диапазоне от 15 до 18,3 °С. Система управления вентиляторами позволяет выбрать три фиксированных режима расхода воздуха, соответствующих кратности воздухообмена от 0,48 до 1,15 1/ч.

Контроль и задание температуры и расхода воздуха осуществляется с дистанционного проводного пульта управления.

Испытания показали устойчивую работу квартирной системы вентиляции и энергетическую эффективность утилизации теплоты удаляемого воздуха.

Следует отметить ряд особенностей в проведении исследований, которые нельзя не принимать во внимание при оценке показателей воздушно-теплового режима квартиры.

1. В новостройках свежий бетон и раствор выделяют значительное количество влаги в помещения. Период, в течение которого влага в строительных конструкциях приходит в равновесное состояние, достигает 1,5-2 лет. Так, в результате испытаний примерно через полгода после заполнения монолита и укладки стяжки влагосодержание внутреннего воздуха при наличии вентиляции составляло 4-4,5 г/кг сухого воздуха, в то время как влагосодержание наружного воздуха не превышало 1-1,5 г/кг сухого воздуха.

По нашим оценкам, в монолитном здании для приведения конструкций в равновесное влажностное состояние необходимо ассимилировать до 200 кг влаги на каждый кв. метр площади пола. Количество теплоты, необходимое для испарения этой влаги, в начальный период равно 10-15 Вт/м2, а в период испытаний - 5-7 Вт/м2, что составляет значительную часть в тепловом балансе квартиры в холодный период года. Не учитывать этот фактор при осуществлении отопления и вентиляции опрометчиво, особенно в монолитном домостроении.

2. В процессе испытаний отсутствовали так называемые внутренние бытовые тепловыделения, размер которых в нормативах предлагается принимать 10 Вт/м2.
Представляется, что этот показатель должен быть дифференцированным в зависимости от площади квартиры на одного жителя.

В больших квартирах (более 100 м2) с площадью на одного человека 30-50 м2 вероятное значение этого показателя должно снижаться до 5-8 Вт/м2. В противном случае проектная тепловая мощность систем отопления и вентиляции зданий может оказаться заниженной на 10-30%.

Однако более целесообразно во время строительства, в частности зданий с монолитными конструкциями, выделяющими в помещения много влаги, перед сдачей зданий и особенно перед их заселением производить просушку с помощью находящихся в распоряжении строителей мощных электронагревателей. К сожалению, такая просушка до проведения испытаний не производилась.

Как отмечалось, рассматриваемое экспериментальное здание проектировалось и строилось как энергосберегающее. По результатам проведенных испытаний с поправками на прогнозируемые бытовые тепловыделения и теплоту испарения влаги в строительных конструкциях были рассчитаны удельные теплоэнергетические характеристики 3-комнатной квартиры в расчете на 1 м2 площади при поддержании в квартире температуры 20 °С.

Результаты расчетов показали, что после отделки квартир и заселения здания удельный расчетный годовой расход теплоты на отопление и вентиляцию снижается почти вдвое со 132 до 70 кВт ч/(м2 год), а с применением утилизации теплоты до 44 кВт ч/(м2 год).

Дальнейшая эксплуатация здания позволит проверить принятые в предварительных расчетах допущения.

Исследования экспериментальной системы должны охватить все факторы, характеризующие ее работу, в том числе и психологическое отношение жильцов, использующих новые для них устройства.

Электроподогрев воздуха в экспериментальной системе по сравнению с использованием для этой цели теплоты от теплофикации, к которой присоединено здание, экономически неоправдан. Такое решение было принято для удобства эксперимента, в частности, для замеров, касающихся расходов теплоты. Однако, по мнению авторов, со временем человечество начнет переходить на полное электротеплоснабжение жилых городских зданий. Поэтому экспериментальное исследование системы, в которой квартирная вентиляция работает с использованием электровоздухонагревателей, представляет интерес для будущего.

Предыстория развития

Тепло воздуха, который удаляется в атмосферу, является источником экономии энергоресурсов. Не секрет, что на подогрев воздуха, который поступает в здание расходуется 40…80% теплозатрат. Поэтому идея подогрева свежего воздуха за счет отработанного не нова. Еще в Советском Союзе непрерывно велись работы по созданию установок, которые бы позволяли использовать тепловую энергию вытяжного воздуха. Но к сожалению результаты этих исследований использовались только в специальных проектах (промышленного, оборонного назначения, научного значения).

За границей причиной применения, обуславливающей начало применения подобных установок, стал первый энергетический кризис. При этом, устройства утилизации тепловой энергии удаляемого воздуха, изначально проектировались для использования в многоквартирных жилых домах и коттеджах. Как следствие этого, сегодня воздушное отопление повсеместно применяется в Канаде и ближайших к ней штатах США. Так в Канаде не применяются вовсе водяные системы отопления.

В России утилизаторы тепла массово начали применяться с началом активного малоэтажного строительства, когда у частных застройщиков начал появляться интерес к энергоэффективному, энергосберегающему оборудованию.

Применение электроэнергии для отопления

Использование вентиляционной отопительной техники подразумевает применение электроэнергии для отопления. До недавнего времени применение электроэнергии для отопления было запрещено законодательно. Это связано с политикой экономии энергии, проводимой в Советском Союзе. Со времени распада Советского Союза многое изменилось.

В настоящее время, когда начинают применяться новые материалы и осваиваться новые технологии, мнение специалистов о допустимости применения электроэнергии для отопления начинает меняться. Ввод в действие 2000 года новых норм, которые требуют улучшения теплозащиты жилых зданий, способствует этому. Согласно новых норм, нормируемые потери тепла через наружные стены сокращаются в 2,5–3,0 раза по сравнению с нормами 1995 г.

В будущем нормы по теплозащите и энергоэффективности будут только ужесточаться. В этих условиях исчезнет само понятие инфильтрации воздуха, помещения будут герметичными. В таких условиях применению устройств утилизации тепла откроются самые широкие перспективы.

Существующие виды рекуператоров

Настоящая номенклатура утилизаторов тепла очень разнообразна. Но все разнообразие можно свести к следующим типам: а) кожухотрубные и пластинчатые теплообменники, в том числе, перекрёстноточные; б) роторные (регенеративные); в) тепловые насосы с промежуточным рабочим телом. Возможности большинства современных устройств позволяют утилизировать и использовать для подогрева подаваемого в помещения воздуха только 60% тепла отработанного воздуха. Для объектов с небольшим объемом здания для того, чтобы установка утилизатора тепла окупилась необходимо, чтобы эта цифра составляла 90 %.

Перспективное направление развития утилизаторов тепла

Увеличить КПД утилизаторов тепла позволяет применение описанного ниже метода. Как известно, теплоемкость воды наибольшая по сравнению с другими жидкостями. Теплоёмкость воздуха в 4,5 раза ниже теплоёмкости воды. На использовании воды основана технология ультра-дисперсии удаляемого воздуха в воде. Для того чтобы увеличить скорость передачи тепла от удаляемого воздуха этот воздух специальным образом пропускают через воду, создавая пузырьки размером с микрон.

Скорость передачи тепла увеличивается так как микронных размеров пузырьки разрушают термическое сопротивления поверхностного слоя воды. Применение технологии технология ультра-дисперсии удаляемого воздуха в воде позволит использовать 90-95% тепла удаляемого воздуха. Важно, что рекуператор, построенный по указанной технологии, имеет минимальное число деталей, минимальные размеры, он прост в эксплуатации.

Способы применения утилизаторов тепла

• Первый способ – применение теплоутилизатора рекуперативного типа. При этом имеет место частичный подогрев подаваемого в помещение воздуха.
• Второй способ – утилизация теплоты с помощью тепловых насосов.
• Третий способ – использование тепла уходящего воздуха для подогрева поступающей воды. Система включает в себя значительного габарита водонагреватели и аккумуляторы подогретой воды.

Современное положение дел в России по рассматриваемому вопросу

Федеральным законом № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» предписано снизить энергоемкость инженерных систем здания. Стоит задача к 2020 году снизить энергоемкость ВВП на 40% к уровню 2007 года. Такая тенденция на увеличение энергоэффективности, улучшение теплозащиты повсеместна.

Постановлением Правительства Москвы № 900 от 5 октября 2010 года «О повышении энергетической эффективности жилых, социальных и общественно-деловых зданий в городе Москве…», установлен уровень энергопотребления, обеспечить невозможно без утилизации тепла.

Российская Федерация, вступив в ВТО, обязалась привести цены на энергоносители для внутренних потребителей к уровню мировых цен. Во всем мире вопросы энергоэффективности, а как следствие вопросы утилизации тепла стоят очень остро. Правительства стран вводят в действие и добиваются исполнения программ по улучшению энергоэффективности. Поэтому с ростом внутренних цен на энергоносители неизбежно будет расти интерес к установкам по утилизации тепла

В «русской печи» нагревался приточный воздух, с помощью этого прогревалось жилое помещение. В Европе систему отопления, где как в русской печи предусматривались каналы, называли «русской». Этим признана большая эффективность русской печи в сравнении с европейским отоплением. В настоящее время можно говорить о необходимости вернуться к истокам в вопросах отопления.

Приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией

В данной статье мы предлагаем рассмотреть пример использования современных утилизаторов тепла (рекуператоров) в вентиляционных установках, в частности роторных.

а) конденсационный ротор – утилизирует преимущественно явное тепло. Перенос влаги осуществляется, если вытяжной воздух охлаждается на роторе до температуры ниже «точки росы».
б) энтальпийный ротор – имеет гигроскопическое покрытие фольги, способствующее переносу влаги. Таким образом, утилизируется полное тепло.
Рассмотрим систему вентиляции, в которой будут работать оба типа утилизатора (рекуператора).

Примем, что объектом расчета является группа помещений в неком здании, например, в Сочи или Баку, расчет произведем только на теплый период:

Параметры наружного воздуха:
температура наружного воздуха в теплый период, с обеспеченностью 0,98 – 32°С;
энтальпия наружного воздуха в теплый период года – 69 кДж/кг;
Параметры внутреннего воздуха:
температура внутреннего воздуха – 21°С;
относительная влажность внутреннего воздуха – 40-60%.

Требуемый расход воздуха на ассимиляцию вредностей в этой группе помещений составляет 35000 м³/ч. Луч процесса помещения – 6800 кДж/кг.
Схема воздухораспределения в помещениях – «снизу-вверх» низкоскоростными воздухораспределителями. В связи с этим (расчет прикладывать не будем, т.к. он объёмен и выходит за рамки темы статьи, всё необходимое у нас есть), параметры приточного и удаляемого воздуха следующие:

1. Приточный:
температура – 20°С;
относительная влажность – 42%.
2. Удаляемый:
температура – 25°С;
относительная влажность – 37%

Построим процесс на I-d диаграмме (рис. 1).
Сначала обозначим точку с параметрами внутреннего воздуха (В), затем проведём через неё луч процесса (обратим внимание, что для данного оформления диаграмм, начальной точкой луча являются параметры t=0°C, d=0 г/кг, а направление указывается рассчитанным значением (6800 кДж/кг) указанным на кромке, далее полученный луч переносится на параметры внутреннего воздуха, сохраняя угол наклона).
Теперь, зная температуры приточного и вытяжного воздуха, мы определяем их точки, находя пересечения изотерм с лучом процесса соответственно. Процесс строим от обратного, для того, чтобы получить заданные параметры приточного воздуха опускаем отрезок – нагрев – по линии постоянного влагосодержания до кривой относительной влажности φ=95% (отрезок П-П1).
Подбираем конденсационный ротор, утилизирующий тепло удаляемого воздуха на нагрев П-П1. Получаем коэффициент полезного действия (считается по температуре) ротора порядка 78% и рассчитываем температуру удаляемого воздуха У1. Теперь, подберём энтальпийный ротор, работающий на охлаждение наружного воздуха (Н) полученными параметрами У1.
Получаем, коэффициент полезного действия (считается по энтальпии) порядка 81%, параметры обработанного воздуха на притоке Н1, и на вытяжке У2. Зная параметры Н1 и П1, можно подобрать воздухоохладитель, мощностью 332 500 Вт.

Изобразим вентиляционную установку схематично с рекуператорами (рис. 2).

Теперь, для сравнения, подберём другую систему, на те же параметры, но другой комплектации, а именно: установим один конденсационный ротор.

Теперь (рис. 3) нагрев П-П1 осуществляется электрическим воздухонагревателем, а конденсационный ротор обеспечит следующее: эффективность порядка 83%, температура обработанного приточного воздуха (Н1) – 26°С. Подберём воздухоохладитель на требуемую мощность 478 340 Вт.

Нужно отметить, что для системы 1 требуется меньше мощности на охлаждение и, в добавок к этому, не требуется дополнительных затрат энергоносителя (в данном случае – переменный ток) для второго подогрева воздуха. Сделаем сравнительную таблицу:

Резюмируя

Мы наглядно видим различия работы конденсационного и энтальпийного роторов, экономию энергозатрат, связанных с этим. Однако, стоит отметить, что принцип системы 1 может быть организован только для южных, жарких городов, т.к. при рекуперации тепла в холодный период, показатели энтальпийного ротора не сильно отличаются от конденсационного.

Производство вентиляционных установок с роторными рекуператорами

Компания "Аиркат Климатехник" много лет успешно осуществляет разработку, проектирование, производство и инсталляции приточно-вытяжных установок с роторными рекуператорами. Мы предлагаем современные и нестандартные технические решения, которые работают даже при самом сложном алгоритме эксплуатации и экстремальных условиях.

Для того, чтобы получить предложение на систему вентиляции или кондиционирования, просто обратитесь в любой из

Сегодня энергосбережение является приоритетным направлением развития мировой экономики. Истощение естественных энергетических запасов, повышение стоимости тепловой и электрической энергии неминуемо приводит нас к необходимости разработки целой системы мероприятий, направленных на повышения эффективности работы энергопотребляющих установок. В этом контексте снижение потерь и вторичное использования затрачиваемой тепловой энергии становится действенным инструментом в решении поставленной проблемы.

В условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов все большее внимание привлекает проблема дальнейшего совершенствования систем кондиционирования воздуха как крупных потребителей тепловой и электрической энергии. Важную роль в решении этой задачи призваны сыграть мероприятия по повышению эффективности работы тепломассообменных аппаратов, составляющих основу подсистемы политропной обработки воздуха, затраты на функционирование которой достигают 50 % всех затрат на эксплуатацию СКВ.

Утилизация тепловой энергии вентиляционных выбросов является одним из ключевых методов экономии энергетических ресурсов в системах кондиционирования воздуха и вентиляции зданий и сооружений различного назначения. На рис. 1 приведены основные схемы утилизации теплоты вытяжного воздуха, реализуемые на рынке современного вентиляционного оборудования.

Анализ состояния производства и применения теплоутилизационного оборудования за рубежом указывает на тенденцию преимущественного использования рециркуляции и четырех типов утилизаторов теплоты вытяжного воздуха: вращающихся регенеративных, пластинчатых рекуперативных, на базе тепловых труб и с промежуточным теплоносителем. Применение этих устройств зависит от условий работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха, экономических соображений, взаимного расположения приточных и вытяжных центров, эксплуатационных возможностей .

В табл. 1 приведен сравнительный анализ различных схем утилизации теплоты вытяжного воздуха. Среди основных требований со стороны инвестора к теплоутилизационным установкам следует отметить: цену, эксплуатационные затраты и эффективность работы. Наиболее дешевые решения характеризуются простотой конструкции и отсутствием движущихся частей, что позволяет выделить среди представленных схем установку с перекрестноточным рекуператором (рис. 2) как наиболее соответствующую для климатических условий европейской части России и Польши.

Исследования последних лет в области создания новых и совершенствования существующих теплоутилизационных установок систем кондиционирования воздуха указывают на отчетливую тенденцию разработки новых конструктивных решений пластинчатых рекуператоров (рис. 3), решающим моментом при выборе которых является возможность обеспечения режимов безаварийной работы установки в условиях конденсации влаги при отрицательных температурах наружного воздуха.

Температура наружного воздуха, начиная с которой наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха, зависит от следующих факторов: температуры и влажности удаляемого воздуха, отношения расходов приточного и удаляемого воздуха, конструктивных характеристик. Отметим особенность работы теплоутилизаторов при отрицательных температурах наружного воздуха: чем выше эффективность теплообмена, тем больше опасность появления инея на поверхности каналов вытяжного воздуха.

В связи с этим низкая эффективность теплообмена в перекрестноточном теплоутилизаторе может оказаться преимуществом с точки зрения снижения опасности обледенения поверхностей каналов вытяжного воздуха. Обеспечение безопасных режимов как правило связано с реализацией следующих традиционных мер по предотвращению обмерзания насадки: периодическое отключение подачи наружного воздуха, его байпасирование или предварительный подогрев, осуществление которых безусловно снижает эффективность утилизации теплоты вытяжного воздуха .

Одним из путей решения этой проблемы является создание теплообменных аппаратов, в которых обмерзание пластин либо отсутствует, либо наступает при более низких температурах воздуха. Особенностью работы воздухо-воздушных утилизаторов теплоты является возможность реализации процессов тепломассопереноса в режимах «сухого» теплообмена, одновременного охлаждения и осушения удаляемого воздуха с выпадением конденсата в виде росы и инея на всей или части теплообменной поверхности (рис. 4).

Рациональное использование теплоты конденсации, величина которой при определенных режимах работы теплоутилизаторов достигает 30 %, позволяет существенно увеличить диапазон изменения параметров наружного воздуха, при которых обледенение теплообменных поверхностей пластин не происходит. Однако решение задачи определения оптимальных режимов работы рассматриваемых теплоутилизаторов, соответствующих определенным эксплуатационным и климатическим условиям, и области его целесообразного применения, требует детальных исследований тепломассообмена в каналах насадки с учетом процессов конденсации и инееобразования.

В качестве основного метода исследования выбран численный анализ. Он обладает и наименьшей трудоемкостью, и позволяет определить характеристики и выявить закономерности процесса на основании обработки информации о влиянии исходных параметров. Поэтому экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в рассматриваемых аппаратах проводились в значительно меньшем объеме и, в основном, для проверки и корректировки зависимостей, полученных в результате математического моделирования.

При физико-математическом описании тепломассообмена в исследуемом рекуператоре было отдано предпочтение одномерной модели переноса (ε-NTUмодель). В этом случае течение воздуха в каналах насадки рассматривается как поток жидкости с постоянными по его сечению скоростью, температурой и потенциалом массопереноса, равными среднемассовым значениям . С целью повышения эффективности утилизации теплоты в современных теплообменниках используется оребрение поверхности насадки.

Тип и расположение ребер значительно влияет на характер протекания процессов тепломассообмена. Изменение температуры по высоте ребра приводит к реализации различных вариантов процессов тепломассообмена (рис. 5) в каналах удаляемого воздуха, что существенно усложняет математическое моделирование и алгоритм решения системы дифференциальных уравнений.

Уравнения математической модели процессов тепломассопереноса в перекрестно-точном теплообменнике реализуются в ортогональной системе координат с осями ОX и ОY, направленными параллельно потокам холодного и теплого воздуха соответственно, и осями Z1 и Z2, перпендикулярной поверхности пластин насадки в каналах приточного и удаляемого воздуха (рис. 6), соответственно.

В соответствии с допущениями данной ε-NTU-модели тепломассоперенос в исследуемом утилизаторе описывается дифференциальными уравнениями теплового и материального балансов, составляемых для взаимодействующих потоков воздуха и насадки с учетом теплоты фазового перехода и термического сопротивления образующегося слоя инея. Для получения однозначного решения система дифференциальных уравнений дополняется граничными условиями, устанавливающими значения параметров обменивающихся сред на входах в соответствующие каналы рекуператора.

Сформулированная нелинейная задача не может быть решена аналитически, поэтому интегрирование системы дифференциальных уравнений осуществлялось численными методами. Достаточно большой объем проведенных численных экспериментов, проведенных на ε-NTU-моделе, позволил получить массив данных, который был использован для анализа характеристик процесса и выявления его общих закономерностей.

В соответствии с задачами исследования работы теплоутилизатора выбор изучаемых режимов и диапазоны варьирования параметров обменивающихся потоков осуществлялся так, чтобы наиболее полно моделировались реальные процессы тепломассообмена в насадке при отрицательных значениях температуры наружного воздуха, а также условия протекания наиболее опасных с точки зрения эксплуатации вариантов режимов работы теплоутилизационного оборудования.

Представленные на рис. 7-9 результаты расчета режимов работы исследуемого аппарата, характерных для климатических условий с низкой расчетной температурой наружного воздуха в зимний период времени года, позволяют судить о качественно ожидавшейся возможности образования трех зон активного тепломассообмена в каналах удаляемого воздуха (рис. 6), отличающихся по характеру протекающих в них процессов.

Анализ тепломассообменных процессов, протекающих в этих зонах, позволяет оценить возможные пути реализации эффективного улавливания теплоты удаляемого вентиляционного воздуха и снижения опасности образования инея в каналах насадки теплообменника на основе рационального использования теплоты фазового перехода. На основании проведенного анализа установлены граничные температуры наружного воздуха (табл. 2), ниже которых наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха.

Выводы

Представлен анализ различных схем утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Отмечены преимущества и недостатки рассмотренных (существующих) схем утилизации теплоты вытяжного воздуха в установках вентиляции и кондиционирования воздуха. На основе проведенного анализа предложена схема с пластинчатым перекрестноточным рекуператором:

• на базе математической модели разработан алгоритм и программа расчета на ЭВМ основных параметров тепломассообменных процессов в исследуемом теплоутилизаторе;
• установлена возможность образования различных зон конденсации влаги в каналах насадки утилизатора, в пределах которых характер тепломассообменных процессов существенно меняется;
• анализ полученных закономерностей позволяет установить рациональные режимы работы исследуемых аппаратов и области их рационального использования для различных климатических условий российской территории.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ

Условные обозначения: h реб — высота ребра, м; l реб — длина ребра, м; t — температура, °C; d — влагосодержание воздуха, кг/кг; ϕ — относительная влажность воздуха, %; δ реб — толщина ребра, м; δ ин — толщина слоя инея, м.

Индексы: 1 — наружный воздух; 2 — удаляемый воздух; e — на входе в каналы насадки; р еб — ребро; ин — иней, o — на выходе из каналов насадки; рос — точка росы; sat — состояние насыщения; w — стенка канала.

Описание:

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.

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 теплот ы. 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:

1. гибко регулировать воздушно-тепловой режим в зависимости от варианта эксплуатации квартиры, в том числе с использованием рециркуляционного воздуха;
2. защиты от городского, внешнего шума (при использовании герметичных светопрозрачных ограждений);
3. очистки приточного воздуха с помощью высокоэффективных фильтров.

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.

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.

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.