Способы рекуперативного теплообмена в системах вентиляции и кондиционирования

Введение

Больший процент общих энергетических потерь связан с потерями на кондиционирование воздуха и вентиляцию.

По различным источникам доля таких потерь может превышать 50 %. Необходимость в исследовании путей энергосбережения становится из года в год все актуальнее.

Для организации энергосберегающей вентиляции широко применяются теплобменники, различающиеся по своему назначению и параметрам использования.

Данная статья носит обзорный характер и направлена на знакомство читателя с использованием рекуперативного теплообмена в системах кондиционирования воздуха и вентиляции.

Это позволит сформулировать требования к эффективным конструкциям аппаратов, а также определить оптимальные режимы их эксплуатации.

Понятие рекуперации и принцип работы теплообменника

В процессе вентилирования из помещения утилизируется не только отработанный воздух, но и часть тепловой энергии. Зимой это приводит к увеличению счетов на энергоресурсы.

Сократить неоправданные расходы, не в ущерб воздухообмену, позволит рекуперация тепла в системах вентиляции централизованного и локального типа. Для регенерации тепловой энергии используются разные виды теплообменников – рекуператоры.

Рекуперация означает возмещение или обратное получение.

По отношению к теплообменным реакциям, рекуперация характеризуется как, частичный возврат энергии, использованной на проведение технологического действия с целью применения в том же процессе повторно.

В вентиляционной системе рекуперация используется для экономии тепловой энергии.

Аналогично происходит рекуперация охлаждения в теплое время года– теплые приточные массы нагревают отработанный воздух, и их температура понижается.

Регенерация энергии происходит в рекуперационном теплообменнике. Устройство состоит из теплообменного элемента и вентиляторов, служащих для перекачивания разнонаправленных воздушных потоков.

Система автоматики предусматривается для контроля процесса и качества подачи воздуха.

Во влагосодержащих помещения, через вытяжки, производится отток обрабатываемого воздуха до стадии полного удаления из помещения, воздух проходит через рекуператор и отдает ему часть тепла. Подаваемый воздух двигается в обратном направлении, нагревается через теплообменник и подается в помещения.

Целесообразность рекуператора в системах вентиляции

Для того, чтобы говорить о целесообразности использования реукперативного теплообмена в системах вентиляции, необходимо оценить ее эффективность и сопоставить все плюсы и минусы.

Использование данной технологии в первую очередь актуально для зданий с принудительным выводом воздуха. Как правило, это малоинерционные постройки, возведенные с использованием инновационных теплоизоляционных технологий.

В таких строениях характерна плохая аккумуляция для стен и естественных воздухообмен малоэффективен.

Проблемы с циркуляцией воздуха характерны и для построек из кирпича и бетона. Использование герметичных тепло-звукоизолирующих ПВХ-окон блокирует циркуляцию с естественным побуждением, следовательно, приток свежего воздуха становится минимальным.

Эффективность теплообменного процесса как правило выражается в процентах и показывает количество затраченного тепла от вытяжного воздуха на обогрев приточного воздуха.

Коэффициент полезного действия вентиляционной рекуперации тепла бывает трех видов:

• 0% – теплый воздух удаляется из помещения наружу, холодный воздух попадает в помещение, тем самым понижая температуру внутри;
• 100% – приточный воздух разогревается до температуры отработанного воздуха (технически реализовать невозможно);
• 30-90% – допустимый параметр эффективности рекуперации.

Эффективность системы зависит от расхода воздуха, типа рекуператора и размеров помещения. Использование рекуперационной системы теплообмена даже с невысоким КПД 30% выгоднее, чем полное ее отсутствие. Кроме экономии энергии, «регенерация» тепла улучшает общий микроклимат в помещении.

Но у рекуперационных теплообменников есть ряд существенных недостатков:

• Энергозависимость. Установка оборудования целесообразна, если потребление энергии меньше, чем экономия после установки рекуператора.
• Выпадение конденсата. Из-за разности температур внутри теплообменника может образовываться влага. В холодное время года есть возможность образования обледенения, что может вывести рекуператор из строя или значительно снизить КПД установки.
• Шумная работа. Многие модели издают шум в процессе эксплуатации.
• Долгая окупаемость. Целесообразно вкладывать капитал в систему, окупаемостью 5-8 лет. Могут потребоваться дополнительные расходы во время службы.

Виды теплообменников и их особенности

От особенностей конструкции рекуператора зависит схема движения теплоносителя, энергопотребление, эффективность системы и ее стоимость. На данный момент существует пять видов теплообменников: пластинчатый, роторный, камерные устройства, тепловые трубки и модели с промежуточным теплоносителем.

Пластинчатый рекуператор.

Основной частью теплообменника служит герметичная камера с множеством параллельных воздуховодов. Каналы разделены теплопроводящими пластинами, использующимися как перегородки. Волнообразные пластины спроектированы в одном блоке таким образом, чтобы каналы располагались перекрестно, и внутри образовывалась турбулентность, улучшающая теплообмен. Потоки газов движутся друг к другу, пересекаясь в камере рекуператора, но не перемешиваются. Теплообмен совершается за счет одновременного нагрева и охлаждения пластин с разных сторон. Коэффициент полезного действия пластинчатого теплообменника 40-70%.

Плюсами пластинчатого теплообменника являются:

• удобность монтажа;
• приемлемая стоимость и компактные размеры;
• отсутствие контакта воздушных масс.

Основным недостатком данного рекуператора является формирование конденсата в вытяжной системе, что может привести к образованию наледи зимой. Данная проблема может быть решена предварительным подогревом поступающего воздушного потока до температуры, при которой невозможно образование наледи, либо использование материалов, впитывающих влагу из отработанных воздушных масс (гигроскопическая целлюлоза).

Отдельное внимание стоит обратить на материал пластин. Их характеристики зависят от материала.

Алюминиевая фольга – неограниченная производительность в холодное время года, экономичная цена. Отлично подходят для помещений с повышенной влажностью.

Пластиковые перегородки – улучшенная эффективность работы в отличии от металлических изделий.

Целлюлозный теплообменник – поддерживает оптимальное влагосодержание внутри помещения и препятствует обмерзанию.

Роторный рекуператор.

Теплообменник представляет собой цилиндр, заполненный слоями гофрированного металла. При вращении барабанной установки, отсеки заполняются теплым и холодным воздухом поочередно. Один участок Вала нагревается обратным потоком воздуха, барабан приходит в движение и тепло перенаправляется к холодным воздушным потокам, сосредоточенным в соседнем канале. КПД данной установки определяется скоростью вращения ротора, следовательно, эффективность работы можно регулировать.

К плюсам использования роторного рекуператора можно отнести большой процент возврата тепла (до 65-80%), хорошую экономичность из-за малого расхода электроэнергии и малый период окупаемости.

Но данный вид рекуператора имеет ряд существенных минусов:

• Сложность конструкции. Вращающиеся части активно стираются и нуждаются в регулярном обслуживании. Установка издает шум и вибрации.
• Через каналы циркулируют приточные и вытяжные каналы, поэтому около 10% отработанного воздуха возвращается обратно.
• Высокая стоимость среди конкурентов.

Из-за своих особенностей данный вид теплообменников используется в основном на промышленных предприятиях.

Связанные теплообменники.

Представляет собой систему из установок, в которой один теплообменник врезается в приточный канал, второй врезается в вытяжку. В системе присутствует циркуляционный насос, расширительный бак, температурные датчики, датчики давления, воздушный клапан и контроллер. Гликолевая жидкость циркулирует между теплообменниками. Температура теплоносителя увеличивается благодаря температуре удаляемого воздуха, а затем тепловая энергия передается поступающему воздуху.

Плюсами данной системы является возможность регулирования эффективности работы системы за счет насоса. Монтаж связанных теплообменников может осуществляться вариативно (есть возможность использования нескольких вытяжек и притоков). КПД системы составляет 45-55%.

Объемы поступающего и удаляемого воздуха должны быть приблизительно равны. Данный вид теплообменников целесообразно использовать при токсичных или сильно загрязненных притоках, когда смешивание потоков воздуха недопустимо.

Камерные рекуператоры.

Представляет собой закрытый короб, разделенный двигающейся заслонкой внутри. Отток проходит вдоль одного канала, в то время как приток попадает во вторую камеру.

В теплообменнике теплые массы нагревают стенки отсека.

После заслонка сдвигается и поток воздуха меняется направления, в результате чего, приток двигается вдоль теплых стенок первого воздуховода, а отработанный воздух нагревает поверхность второй камеры. В какой-то момент перегородка снова сдвигается и цикл повторяется.

Преимущества камерного теплообменника:

• высокий КПД 80-90%;
• простота монтажа;
• сравнительно малый расход;
• сохранения уровня влажности.

К недостаткам камерного теплообменника относится необходимость постоянного обслуживания подвижных элементов системы.

Тепловые трубки.

Рекуператор состоит из большого количества алюминиевых и медных трубок, заполненных легкоиспаряющимся веществом.

Принцип работы установки основан на изменении состояния вещества при нагревании. Исходящие потоки огибают конец трубки, расположенной горизонтально теплообменника, фреон нагревается, вскипает и выпаривается, газ поднимается и отдает тепловую энергию притоку, вещество внутри трубок конденсируется и стекает вниз рекуператора. Термический цикл повторяется. Эффективность трубчатого теплообменника 45-65 %.

Основными преимуществами данного типа теплообменников являются бесшумность работы в связи с отсутствием движущихся элементов, небольшие габариты и неприхотливость в обслуживании.

Но у данной установки есть два существенных минуса. Высокий уровень КПД достигается при узком температурном диапазоне, при резком перегреве жидкость внутри трубок быстро испаряется, а при недостатке нагрева интенсивность парообразования замедляется.

Трубки имеют слабую прочность, изменения их формы или разгерметизация может привести к снижению работоспособности оборудования.

Заключение

Мировые развития систем вентиляции и кондиционирования воздуха все чаще ищет возможности экономии энергии и эффективное ее использование. Через вентиляционные системы уходит 25-35% тепла.

Для сокращения потерь и улучшения теплоизоляции принято использовать теплообменные аппараты. В данной статье были представлены основные понятия рекуперации и принципы работы теплообмена. Был поставлен и разобран вопрос целесообразности использования подобных систем. Были предоставлены основные виды теплообменников и их особенности.

В заключение хотелось бы отметить, что последнее время в России вопрос энергосбережения становится все более активным, применяются соответствующие политики, граждан знакомят с основными принципами и путями экономии энергии.