Рис. 1. Удельная стоимость систем в зависимости от расхода воздуха
Рис. 2. Температурная эффективность систем в зависимости от расхода воздуха
Рис. 3. Зависимость удельной экономии энергии от расхода воздуха
Рис. 4. Срок окупаемости рекуператоров в зависимости от расхода воздуха
Табл. 1. Стоимость энергии в зависимости от вида теплоносителя
Рекуператоры воздуха в системах вентиляции — это устройства, позволяющие утилизировать теплоту воздуха, выбрасываемого из здания вытяжными системами. Следует отметить, что в зависимости от назначения зданий до 80 % вентиляционных выбросов возможно использовать для целей утилизации тепла. В соответствии с требованиями действующих норм по энергосбережению (пункт 11.3 [1]) проектирование систем вентиляции необходимо осуществлять с использованием вторичных энергетических ресурсов.
Наиболее известны следующие типы рекуператоров: пластинчатые (перекрестноточные), роторные, гликолевые, каскад перекрестноточных рекуператоров, полимерные мембранные. Несмотря на то, что в настоящее время рекуператоры получают все большее распространение, по Поволжскому региону (по данным производителей приточного оборудования) менее трети продаваемых приточных установок оснащаются рекуператорами.
Невысокая стоимость энергоносителей, сложившаяся практика проектирования и неуверенность инвесторов в стабильности являются существенным препятствием для применения рекуператоров. Основным критерием применения рекуператоров является расчет срока окупаемости. Срок окупаемости зависит от многих параметров, и, как правило, индивидуален для каждого случая.
Поэтому расчет срока окупаемости каждой системы является весьма трудоемким занятием [2–4], требующим большого количества исходных данных. В то время как принятие и обоснование решения о применении утилизации тепла делается на начальной стадии проектирования, когда необходимые данные в большинстве случаев ориентировочны или отсутствуют. Расчеты окупаемости, выполняемые поставщиками оборудования, носят больше рекламный характер или не предоставляются совсем, а предлагают довольствоваться стоимостью рекуператора и его температурной эффективностью.
В этой статье предлагается метод экспресс-оценки сроков окупаемости наиболее распространенных пластинчатых и роторных рекуператоров на ранних стадиях проектирования или на стадии обоснования инвестиций. Факторы, влияющие на срок окупаемости, условно можно разделить на факторы первого и второго порядков. К факторам первого порядка отнесем те, которые значительно влияют на срок окупаемости и которыми нельзя пренебречь: стоимость рекуператора; расход воздуха в системе; тип рекуператора; температурная эффективность рекуператора; тип теплоносителя; время работы системы.
К факторам второго порядка относятся следующие: затраты мощности на привод вентиляторов от увеличения сопротивления из-за утилизатора и дополнительного фильтра; затраты на обслуживание рекуператора и дополнительного фильтра; зависимость температурного КПД от влажности внутреннего воздуха; вероятность конденсации влаги на рекуператоре и связанные с этим потери эффективности на оттайку рекуператора, байпасирование или «преднагрев»; косвенные затраты, связанные с большими размерами теплообменника; погрешность при усреднении климатических параметров; необходимость контроля влажности приточной установкой.
Для возможности унификации оценки сроков окупаемости мы предлагаем вывести зависимости удельных затрат и удельной экономии энергии от расходов воздуха в ограниченном диапазоне. На основании известной стоимости приточных установок и имеющегося опыта работы выбран наиболее используемый диапазон расходов приточных систем, находящийся в пределах 10–45 тыс. м3/ч.
Рассмотрим основные факторы более подробно. Стоимость приточной установки и температурный коэффициент эффективности рекуператора зависят от расхода воздуха в системе. Для оценки этих зависимостей были обработаны данные по приточным установкам фирмы VTS. Зависимости удельной стоимости приточной установки и эффективности рекуператоров от расхода представлены на рис. 1 и 2. Из рис. 1 видно, что с увеличением расхода разница в стоимости пластинчатого и роторного рекуператора уменьшается.
Некоторая «волнистость» графиков объясняется тем, что типоразмер приточной установки изменяется ступенчато и при переходе на следующий типоразмер стоимость оборудования значительно возрастает. Температурная эффективность роторных рекуператоров заметно выше, чем пластинчатых. Кроме того, в роторных рекуператорах происходит некоторый влагоперенос из вытяжного воздуха в приточный, что повышает тепловую эффективность, когда расчет ведется по полному теплу.
Надо понимать, что заявленная производителем температурная эффективность, например 85 %, определена при идеальных с точки зрения рекуперации условиях, фактически же в реальных условиях она значительно ниже. На температурную эффективность оказывают значительное влияние параметры внутреннего и наружного воздуха. Удельная экономия энергии для разных типов рекуператоров представлена на рис. 3. Очевидно, что для всего исследуемого промежутка экономия энергии для роторных рекуператоров выше, чем для пластинчатых.
Ключевым фактором для расчета срока окупаемости является стоимость энергии, используемой для нагрева воздуха. Для Самарской области стоимость 1 кВт в зависимости от вида теплоносителя и формы собственности представлена в табл. 1. Из таблицы видно, что при прочих равных параметрах срок окупаемости рекуператора при использовании электронагрева воздуха будет в семь раз меньше, чем при использовании газа.
При расчете общей эффективности процесса рекуперации необходимо учитывать не только регенерируемую мощность, но и затраты электроэнергии на привод приточного и вытяжного вентиляторов, связанные с увеличением сопротивления из-за наличия утилизатора и дополнительного фильтра. И последним значимым фактором является число часов работы вентиляционных систем, которое зависит от сменности работы.
Поэтому расчет окупаемости должен быть выполнен как для односменной, так и для двухсменной рабочей недели. Ниже представлены графики, выполненные для односменной рабочей неделе. Итогом проведенного исследования являются зависимости срока окупаемости от типа рекуператора, его производительности и вида теплоносителя, представленные на рис. 4. Следует отметить, что изменение какого-либо из параметров первого уровня может значительно изменить и сроки окупаемости рекуператора.
Параметры второго уровня на сроки окупаемости влияют в меньшей степени, но в совокупности могут тоже дать значительные изменения. Косвенные затраты, такие как эксплуатационные затраты на дополнительные фильтры и рекуператоры, увеличение размеров вентиляционных камер и связанные с этим затраты, увеличение протяженности вытяжных воздуховодов, индивидуальны на каждом объекте. Учесть их на ранних стадиях проектирования весьма трудоемко, а влияние на срок окупаемости невелико.
