Методы экономии энергии при отоплении зданий

На рис. 1 представлено распределение потерь тепловой энергии в девятиэтажном здании, построенном по действующим в республике нормативам [1]. В табл. 1 приведены исходные данные для расчета. Из данных, представленных в табл. 1, которые наглядно иллюстрирует диаграмма на рис. 1, следует, что наибольшее количество теплоты уходит из здания в процессе воздухообмена с теплым воздухом. При этом необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что хотя через ограждающие конструкции зданий теряется около 41 % теплоты, эти теплопотери носят необратимый характер. Потери тепловой энергии с вытяжным воздухом можно возвратить, используя в здании систему принудительной приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией теплоты. Степень возврата теплоты в теплообменном аппарате зависит от его эффективности и, в принципе, отсутствуют физические ограничения запрещающие возврат 100 % тепловой энергии из вытяжного воздуха. Таким образом, нижний предел уровня потерь тепловой энергии из зданий устанавливают трансмиссионные потери теплоты через ограждающие конструкции зданий.

Для зданий с минимальным уровнем потребления теплоэнергии на отопление сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций можно установить, ограничив среднюю по отопительному сезону мощность трансмиссионных тепловых потерь значением суммы средних значений мощностей внутренних источников теплоты и поступающей в помещения солнечной энергии.

Теплоту вентиляционных выбросов необходимо утилизировать с максимально возможной эффективностью. Возврат тепловой энергии в системе вентиляции выполняется с использованием теплообменников различных конструкций [2]. Независимо от их конструкции, параметром сравнения теплообменных аппаратов является их эффективность, то есть отношение возвращенной теплообменником при теплообмене энергии к максимально возможной [2].

Как правило, базовой оценкой эффективности теплообменника является значение, полученное при «сухом» теплообмене. Такая оценка является достаточной для условий эксплуатации, не угрожающих замерзанием конденсирующейся в вытяжном канале теплообменника влаги. При конденсации влаги в канале удаляемого воздуха значение эффективности изменится. При эксплуатации теплообменника в условиях с низкой температурой окружающего воздуха конденсированная влага замерзает, что может привести к прекращению движения воздуха в вытяжном канале. Для предотвращения этого явления используют различные методы [3–10], которые приводят к уменьшению эффективности возврата теплоты.

Важным обстоятельством, которое должно быть учтено при работе теплообменного аппарата, является потребляемая при работе электрическая энергия. Все указанное выше требует развития новых подходов к оценке работы теплообменников «воздух–воздух», а также разработку технических решений и алгоритмов, устраняющих влияние низкой температуры окружающего воздуха на значение эффективности.

Эффективность системы теплообмена

Теплообменник, работающий в условиях низкой температуры наружного воздуха, можно условно разбить на три зоны: зону сухого воздухообмена, зону конденсации влаги и зону замерзания конденсата.

Наружный воздух, попадающий на вход вентиляционной системы, необходимо нагреть до оптимальной температуры. При работе вентиляторов в системе, а также при использовании технических решений, обеспечивающих работу теплообменника в условиях низкой температуры, затрачивается дополнительно электрическая энергия. Поэтому следует говорить не об эффективности теплообменника, а об эффективности системы теплообмена, которую предлагается определить следующим образом:

где Qv — количество энергии, возвращаемое теплообменником из удаляемого воздуха, кВт⋅ч/м2 в год; Qmax — количество энергии, необходимое для нагрева наружного воздуха до оптимальной температуры, кВт⋅ч/м2 в год; k = 4 — учитывает расход первичного топлива при выработке и доставке потребителю электрической энергии; Ql — электрическая энергия, затраченная на работу вентиляторов; Qr — электрическая энергия, затраченная на дополнительный нагрев приточного воздуха.

Отопительный сезон можно разбить на два периода: период, когда конденсат может замерзнуть, и период, когда этого не происходит. В случае, когда используют систему теплообмена, которая не допускает снижения температуры на выходе канала уходящего воздуха ниже 273 К [4–6], количество энергии Qv, которое теплообменник возвращает в течение отопительного сезона из уходящего воздуха, равно:

где N — количество дней в отопительном сезоне; n1 — количество дней, в которые температура воздуха была выше значения, при котором замерзает конденсат в канале удаляемого воздуха;

здесь ρ(T) — плотность сухого воздуха, кг/м3; V — объем воздуха, м3; c (T) и c1 — теплоемкость воздуха и пара, соответственно, Дж/(кг⋅К); c2 — удельное тепло фазового перехода, Дж/кг; m0, mi и m01 — плотность пара [кг/м3] в воздухе помещений, в удаляемом воздухе на выходе теплообменника и в удаляемом воздухе на выходе теплообменника (при температуре удаляемого воздуха, равной 273 К), соответственно; T0 и Ti — температура воздуха [К] в помещении средняя в отопительном сезоне и на i-м интервале, соответственно; T01 = 273 К.

В случае, когда допускается замерзание льда на поверхности пластин теплообменника с последующим оттаиванием, выражение (2) перепишется в виде:

В данном случае тепло фазового перехода «вода–лед» не используется, так как на цикле оттаивания теплообменника оно возвращается.

Из формулы (2) с учетом (3) можно сделать вывод, что при снижении температуры наружного воздуха до критической (при которой температура уходящего воздуха на выходе теплообменника равна нулю) количество возвращаемого тепла при использовании методов [4–6] увеличивается, а при дальнейшем снижении остается на постоянном уровне. Следовательно, при температуре наружного воздуха ниже критической эффективность теплообменников, независимо от их эффективности при сухом теплообмене становятся одинаковыми. Для условий северных регионов России высокая эффективность при сухом теплообмене будет мало влиять на общую эффективность системы.

Здесь более приемлемы технические решения из [6, 8–10], где допускается замерзание льда в теплообменнике с последующим оттаиванием теплообменника. Из выражения (4) с учетом (3) ясно, что количество возвращаемого тепла в этом случае увеличивается с понижением температуры наружного воздуха.

На рис. 2 приведен график потенциального значения теплового потока Q(T) для температуры наружного воздуха, изменяющейся в диапазоне от 243 K до 293 K (то есть от –30 °C до +20 °C) (его иллюстрирует кривая 1) с учетом энтальпии воздуха в помещении.

Если энергетическая эффективость рекуператора равна η, то от удаляемого воздуха передается приточному тепловой поток Qпол(T), равный:

Графики значений теплового потока, передаваемого приточному воздуху при различных значениях энергетической эффективности рекуператора, рассчитанные согласно (5), показаны на рис. 2 (кривые 2–4). Исходные данные для расчета приведены в табл. 2.

Из рис. 2 следует, что замерзание конденсата в рекуператоре будет происходить, в зависимости от эффективности рекуператора, при условии, что температура наружного воздуха ниже температуры, определяемой из уравнения:

В табл. 3 приведены значения температуры приточного воздуха на входе рекуператора, при которой наступает замерзание конденсата в вытяжном канале, для различных значений эффективности рекуператора.

Используя справочные данные о повторяемости температур наружного воздуха для конкретного населенного пункта, с учетом приведенных выше формул становится возможным рассчитать по формуле (7) количество теплоты, отданной в рекуператоре с известным значением энергетической эффективности удаляемым воздухом приточному за отопительный период без угрозы замерзания конденсата:

где Tпр — минимальная температура приточного воздуха, при которой не наступает замерзание конденсата, °C; Tmax — максимальная температура отопительного периода, °C; D(Ti) — повторяемость наружной температуры Ti , часов. Значение Еот позволяет определить дополнительное количество тепловой энергии, необходимое для подогрева приточного воздуха до температуры воздуха помещений.

Очевидно, количество тепловой энергии,необходимое для нагревания приточного воздуха от наружной температуры до температуры воздуха помещений, может быть найдено по формуле:

Дополнительное количество тепловой энергии, необходимое для подогрева приточного воздуха до температуры воздуха помещений, определяется как:

На рис. 3 для климатических условий города Минска [16] приведены результаты расчетов количества теплоты, отданной в рекуператоре с заданной энергоэффективностью, полученной для значения Tпр, удаляемым воздухом приточному за отопительный период, количество тепловой энергии, необходимое для нагревания приточного воздуха от наружной температуры до температуры воздуха помещений и дополнительное количество тепловой энергии ΔЕ, необходимое для подогрева приточного воздуха до температуры воздуха помещений.

Из графиков, приведенных на рисунке, можно сделать вывод, что при использовании методов защиты теплообменника от размораживания, ограничивающих снижение температуры удаляемого из помещений воздуха на выходе рекуператора величиной 0 °C, оптимальное значение эффективности рекуператора равно 60 %. Повышение эффективности рекуператора в этом случае приводит к увеличению значения предельной температуры наружного воздуха и, в итоге, к снижению общей эффективности системы теплообмена. В табл. 4 приведены значения эффективности системы теплообмена, полученные для условий Минска при различных значениях энергетической эффективности теплообменника. Для более суровых климатических условий оптимальное значение энергетической эффективности рекуператора будет уменьшаться.

На рис. 4 приведены оптимальные значения энергетической эффективности рекуператора и значения эффективности системы теплообмена, полученные для различных климатических условий. На графике используются значения средней температуры наружного воздуха холодного периода, рассчитанные по таблице повторяемости температур из работы [17], не превышающих 8 °C. При понижении среднего значения температуры воздуха оптимальное значение энергетической эффективности рекуператора также снижается. Обращает на себя внимание тот факт, что значения эффективности системы теплообмена КСИ приблизительно равны оптимальным значениям энергетической эффективности рекуператора для тех же климатических условий.

Из приведенных результатов можно сделать вывод, что в суровых климатических условиях следует использовать технические решения из работ [10, 11], допускающие замерзание льда в теплообменнике с последующим оттаиванием. В этом случае эффективность системы теплообмена практически равна энергетической эффективности рекуператора и останется постоянной независимо от климатических условий.

Методы обеспечения работы теплообменников в условиях низкой температуры наружного воздуха

Наиболее распространенным решением проблемы замерзания конденсата является подогрев приточного воздуха до температуры [3]. Это решение снижает энергетическую эффективность теплообменника. Включение подогрева воздуха во входном канале теплообменника решает проблему замерзания конденсата, но температура уходящего из теплообменника воздуха становится равной 0 °C (или выше) независимо от температуры наружного воздуха. При температуре наружного воздуха, равной –25 °C, из уходящего воздуха теряется около 34 кДж/кг тепловой энергии, что составит около 47 % энергетического потенциала.

Ошибка в выборе значения пороговой температуры может привести к замерзанию конденсата в рекуператоре, и к прекращению его работы, как это произошло при эксплуатации одного из теплообменников в энергоэффективном жилом здании по адресу: город Минск, пр. Притыцкого, д. 107 [18]. Результаты замерзания конденсата наглядно показаны на рис. 5.

Известно техническое решение с дополнительным байпасным каналом [5, 6], в который при понижении температуры в вытяжном канале до 0 °C направляют часть приточного воздуха, минуя теплообменник. Это решение уменьшает энергетическую эффективность, так как наружный воздух частично поступает в помещение минуя теплообменник. Имеются и другие технические решения. В работе [7] для этой цели предлагается конструкция теплообменника с переменным значением термического сопротивления межканальной перегородки. Такое решение усложняет конструкцию теплообменника и снижает энергетическую эффективность при фиксированных габаритах.

Замерзание влаги в теплообменнике опасно тем, что накопление льда выше некоторого предела может привести к перекрыванию канала уходящего воздуха и к разрушению пакета теплообменника. То есть можно допустить контролируемую степень обмерзания теплообменника, периодически оттаивая накопившийся лед. В случае, когда дополнительная энергия будет затрачиваться только для оттаивания образовавшегося льда, потери составят не более 7 % возможного потенциала возврата энергии.

Один из методов уменьшения массы льда является направление движения удаляемого из помещений воздуха «снизу вверх». В этом случае конденсированная вода стекает в теплую зону и замерзает только та часть конденсата, которая образуется в зоне отрицательных температур. В работе [6] при замерзании конденсата и образовании льда в вытяжных каналах рекуператора с направлением движения удаляемого из помещений воздуха «снизу вверх» выключают подачу холодного воздуха в один из каналов рекуператора. Теплый воздух из помещения обеспечивает таяние льда.

Недостатком способа является то, что вследствие уменьшения давления в помещениях здания (из-за отсутствия притока) холодный воздух поступает в помещения через негерметичную оболочку здания, что увеличивает отопительную нагрузку помещений и снижает общую энергетическую эффективность теплообменника. К тому же, теплый воздух из помещения удаляется наружу без теплообмена с приточным.

Более интересное решение предложено в работе [8], где предлагается предотвращать замерзание теплообменника, поворачивая теплообменник на 180° потоком вытяжного воздуха, меняя тем самым местами приточные и вытяжные каналы теплообменника. Недостатком такой системы является необходимость механического поворотного устройства, снижающего общую эксплуатационную надежность системы.

Система теплообмена, сохраняющая эффективность теплообменника при низкой температуре воздуха

Современное развитие средств автоматизации позволяет использовать дополнительные возможности для устранения негативных явлений, возникающих при замерзании конденсата в теплообменнике. В работах [10, 11] предлагается при замерзании конденсата и образовании льда в каналах рекуператора выключать подачу холодного воздуха в один из каналов рекуператора. При этом дополнительно контролируют гидравлическое сопротивление вытяжного канала теплообменника, и при увеличении гидравлического сопротивления до установленного порогового значения перекрывают поступление наружного воздуха в приточный воздуховод, выключают приточный вентилятор и направляют воздух с выхода вытяжного канала рекуператора в приточный канал, а далее контролируют разность температур на входе вытяжного и выходе приточного каналов рекуператора. При достижении разности температур (гидравлического сопротивления) выше установленного исходного значения открывают поступление холодного воздуха в приточный канал и вытяжного воздуха наружу. Устройство, реализующее предложенный способ работы теплообменника, представлено на рис. 6.

В этом устройстве (рис. 6), состоящем из корпуса 1, рекуператора тепла 2, приточного 3–4 и вытяжного 5–6 каналов, вентиляционные выбросы из квартиры, побуждаемые вытяжным вентилятором 17, поступают в нижнюю часть рекуператора через вход вытяжного канала 5, проходят через рекуператор 2, где охлаждаются в процессе теплообмена приточным воздухом, и уходят из рекуператора через выход канала 6, расположенный в верхней части рекуператора. Холодный приточный воздух поступает в рекуператор через вход приточного канала 3, расположенный в верхней части рекуператора, проходит через рекуператор 2, где нагревается в процессе теплообмена вентиляционными выбросами и уходит из рекуператора через выход канала 4, расположенный в нижней части рекуператора.

Условно рекуператор можно разделить на три области, обозначенные на рис. 2: область 20, где происходит сухой теплообмен без конденсации влаги; область 21 теплообмена, где температура вентиляционных выбросов опускается ниже точки росы и на стенках каналов рекуператора конденсируется вода из вентиляционных выбросов; и область 22 теплообмена, где температура вентиляционных выбросов опускается ниже точки замерзания воды и на стенках каналов рекуператора конденсируется вода из вентиляционных выбросов и тут же замерзает. Влага из области рекуператора 21 стекает по его каналам, нагревается приточным воздухом и попадает в конденсатоприемник 14, откуда через конденсатоотводчик 15 уходит из рекуператора. При такой схеме движения конденсата (навстречу вентиляционным выбросам) исключается возможность его замерзания в рекуператоре и в конденсатоотводчике при удалении конденсата. Влага, которая конденсируется в области 22, тут же замерзает на стенках каналов рекуператора.

Процесс обмерзания пластин постепенный и на начальной стадии не представляет опасности для рекуператора. Однако постоянное нарастание льда приводит к уменьшению пропускной способности вытяжного канала и к разрушению рекуператора. Датчики давления (или температуры) 10–14 позволяют следить за изменением гидравлического сопротивления вытяжного канала рекуператора. При увеличении гидравлического сопротивления выше установленного порогового значения блок управления 18 направляет управляющий сигнал на выключение приточного вентилятора 16 и закрытие клапана 7 в приточном канале и 19 — в вытяжном канале. Одновременно подается управляющий сигнал на открытие клапана 9 в байпасном канале. В этом случае вентиляционные выбросы через приточный канал поступают обратно в жилые помещения. Энергия вентиляционных выбросов растапливает лед в вытяжных каналах рекуператора и удаляет из каналов лишнюю влагу, повышая влажность воздуха в жилых помещениях. При восстановлении гидравлического сопротивления вытяжного канала включается нормальная схема работы рекуператора: включается приточный вентилятор 16, открываются клапаны 7 и 19, закрывается клапан 9 в байпасном канале. Это техническое решение позволяет наиболее полно использовать энергию удаляемого из рекуператора воздуха.

Проблему замерзания конденсата следует решать в комплексе с обеспечением комфортных условий в помещениях. Как было показано, влажность воздуха в жилых помещениях связана в современных зданиях с влажностью наружного воздуха. При существующей довольно низкой заселенности квартир источники влаги внутри помещений дают не более 2 г/м3 при необходимых для обеспечения оптимальных условий величины 5 г/м3 воздуха.

Следовательно, при температуре наружного воздуха ниже –3 °C необходимо дополнительное увлажнение воздуха. Эта задача может быть решена в рекуперативных теплообменниках с переносом влаги [14]. Как было показано в [15, 16], перенос влаги снижает температуру замерзания конденсата, то есть решает дополнительную задачу обеспечения работы теплообменника при низкой температуре. Однако при повышении температуры наружного воздуха его абсолютная влажность, как правило, повышается, что исключает необходимость в дополнительном переносе влаги в приточный канал. Более того, перенос влаги может повысить влажность в помещениях выше оптимальных значений [15]. Таким образом, перенос влаги между каналами должен быть управляемым.

Современные технические решения требуют наличия автоматизированной системы управления вентиляционным оборудованием, что должно явиться непременным атрибутом системы утилизации тепла.

Экспериментальное исследование работы теплообменного аппарата в условиях низких температур

С целью отработки технических решений, обеспечивающих эффективную работу рекуперативных теплообменников в условиях низких температур, были выполнены экспериментальные исследования с использованием климатической камеры. Эксперименты выполнялись с рекуперативным теплообменником, характеристики которого приведены в табл. 5. Фотография пластины теплообменного пакета, выполненного в соответствии с описанием в работе [12], приведена на рис. 7.

Целью экспериментов являлась сравнительная оценка работы теплообменного аппарата в условиях экстремальной для Беларуси температуры наружного воздуха при движении теплого воздуха с высокой влажностью «сверху вниз» и «снизу вверх» и отработка технических решений, предложенных в работах [10, 11] по схеме рис. 8. В первом случае движение сконденсированной влаги совпадает с направлением движения воздуха, во втором случае влага движется против движения воздуха. На рис. 8а и 8б приведены схемы выполнения экспериментов. На рис. 9 приведен график изменения расхода воздуха в теплом канале рекуператора при движении воздуха «сверху вниз». На рис. 10 приведены графики изменения эффективности работы теплообменника от времени для обоих рассмотренных случаев.

На начальном этапе конденсируется влага и тепло фазового перехода приводит к тому, что остывание воздуха в вытяжном канале происходит на меньшую величину, чем нагревание приточного воздуха, как это видно на графиках рис. 10. По мере снижения температуры воздуха на входе приточного канала начинает происходить обмерзание вытяжного канала, и снижается расход удаляемого воздуха, как это видно на рис. 9.

Исследование рекуператора при движении удаляемого воздуха «сверху вниз»

В этом случае сконденсированная влага стекает вниз в область низких температур и полностью замерзает в пакете. Осмотр теплообменника показал отсутствие конденсированной влаги в области стока конденсата. В результате удаляемый воздух остывает больше, чем нагревается приточный, из-за большего количества последнего по сравнению с удаляемым. Таким образом, температурная эффективность рекуператора по вытяжному воздуху становится больше, чем по приточному.

По мере дальнейшего снижения температуры воздуха на входе приточного канала температурная эффективность рекуператора по приточному воздуху продолжает снижаться, так как по мере обледенения вытяжного канала продолжает снижаться расход удаляемого воздуха. Приточному воздуху передается все меньшее количество теплоты, и разность температуры между выходом и входом приточного канала снижается.

При движении удаляемого воздуха «снизу вверх» графики изменения температурной эффективности рекуператора при снижении температуры воздуха на входе приточного канала (кривые 1б и 2б на рис. 10) отличаются своим поведением от аналогичных графиков при движении удаляемого воздуха «сверху вниз». Так, для случая движения удаляемого воздуха «снизу вверх» температурная эффективность рекуператора по вытяжному каналу практически остается постоянной до снижения температуры на входе приточного канала до –15 °C, а затем начинает возрастать, однако скорость возрастания остается меньшей, чем при движении удаляемого воздуха «сверху вниз». Данный результат говорит о том, что в случае движения удаляемого воздуха «снизу вверх» уменьшение проходимости вытяжного канала происходит медленнее, чем при движении удаляемого воздуха «сверху вниз». Замерзает только влага, конденсация которой произошла в области отрицательной температуры. Остальная часть влаги стекает по пластинам теплообменника в теплую зону и остается в жидкой фазе, что и подтвердилось визуальным осмотром теплообменника.

Как видно из рис. 10, температурная эффективность рекуператора по приточному каналу при движении удаляемого воздуха «снизу вверх» (кривая 2б) сначала несколько возрастает, а затем начинает снижаться, причем скорость снижения остается меньшей, чем для случая движения удаляемого воздуха «сверху вниз». Это можно объяснить большей массой льда, образующегося в теплообменнике при движении теплого воздуха «сверху вниз», что приводит к дополнительному выделению тепла фазового перехода «вода–лед». Кроме того, часть тепла удаляемого воздуха расходуется на подогрев конденсата, имеющего более низкую температуру и стекающего в теплообменнике в область более высокой температуры.

Таким образом, при работе в условиях низкой температуры наружного воздуха движение удаляемого из помещений насыщенного влагой теплого воздуха приводит к снижению температурной эффективности в приточном канале, однако остается предпочтительным с точки зрения более безопасной эксплуатации, так как приводит к меньшей массе замерзающего в теплообменнике льда.

С целью отработки режима работы с периодическим замораживанием и оттаиванием теплообменника по схеме, приведенной на рис. 11а, были проведены эксперименты с использованием нагрева воздуха с помощью установки, схема и фотография которой приведены на рис. 11б. Испытание рекуперационной установки с подогревом воздуха от системы теплоснабжения осуществлялось при следующих условиях: относительная влажность воздуха в теплой камере — 82 %; относительная влажность воздуха в холодной камере — 80 %; объемный расход воздуха в вытяжном канале — 27,1 м3/ч; объемный расход воздуха в приточном канале — 28,3 м3/ч.

На рис. 12а приведены графики изменения со временем температуры на входе и выходе каналов рекуператора в режиме замораживания-оттаивания вытяжного канала. На рис. 12б — расход воздуха в теплом канале. Как видно из рис. 12а, температура воздуха на входе приточного канала (кривая 3) практически не изменялась в процессе двух часов проведения измерений и составляла –24 °C. Температура на входе канала теплого воздуха (кривая 1) сначала несколько возросла, а после прогрева воздуховодов практически установилась на отметке +30 °C. За первые 10 минут работы температура приточного воздуха на выходе рекуператора повысилась до +12 °C, а температура удаляемого воздуха на выходе рекуператора понизилась до 0 °C. Далее температура удаляемого воздуха на выходе вытяжного канала продолжала снижаться при практически постоянной температуре воздуха на выходе приточного канала. Период цикла замораживания-размораживания составил один час. Из кривой на рис. 12б следует, что после снижения температуры воздуха на выходе вытяжного канала до 0 °C начинается уменьшение расхода воздуха в этом канале, очевидно, из-за начала обмерзания канала.

При снижении температуры воздуха на выходе вытяжного канала до –8 °C расход теплого воздуха в канале уменьшился на 6 %, приточный вентилятор был отключен, и начался процесс размораживания рекуператора. Расход воздуха в вытяжном канале начал возрастать, а температура на выходе вытяжного канала — повышаться. Снижение температуры на выходе приточного канала (кривая 4 на рис. 12а) отражает остывание воздуховода, подключенного к выходу приточного канала, а не остывание приточного воздуха, так как в это время приток отсутствует.

При восстановлении расхода удаляемого воздуха до его значения в начале измерений приточный вентилятор снова был включен, что отразилось на резком увеличении температуры на выходе приточного канала. Температура на выходе вытяжного канала сначала достаточно быстро снизилась до 0 °C, а затем продолжила, как и в предыдущем случае, медленно снижаться с одновременным уменьшением расхода воздуха в вытяжном канале. Температура воздуха в приточном канале после включения приточного вентилятора резко возросла до +14 °C и оставалась практически на одном уровне за время снижения температуры на выходе вытяжного канала от +12 °C до –10 °C.

Анализ графиков на рис. 12 показывает, что процесс замораживания рекуператора, практически без снижения температуры приточного воздуха на выходе рекуператора, по времени в два раза превышает процесс размораживания, приводящий к восстановлению расхода воздуха в вытяжном канале. На цикле замерзания происходит теплообмен между потоками воздуха в теплообменнике.

На цикле размораживания тепловая энергия уходящего из помещений воздуха затрачивается на оттаивание льда. Если использовать техническое решение, предложенное в работе [6], воздух из вытяжного канала теплообменника уходит наружу.

Из кривой 2 на рис. 9 видно, что средняя температура воздуха в канале в течение этого времени составляет около 1 °C, что на 25 °C выше температуры окружающей среды. Это значит, что с воздухом на этом цикле работы нерационально уходит из помещений более 50 % тепла. По схеме, предложенной в работах [10, 11] воздух возвращается в помещение, сохраняя это тепло.

При этом на цикле работы, когда происходит теплообмен, температура приточного воздуха на выходе из теплообменника быстро приходит к установившемуся режиму, и эффективность работы теплообменника сохраняется на номинальном уровне.

Таким образом, с точки зрения энергетической эффективности наиболее приемлемым решением по обеспечению работы теплообменника в условиях низкой температуры окружающего воздуха является циклическая работа по алгоритму, предложенному в работах [10, 11]: на первом цикле происходит воздухообмен с частичным замерзанием теплообменника; на втором цикле происходит его размораживание с 100 % рециркуляцией воздуха в приточный канал.

Исследование состояния рекуператора после многократных циклов замораживания-размораживания в режиме, приведенном на рис. 12а, не выявило деформаций пластин или начинающегося разрушения. Таким образом, предложенный в работах [10, 11] способ работы рекуператора в условиях низкой температуры окружающего воздуха получил экспериментальное подтверждение.

Заключение

Потери тепловой энергии через ограждающие конструкции зданий и с воздухообменом носят принципиально различный характер. Если потери тепловой энергии через ограждающие конструкции зданий носят необратимый характер, то потери теплоты с вытяжным воздухом можно возвратить, используя в здании систему принудительной приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией теплоты. Степень возврата теплоты в теплообменном аппарате зависит от его эффективности, и, в принципе, отсутствуют физические ограничения, запрещающие возврат 100 % тепловой энергии из вытяжного воздуха. Таким образом, нижний предел уровня потерь тепловой энергии из зданий устанавливают трансмиссионные потери теплоты через ограждающие конструкции зданий.

В то же время, при выборе теплообменника для использовании в системе вентиляции его эффективность не может быть определяющим параметром. Выбор необходимо выполнять по значению эффективности системы, учитывающей дополнительные затраты энергии на работу вентиляторов, а также обеспечение работы теплообменного аппарата в условиях низкой температуры окружающего воздуха, определение величины которой предложено в данной конкретной статье.

Исследование эффективности системы теплообмена для условий города Минска показал, что оптимальное значение эффективности системы теплообмена, в которой температура на выходе канала удаляемого из помещений воздуха поддерживается на уровне выше 0 °C (для предотвращения замерзания конденсата), равно 60 %. Для более суровых климатических условий это значение снижается.

Итак, в этой статье приведены различные способы обеспечения работы теплообменников в условиях низкой температуры наружного воздуха. Предложен новый способ [10, 11] повышения эффективности работы теплообменника, приведены результаты исследований в условиях низкой температуры окружающего воздуха. В предлагаемом способе движение теплого воздуха в теплообменнике направлено «снизу вверх», что обеспечивает стекание конденсирующейся влаги против движения теплого воздуха в зону с положительной температурой — это уменьшает объем замерзающей влаги и степень обмерзания теплообменника. При контроле изменения объема воздуха в вытяжном канале допускается контролируемое замерзание конденсата, после чего теплообменник работает в режиме возврата 100 % уходящего из помещений воздуха в приточный канал, оттаивая теплообменник. Циклическое повторение процессов замораживания и размораживания обеспечивает сохранение максимальной эффективности теплообменника при низкой температуре окружающего воздуха.

Экспериментальные исследования работы теплообменника по предложенному способу в условиях экстремально низких температур показали, что с точки зрения энергетической эффективности системы наиболее приемлемым решением по обеспечению работы теплообменника в условиях низкой температуры окружающего воздуха является циклическая работа по алгоритму, предложенному в работах [10, 11]: на первом цикле происходит воздухообмен с частичным замерзанием теплообменника; на втором цикле происходит его размораживание с 100 % рециркуляцией воздуха в приточный канал.

Исследование состояния рекуператора после многократных циклов замораживания-размораживания в режиме не выявило деформаций пластин или начинающегося разрушения. Итак, предложенный в работах [10, 11] способ работы рекуператора в условиях низкой температуры окружающего воздуха получил экспериментальное подтверждение.

1. ТКП «Строительная теплотехника».
2. Feist W. Gestaltungsgrundlagen Passivha user — Verlag das Beispiel GmbH, 2001.
3. Кэйс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники «Энергия». — М., 1967.
4. YORK Air Conditioning and Refrigeration. P.O. Box 1592 York Pennsilvania USA 17405-1592, 2001.
5. Каталог Salda «Системы вентиляции и кондиционирования воздуха», 2003.
6. Claus Ihle Lu .. ftung und Lu .. ftheizung. Band 3. Schriftenreihe der Heizungsingenieur. Du .. sseldorf: Werner 1997.
7. Bestellformular fu .. r WRG-Gera .. te atmos 175 DC Bauform 1, 2 und 3 / Paul Wa .. rmeru .. ckgewinnung. Mu .. lsen St. Jacob, 2004.
8. Cипов С.Н., Саука У.О. Рекуперативный теплообменник. А.с. СССР №1188500 / Изобретения в СССР и за рубежом, №40/1985.
9. Сафонов А.В. Энергоэффективный теплообменник-утилизатор // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века, №2/2002.
10. Данилевский Л.Н., Таурогинский Б.И. Устройство и способ предотвращения замерзания сконденсированной влаги в рекуперационном теплообменнике. — НЦИС Беларуси, заяв. №20090456 от 27.03.2009.
11. Данилевский Л.Н., Таурогинский Б.И. Устройство и способ предотвращения замерзания сконденсированной влаги в рекуперационном теплообменнике. — Заяв. №200901448 от 25.11.2009.
12. Данилевский Л.Н., Пилипенко В.М. Пакет пластинчатого теплообменника. Патент РБ №13796, 2010. Межд. заяв. WO 2007/045064 A1 от 26.04.2007.
13. Данилевский Л.Н., Таурогинский Б.И. Управление влажностью воздуха в помещениях с принудительной системой вентиляции и рекуперацией тепла воздуха // Строительная наука и техника, №3/2007.
14. Данилевский Л.Н., Таурогинский Б.И. Исследование эффективности рекуперативного теплообменника с переносом пара между каналами в условиях низких температур // Строительная наука и техника, №3/2010.
15. Данилевский Л. Н., Таурогинский Б. И. Теплообмен в рекуператоре с учетом конденсации пара // Строительная наука и техника, №1/2010.
16. Строительная климатология: СНБ 2.04.02-2000. Минск: Межгос. совет по стандарт., метрол. и сертиф.: БелГИСС, 2003.
17. Справочное пособие к СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология. — М.,1982.
18. Данилевский Л.Н. Принципы проектирования и инженерное оборудование энергоэффективных жилых зданий. — Минск: «Бизнесофсет», 2011.