Энергоэффективные системы вентиляции здания с рекуперацией тепла

Под рекуперацией подразумевается процесс утилизации тепла внутреннего вытяжного воздуха с температурой t_в, выбрасываемого в холодный период с высокой температурой на улицу, для нагрева приточного наружного воздуха.

Процесс утилизации тепла происходит в специальных утилизаторах теплоты: пластинчатых рекуператорах, вращающихся регенераторах, а также в теплообменных аппаратах, устанавливаемых отдельно в воздушных потоках с различной температурой (в вытяжных и приточных установках) и соединяемых промежуточным теплоносителем (гликолем, этиленгликолем). Последний вариант наиболее актуален в случае, когда приток и вытяжка разнесены по высоте здания, например, приточная установка установлена в подвале, а вытяжная в чердачном помещении, однако эффективность рекуперации таких систем значительно меньше (30–50 % в сравнении с ПВУ в одном корпусе).

Пластинчатые рекуператоры представляют собой кассету, в которой каналы приточного и вытяжного воздуха разделены между собой листами алюминия. Между приточным и вытяжным воздухом через эти листы происходит теплообмен — внутренний вытяжной воздух через пластины рекуператора нагревает наружный приточный воздух. При этом процесса смешения воздуха не происходит (рис. 1).

В роторных рекуператорах передача тепла от вытяжного воздуха приточному осуществляется через вращающийся цилиндрический ротор, состоящий из пакета тонких металлических пластин (рис. 2). 

В процессе работы роторного рекуператора вытяжной воздух нагревает пластины, а затем эти пластины перемещаются в поток холодного наружного воздуха и нагревают его. Однако в узлах разделения потоков из-за их негерметичности происходит переток вытяжного воздуха в приточный. Процент перетока может быть от 5 до 20 % в зависимости от качества оборудования.

Для достижения поставленной цели — приблизить здание ФГАУ «НИИ ЦЭПП» к стандарту «пассивного дома» — в ходе долгих обсуждений и расчётов было принято решение установить приточно-вытяжные вентиляционные установки с рекуператором российского производителя энергосберегающих климатических систем — компании Turkov.

Компания Turkov производит приточно-вытяжные установки для следующих регионов Российской Федерации:

• для центрального региона России (оборудование с двухступенчатой рекуперацией, которое стабильно работает при температуре до –25 °C и отлично подходит для климата данного региона);
• для Сибири (оборудование с трёхступенчатой рекуперацией стабильно работает до –35 °C и отлично подходит для климата Сибири, однако часто применяется и в центральном регионе России);
• для Крайнего Севера (оборудование с четырёхступенчатой рекуперацией стабильно работает при температуре до –45 °C, отлично подходит для экстремально холодного климата и применяется в самых суровых регионах России).

КПД установок с двухступенчатой рекуперацией составляет 65–75 %, установок с трёхступенчатой рекуперацией — 80–85 %, а КПД установок с четырьмя ступенями рекуперации достигает 90 %.

Традиционные учебные пособия, основанные на старой инженерной школе, критикуют фирмы, которые заявляют о высокой эффективности пластинчатых рекуператоров. Обосновывают они это тем, что достичь данное значение коэффициента полезного действия возможно только при использовании энергии от абсолютно сухого воздуха, а в реальных условиях при относительной влажности удаляемого воздуха в = 20–40 % (в зимний период) уровень использования энергии сухого воздуха ограничен.

Однако в приточно-вытяжной установке Turkov используется энтальпийный пластинчатый рекуператор, в котором вместе с переносом неявного тепла из вытяжного воздуха приточному также переносится и влага.

Рабочая область энтальпийного рекуператора выполнена из полимерной мембраны, которая пропускает молекулы водяного пара из вытяжного (увлажнённого) воздуха и передаёт приточному (сухому). Смешения вытяжного и приточного потоков в рекуператоре не происходит, так как влага пропускается через мембрану посредством диффузии (рис. 3) из-за разницы концентраций пара с двух сторон мембраны.

Размеры ячеек мембраны таковы, что пройти через неё может только водяной пар. Для пыли, загрязняющих веществ, капель воды, бактерий, вирусов и запахов мембрана является непреодолимой преградой (в силу соотношения размеров «ячеек» мембраны и остальных веществ, как это показано рис. 4).

Энтальпийный рекуператор, по сути, является пластинчатым рекуператором, в котором вместо алюминия используется полимерная мембрана. Поскольку теплопроводность пластины мембраны меньше, чем у алюминия, то требуемая площадь энтальпийного рекуператора значительно больше площади аналогичного алюминиевого рекуператора. С одной стороны, это увеличивает габариты оборудования, с другой — позволяет передавать большой объём влаги, и именно благодаря этому получается добиться высокой морозостойкости рекуператора и стабильной работы оборудования при сверхнизких температурах (рис. 5).

В зимнее время (уличная температура ниже –5 °C), если влажность вытяжного воздуха превышает 30 % (при температуре вытяжного воздуха 22–24 °C), в рекуператоре вместе с процессом передачи влаги в приточный воздух происходит процесс накопления влаги на пластине рекуператора. Поэтому необходимо периодическое отключение приточного вентилятора и высушивание гигроскопического слоя рекуператора вытяжным воздухом.

Длительность, периодичность и температура, ниже которой требуется процесс просушки, зависят от ступенчатости рекуператора, температуры и влажности внутри помещения. Наиболее часто используемые настройки просушки рекуператора приведены в табл. 1.

Просушка рекуператора требуется только при установке систем увлажнения воздуха или при работе оборудования с большими систематичными влагопритоками. При стандартных параметрах внутреннего воздуха режим просушки не требуется.

Материал рекуператора проходит обязательную антибактериальную обработку, поэтому не накапливает загрязнения.

В данной статье в качестве примера административного здания рассмотрено типичное пятиэтажное здание ФГАУ «НИИ ЦЭПП» после намечаемой реконструкции данного объекта. Для этого здания был определён расход приточного и вытяжного воздуха в соответствии с нормами воздухообмена в административных помещениях для каждого помещения здания [2]. Суммарные значения расходов приточного и вытяжного воздуха по этажам здания приведены в табл. 2.

В лабораториях «НИИ ЦЭПП» ПВУ работают по специальному алгоритму с компенсацией вытяжки из вытяжных шкафов (при включении шкафа вытяжка ПВУ автоматически уменьшается на величину вытяжки шкафа).

На основе расчётных расходов был произведён выбор приточно-вытяжных установок Turkov. Каждый этаж будет обслуживаться своей ПВУ Zenit Heco SW и Zenit Heco MW с трёхступенчатой рекуперацией, характеризуемой КПД до 85 %. Вентиляция первого этажа осуществляется приточно-вытяжными установками, которые установлены в подвале и на втором этаже. Вентиляция остальных этажей (кроме лабораторий на четвёртом и третьем этажах) обеспечивается ПВУ на техническом этаже.

Внешний вид приточно-вытяжной установки Zenit Heco SW приведён на рис. 6. В табл. 3 перечислены технические данные для каждой ПВУ установки. Установка Zenit Heco SW включает в себя: корпус с теплои шумоизоляцией; приточный вентилятор; вытяжной вентилятор; приточный фильтр; вытяжной фильтр; трёхступенчатый рекуператор; водяной нагреватель; смесительный узел; автоматика с комплектом датчиков; проводной пульт управления.

Функциональная схема приточно-вытяжной установки Zenit Heco SW приведена на рис. 7. Компоновка оборудования Zenit Heco SW приведена на рис. 8.

Важным плюсом данной ПВУ является возможность монтажа оборудования как вертикально, так и горизонтально под потолком, что применяется в рассматриваемом здании. Также возможно располагать оборудование в холодных зонах (чердаках, гаражах, техпомещениях и т.д.) и на улице, что весьма актуально при реставрациях и реконструкциях зданий.

Zenit Heco MW — это небольшие современные приточно-вытяжные установки с рекуперацией тепла и влаги с водяным нагревателем и смесительным узлом в лёгком и универсальном корпусе из вспененного полипропилена, предназначенные для поддержания климата в небольших помещениях, квартирах и домах. Подробное описание установки можно найти на сайте компании Turkov [3].

Компания Turkov также самостоятельно разработала и производит в России автоматику Monocontroller для вентиляционного оборудования. Данная автоматика используется в ПВУ Zenit Heco SW. Контроллер управляет электронно-коммутируемыми вентиляторами по линии Modbus, что позволяет следить за работой каждого вентилятора.

Контроллер также управляет водяными нагревателями и охладителями для точного поддержания температуры подаваемого воздуха как в зимний, так и в летний периоды. Для контроля уровня углекислого газа в конференц-зале и переговорных автоматика оснащается специальными датчиками CO₂ — оборудование следит за концентрацией углекислого газа и автоматически изменяет расход воздуха, подстраиваясь под количество людей в помещении для поддержания требуемого качества воздуха, тем самым уменьшая теплопотребление оборудования.

Полностью комплектная система диспетчеризации позволяет максимально просто организовать диспетчерский пункт. А система удалённого мониторинга позволит следить за оборудованием из любой точки мира.

Возможности пульта управления: часы, дата; три скорости вентилятора; отображение состояния фильтра в реальном времени; недельный таймер; установка температуры приточного воздуха; отображение неисправностей на дисплее.

Для оценки эффективности установки в рассматриваемом здании приточно-вытяжных установок Zenit Heco SW с рекуперацией определим расчётные, средние и годовые нагрузки на систему вентиляции, а также расходы в рублях за холодный период, тёплый период и за весь год для трёх вариантов ПВУ:

1. Приточно-вытяжная установка с рекуперацией Zenit Heco SW (КПД рекуператора составляет 85 %).

2. Прямоточная приточно-вытяжная установка (то есть установка без рекуператора).

3. Обычная приточно-вытяжная установка, то есть с КПД возврата тепла 50 %.

Нагрузка на систему вентиляции — это нагрузка на воздухонагреватель, который догревает (в холодный период) или охлаждает (в тёплый период) приточный воздух, поступающий из рекуператора. В прямоточной ПВУ воздух нагревается в нагревателе от начальных параметров, соответствующих параметрам наружного воздуха в холодный период, а в тёплый период — охлаждается.

Расчётная нагрузка [кВт] на систему вентиляции в холодный период (для каждого этажа) определяется по формуле:

где L_пр — расход приточного воздуха через воздухонагреватель, м³/с; ρ_в — плотность воздуха, принимаем ρв = 1,5 кг/м³; c_в — теплоёмкость воздуха, принимаем c_в = 1,004 кДж/(кг·К); t^x_вк  — температура воздуха на выходе из воздухонагревателя, равная температуре приточного воздуха в холодный период, а поскольку расчётная температура внутреннего воздуха — 20 °C, температуру приточного воздуха принимаем равной t^x_o = t^x_вк = 20 – 1,5 = 18,5 °C; t^x_вн — температура воздуха перед воздухонагревателем, то есть после рекуператора, °C. Температура воздуха после рекуператора ПВУ Zenit Heco SW при КПД рекуператора 85 % и расчётной температуре наружного воздуха в холодный период для города Москва, равной –25 °C, составит t^x_вн = 13,3 °C. Таким образом, нагрузка на нагреватель уменьшается.

Результаты определения расчётной нагрузки на систему вентиляции в холодный период по этажам здания приведены в табл. 4.

Расчётная нагрузка [кВт] на систему вентиляции в тёплый период (для каждого этажа) определяется по формуле:

где t^т_вк  — температура воздуха на выходе из воздухоохладителя, равная температуре приточного воздуха в тёплый период, а поскольку расчётная температура внутреннего воздуха — 20 °C, температуру приточного воздуха принимаем равной t^т_o  = t^т_вк = 20 – 1,5 = 18,5 °C; t^т_вн — температура воздуха перед воздухоохладителем, то есть после рекуператора, °C.

Температура воздуха после рекуператора приточно-вытяжной установки Zenit Heco SW при КПД рекуператора 85 % и расчётной температуре наружного воздуха в тёплый период для города Москвы, равной 23 °C, составит t^x_вн = 20,5 °C. То есть тёплый наружный воздух охлаждается в установке вытяжным внутренним воздухом.

Для прямоточной приточно-вытяжной установки t^x_вн = t^x_н = 23 °C, то есть затраты на охлаждение будут выше. Результаты определения расчётной нагрузки на систему вентиляции в тёплый период для всего здания приведены в табл. 5.

Поскольку расчётные температуры наружного воздуха в холодный и тёплый период непостоянны во время отопительного периода и периода охлаждения, необходимо определить среднюю вентиляционную нагрузку при средней температуре наружного воздуха:

где Q^х — расчётная вентиляционная нагрузка в холодный период, кВт; t^x_в — расчётная температура внутреннего воздуха в холодный период, t^x_в = 20 °C; t^ср.х_н  — средняя температура наружного воздуха в холодный период, t^ср.х_н = –1,3 °C [4]; t^x_н — расчётная температура наружного воздуха в холодный период, t^x_н = –25 °C [4].

Средняя нагрузка [кВт] на систему вентиляции в тёплый период (для каждого этажа) определяется как:

где Q^т — расчётная вентиляционная нагрузка в тёплый период, кВт; t^т_в — расчётная температура внутреннего воздуха в тёплый период; t^ср.т_н — средняя температура наружного воздуха в тёплый период, принимаем t^ср.т_н  = 21,7 °C; t^т_н — расчётная температура наружного воздуха в тёплый период, t^т_н = 23 °C [4].

Годовой расход теплоты [кВт] для нагрева наружного воздуха в холодный период:

где n_хп — продолжительность работы воздухонагревателя в холодный период, n_хп = 2568 ч (12 часов в сутки, 214 дней). Годовой расход теплоты [кВт] для охлаждения наружного воздуха в тёплый период:

где n_ох — продолжительность работы воздухоохладителя в тёплый период, n_ох = 1080 ч (12 часов в сутки, 90 дней). Результаты расчёта годовой нагрузки на систему вентиляции в тёплый период и холодный периоды для всего здания приведены в табл. 6 и 7.

Определим расходы в рублях за год на догрев, охлаждение и работу вентиляторов. Расход в рублях на догрев получается перемножением годовых значений вентиляционных нагрузок (в Гкал) в холодный период на стоимость 1 Гкал/ч тепловой энергии от сети и на время работы ПВУ в режиме нагрева. Стоимость 1 Гкал/ч тепловой энергии от сети принимаем равной 2169 руб.

Расходы в рублях на работу вентиляторов получены перемножением их мощности, времени работы и стоимости 1 кВт электричества. Стоимость 1 кВт·ч электричества принимаем равной 5,57 руб.

Результаты расчётов расходов в рублях на работу ПВУ в холодный и тёплый периоды приведены в табл. 8 и 9, соответственно. В табл. 10 приведено сравнение всех вариантов ПВУ по всему зданию ФГАУ «НИИ ЦЭПП».

Анализ табл. 10 позволяет сделать однозначный вывод — приточно-вытяжные установки Zenit Heco SW и Zenit Heco MW с рекуперацией тепла и влаги фирмы Turkov очень энергоэффективны.

Суммарная годовая вентиляционная нагрузка ПВУ Turkov меньше нагрузки в ПВУ с КПД 50 % на 72 %, а в сравнении с прямоточной ПВУ — на 88 %.

Приточно-вытяжная установка Turkov позволит сэкономить 1 млн 145 тыс. руб. в сравнении с прямоточной ПВУ или 408 тыс. руб. — в сравнении с ПВУ, КПД которой 50 %.

Где ещё экономия?

Основной причиной отказов применения систем с рекуперацией являются относительно высокие начальные капиталовложения, однако при более полном взгляде на затраты на застройку такие системы не только быстро окупаются, но и позволяют уменьшить общие капиталовложения при застройке.

В качестве примера возьмём наиболее массовую «типовую» застройку с применением жилых, офисных зданий и магазинов. Среднее значение теплопотерь готовых зданий — 50 Вт/м². Сюда включены теплопотери через стены, окна, кровлю, фундамент и т.д.

Среднее значение общеобменной приточной вентиляции — 4,34 м³/м². Сюда включены: вентиляция квартир с расчётом по назначению помещений и кратности; вентиляция офисов с расчётом по количеству людей и компенсации содержания углекислого газа; вентиляция магазинов, коридоров, складских помещений и т.д. Соотношение площадей выбрано на основе нескольких существующих комплексов.

Среднее значение вентиляции для компенсации санузлов, ванных, кухонь и пр. — 0,36 м³/м². Сюда включена компенсация санузлов, ванных комнат, кухонь и т.д. (поскольку из данных помещений нельзя организовать втяжку в систему рекуперации, то в эти помещения организован приток, а вытяжка производится отдельными вентиляторами минуя рекуператор). Среднее значение общеобменной вытяжной вентиляции — 3,98 м³/м². Сюда включена разница между количеством приточного воздуха и количеством воздуха на компенсацию (именно данный объём вытяжного воздуха передаёт тепло приточному воздуху).

Итак, необходимо произвести застройку района стандартными зданиями с общей площадью 40 тыс. м² с указанными характеристиками теплопотерь. Посмотрим, на чём и в каких объёмах позволит сэкономить применение систем вентиляции с рекуперацией.

Эксплуатационные расходы

Основной целью выбора систем с рекуперацией является снижение стоимости эксплуатации оборудования за счёт значительного сокращения требуемой тепловой мощности для нагрева приточного воздуха:

1. С применением приточных и вытяжных вентиляционных установок без рекуперации мы получим теплопотребление системы вентиляции одного здания 2410 кВт·ч. Примем стоимость эксплуатации такой системы за 100 %. Экономии при этом вообще нет — 0 %.

2. С применением наборных приточновытяжных вентиляционных установок с рекуперацией тепла и средним КПД, равным 50 %, мы получим теплопотребление системы вентиляции одного здания 1457 кВт·ч. Стоимость эксплуатации составит 60 %. Экономия c наборным оборудованием — 40 %.

3. С применением моноблочных высокоэффективных приточно-вытяжных вентиляционных установок Turkov с рекуперацией тепла и влаги и средним КПД 85 % мы получим теплопотребление системы вентиляции одного здания 790 кВт·ч. Стоимость эксплуатации — 33 %. Экономия с оборудованием Turkov — 67 %.

Как видно, системы вентиляции с высокоэффективным оборудованием имеют меньшее теплопотребление, что позволяет говорить об окупаемости оборудования за три-семь лет при применении водяных нагревателей или один-два года в случае применения электронагревателей.

Расходы при застройке

Если производить застройку в городе, то необходимо выделение значительного количества тепловой энергии из существующей теплосети, что всегда требует значительных финансовых затрат. Чем больше тепла требуется, тем дороже будет стоимость подведения.

Застройка «в поле» зачастую не предполагает подведение тепла, обычно подводится газ и производится постройка собственной котельной или ТЭЦ. Стоимость данного сооружения соразмерна требуемой тепловой мощности: то есть чем больше, тем дороже.

В качестве примера предположим, что построена котельная мощностью 50 МВт тепловой энергии.

Помимо вентиляции затраты на отопление типового здания площадью около 40 тыс. м² и теплопотерями 50 Вт/м² будут составлять примерно 2000 кВт·ч.

С применением приточных и вытяжных вентиляционных установок без рекуперации получится построить 11 зданий.

С применением наборных приточно-вытяжных вентиляционных установок с рекуперацией тепла и средним КПД = 50 % удастся построить 14 зданий.

А с применением моноблочных высокоэффективных приточно-вытяжных вентиляционных установок Turkov с рекуперацией тепла и влаги и средним КПД = 85 % удастся построить 18 зданий.

Итоговая смета подведения бОльшего количества тепловой энергии или постройка котельной большой мощности обходится существенно дороже, чем стоимость более энергоэффективного вентиляционного оборудования. С применением дополнительных средств снижения теплопотерь здания можно увеличить застройку без увеличения требуемой тепловой мощности.

Например, уменьшив теплопотери всего на 20 % (до 40 Вт/м²), получится построить уже 21 здание.

Особенности работы оборудования в северных широтах

Как правило, оборудование с рекуперацией имеет ограничения по минимальной температуре уличного воздуха. Связано это с возможностями рекуператора, и данное ограничение составляет от –25 до –30 °C. Если температура будет понижаться, конденсат из вытяжного воздуха будет замерзать на рекуператоре, поэтому при сверхнизких температурах используется электрический преднагреватель или водяной преднагреватель с незамерзающей жидкостью.

Например, в Якутии расчётная температура уличного воздуха составляет –48 °C. Тогда классические системы с рекуперацией работают следующим образом:

1. Уличный воздух с температурой –48 °C нагревается предварительным нагревателем до –25 °C (затрачивается тепловая энергия).

2. С –25 °C воздух нагревается в рекуператоре до –2,5 °C (при КПД = 50 %).

3. С –2,5 °C воздух нагревается основным нагревателем до требуемой температуры (затрачивается тепловая энергия).

При применении же специальной серии оборудования для Крайнего Севера с четырёхступенчатой рекуперацией Turkov CrioVent преднагрев не потребуется, так как четыре ступени, большая площадь рекуперации и возврат влаги позволяют не допускать обмерзания рекуператора.

Оборудование работает следующим образом:

1. Уличный воздух с температурой –48 °C нагревается в рекуператоре до 11,5 °C (КПД = 85 %).

2. С 11,5 °C воздух нагревается основным нагревателем до требуемой температуры (затрачивается тепловая энергия).

Отсутствие преднагрева и высокий КПД оборудования позволяют значительно сократить теплопотребление и упростить конструктив оборудования.

Применение высокоэффективных систем рекуперации в северных широтах наиболее актуально, поскольку из-за низких температур уличного воздуха применение классических систем рекуперации затруднительно, а оборудование без рекуперации требует слишком большого количество тепловой энергии. Оборудование Turkov успешно работает в городах с самыми сложными климатическими условиями, таких как Улан-Уде, Иркутск, Енисейск, Якутск, Анадырь, Мурманск, а также во многих других городах с более мягким, в сравнении с этими городами, климатом.

Заключение

1. Применение систем вентиляции с рекуперацией позволяет не только снизить эксплуатационные расходы, но в случае масштабной реконструкции или капитальной застройки уменьшить начальные капиталовложения.

2. Максимальной экономии можно добиться в средних и северных широтах, где оборудование работает в тяжёлых условиях с продолжительными отрицательными температурами уличного воздуха.

3. На примере здания ФГАУ «НИИ ЦЭПП» система вентиляции с высокоэффективным рекуператором позволит сэкономить 3 млн 33 тыс. руб в год в сравнении с прямоточной ПВУ и 1 млн 40 тыс. руб в год — в сравнении с наборной ПВУ, КПД которой 50 %.