Системы нагрева приточного воздуха с последовательным чередующимся соединением теплообменников, источников и потребителей теплоты вторичных энергоресурсов (ВЭР) и вентиляционных выбросов в циркуляционном контуре промежуточного теплоносителя. Такие системы, в зависимости от требуемого характера поддержания температурного режима приточного воздуха, а также от температурного потенциала ВЭР и вентвыбросов, могут быть подразделены на: ❏ упрощенные системы нагрева приточного воздуха; ❏ системы нагрева приточного воздуха, обеспечивающие точное поддержание параметров приточного воздуха. Принципиальная схема первой системы представлена на рис. 1. Данная система может быть рекомендована к применению в случаях, когда имеется несколько источников и потребителей теплоты ВЭР и вентвыбросов, приблизительно одинаковых по температурным и расходным параметрам. Это могут быть приточно-вытяжные системы вентиляции, системы местных вентиляционных систем с приточными установками, компенсирующими эти вытяжные системы, и т.п. Эти приточные системы обусловливают: ❏ отсутствие жестких требований к поддержанию температуры приточного воздуха в диапазоне температур наружного воздуха, близких к расчетной температуре наружного воздуха, характеризующего переходный период; ❏ отсутствие опасности обмерзания теплообменников, установленных в потоках горячего воздуха. Система работает следующим образом: нагретый вытяжной воздух общеобменной вентиляции или местной вытяжки от технологического оборудования удаляется вытяжными установками 1. В рекуперативных теплообменниках 2 типа «воздух–жидкость» вытяжной воздух охлаждается, нагревая циркулирующий промежуточный теплоноситель. Циркуляционный контур 3 промежуточного теплоносителя организован так, что после каждого теплообменника 2 вытяжной системы промежуточный теплоноситель поступает в рекуперативный теплообменник 4 типа «воздух–жидкость» приточной системы, технологически связанной с соответствующей вытяжной системой. В рекуперативных теплообменниках 4 промежуточный теплоноситель охлаждается, нагревая приточный воздух, перемещаемый приточными вентиляторными установками 5. Окончательный нагрев приточного воздуха осуществляется в специально предусмотренных воздухонагревателях 6, питаемых от тепловых источников теплоты. Регулировка степени нагрева приточного воздуха осуществляется по командам датчиков температуры 7, воздействующим на соответствующий вентиль 8. Охлажденный в одном из рекуперативных теплообменников 4 промежуточный теплоноситель поступает в ближайший рекуперативный теплообменник 2 вытяжной системы, технологически не связанной с этой приточной системой. Другими словами, промежуточный теплоноситель последовательно проходит, чередуясь, через рекуперативные теплообменники 2 и 4, установленные в каждой вытяжной и приточной установке, соответственно. При использовании в качестве промежуточного теплоносителя незамерзающей жидкости, установки какой-либо запорной и регулирующей арматуры принципиально не требуется. Это обеспечивает постоянную циркуляцию промежуточного теплоносителя через все теплообменники. В случаях необходимости одновременного отключения технологически связанных приточных и вытяжных вентиляторных установок, соответственно, охлажденный промежуточный теплоноситель будет поступать в рекуперативный теплообменник 2 вытяжной системы следующей пары приточной и вытяжной системы. На рис. 2 приведена принципиальная схема системы нагрева приточного воздуха, обеспечивающая точное поддержание параметров приточного воздуха. Данная система может быть рекомендована к применению, как и предыдущая, в случае наличия нескольких источников и потребителей теплоты ВЭР и вентвыбросов, приблизительно сходных по температурным и расходным параметрам. При этом на данную систему не распространяются ограничения по условиям и режимам работы, оговоренные для схемы на рис. 1, и по характеру поддержания температуры приточного воздуха и возможности обмерзания. Принципиально система работает аналогично предыдущей системе. Однако для расширения технических возможностей в данной системе у рекуперативных теплообменников 2, размещенных в вытяжных системах, предусмотрена обводная линия с трехходовым клапаном 6 и датчик перепада давления 9. Датчик перепада давления 9 реагирует на величину аэродинамического сопротивления теплообменников 2. При увеличении аэродинамического сопротивления теплообменников, вследствие образования на их поверхности нагрева наледи, осуществляется их обвод при помощи трехходового клапана 2, тем самым создаются условия для удаления наледи с поверхности теплообмена за счет теплоты выбросного воздуха. В период по температурам наружного воздуха, близким к переходному периоду, когда воздухонагреватели отключены датчиками температуры 7, регулировка температуры приточного воздуха осуществляется датчиками температуры 7, воздействующими на трехходовые клапаны 8. Данные конструктивные изменения несколько усложняют систему и ее эксплуатацию по сравнению с ранее рассмотренной, но обеспечивают точное поддержание температуры приточного воздуха в течение зимнего и переходного периодов года. Системы нагрева приточного воздуха с использованием теплоты ВЭР и вентвыбросов, имеющих температуру, превышающую допустимую температуру по техническим условиям теплоутилизационного оборудования [13, 14, 15, 16]. При использовании вентвыбросов и, в особенности, ВЭР очень часто в практике встречаются случаи, когда теплоносители ВЭР имеют температуру, значительно превышающую допустимую для оборудования по техническим условиям, из-за ограниченности разновидности выпускаемого общепромышленного теплоутилизационного и теплообменного оборудования. В результате в этих случаях широко распространялась практика разбавлять теплоноситель ВЭР аналогичной теплоносителю средой, но имеющей низкую температуру. Это приводит к значительному снижению эффективности использования теплоты ВЭР, обусловленной не только снижением разности температур тепловзаимодействующих сред, но и потерями теплоты, обусловленными необходимостью нагрева подмешиваемой среды от начальной температуры до температуры теплоносителя, которая устанавливается после теплоутилизатора. Чем больше первоначальная температура теплоносителя отличается от допустимой температуры, тем значительнее потери теплоты от применяемого в настоящее время способа подмешивания. На рис. 3 и 4 приведены принципиальные схемы новых систем нагрева приточного воздуха с использованием теплоты ВЭР и вентвыбросов, имеющих температуру, превышающую допустимую температуру по техническим условиям теплоутилизационного оборудования. Особенностью системы на рис. 3 является то, что подмешивание осуществляется поэтапно, причем на первом этапе для подмешивания используется вспомогательная среда, а на последующих этапах в качестве подмешиваемой среды используется смесь теплоносителя и вспомогательной среды, охлажденная в теплоутилизаторе предыдущего этапа. Данный алгоритм позволяет значительно сократить затраты теплоты на нагрев подмешиваемой среды от ее первоначальной температуры до температуры теплоносителя на выходе из установки. Выигрыш в теплоте обусловлен принятым числом поэтапного подмешивания, чем больше этапов подмешивания, тем весомей выигрыш в теплоте. В действительности существуют вполне определенные диапазоны количеств этапов, обусловливающие ощутимый выигрыш в теплоте и, в то же время, возможность практического конструктивного выполнения установки. Особенности работы системы по описанному выше алгоритму поясним на примере схемы, приведенной на рис. 3. Данная схема реализует систему отвода теплоты теплоносителя ВЭР при помощи промежуточного теплоносителя, однако, приведенный выше алгоритм способа подмешивания может быть использован и с другими видами теплоутилизаторов. С целью сокращения описания, ниже рассмотрим только процесс охлаждения теплоносителя ВЭР, т.к. способ использования отведенной теплоты может быть любой из описанных ранее. При составлении схемы рис. 3 за базовую схему принята схема рис. 2. При этом сохранена и нумерация позиций. Система на рис. 3 содержит следующие отличительные конструктивные элементы: теплообменниктеплоутилизатор 2, выполненный из секций 2-I, 2-II, 2-III, 2-IY, обводной воздуховод (трубопровод) 22, воздушные клапаны 23, 24, 25, 26, датчики температуры 27, патрубок 28 с воздушным клапаном 29 для забора вспомогательной среды. Часть высокотемпературного теплоносителя ВЭР, поступающего на секцию 2-I, охлаждается вспомогательной средой до допустимой температуры, которая регулируется датчиком 27 и клапанами 23 и 29. После прохождения образовавшейся смеси через секцию 2-I, эта смесь понижает свою температуру. Перед следующей секцией 2-II к охлажденной в секции 2-I смеси подмешивается первоначальный высокотемпературный теплоноситель ВЭР, образуя смесь с более высокой температурой, контролируемой датчиком 27 при помощи воздушного клапана 24, и т.д. Из схемы видно, что дополнительная потеря теплоты в данной схеме связана с нагревом вспомогательной среды, забираемой через патрубок 28, до температуры, с которой теплоноситель выбрасывается из установки. На рис. 4 приведен вариант дальнейшей модернизации системы по рис. 3. Данная система практически исключает потери теплоты на подогрев вспомогательной среды. В отличие от схемы на рис. 3, рассматриваемая система образуется рециркуляционным каналом 30 с воздушным клапаном 31. Такое выполнение установки позволяет в момент пуска установки в эксплуатацию использовать патрубок 28. В процессе перехода установки в установившееся рабочее состояние заслонка 29 закрывается, и датчик температуры подключается к воздушному клапану 31 на рециркуляционном канале 30. Данное выполнение системы позволяет и на первом этапе подмешивания использовать охлажденный в установке теплоноситель ВЭР и тем самым полностью сократить тепловые потери, связанные с подмешиванием охлажденной среды к высокотемпературному теплоносителю ВЭР. Индивидуальные системы нагрева приточного воздуха с использованием теплоты ВЭР и вентвыбросов при помощи воздуховоздушных теплоутилизаторов В данном разделе рассмотрены в основном системы нагрева приточного воздуха с использованием воздуховоздушных теплоутилизаторов. К числу воздуховоздушных теплоутилизаторов в данной статье относятся: рекуперативные и регенеративные теплообменники, а также теплообменники на базе тепловых труб. Поскольку каждый теплоутилизатор, как правило, требует своего источника и потребителя ВЭР, то данные системы нами названы индивидуальными. Эти системы при своей кажущейся простоте и проработанности, как показывает практика внедрения их в строительство, вызывают немалые затруднения, что порой приводит к необходимости отказа от них по конструктивным либо по технико-экономическим соображениям. Однако накопленный к настоящему времени опыт внедрения этих систем позволяет рекомендовать несколько схемных решений, которые, в той или иной степени, нельзя отнести к традиционно распространенным системам, решающим известные конструктивные и теплотехнические задачи. На рис. 5 приведена принципиальная схема индивидуальной системы нагрева приточного воздуха с использованием теплоты ВЭР или вентвыбросов при помощи воздуховоздушных теплоутилизаторов рекуперативного или регенеративного типа [10]. Данная схема может применяться в случаях, когда: ❏ носителем теплоты является воздух или близкий по составу к воздуху газ, содержащий пары влаги, которые при низких температурах наружного воздуха приводят к возможности обмерзания поверхности теплообмена теплоутилизаторов со стороны выбросного воздуха; ❏ температурно-влажностный потенциал ВЭР и вентвыбросов подвержен резким колебаниям. Используемое в настоящее время как средство борьбы с обмерзанием байпассирование теплоутилизатора по холодному потоку приводит к изменению температуры потока перед воздухонагревателем. Поскольку величина поверхности воздухонагревателя выбирается из условия наибольшей возможной величины тепловой нагрузки, то поверхность нагрева его в режиме работы с теплоутилизацией является завышенной. В связи с этим, при понижении температуры воздуха перед воздухонагревателем увеличивается степень охлаждения теплоносителя, что при определенных условиях вызывает опасность его реального замораживания. Предложенная схема установки позволяет избежать этого, обеспечивая в период обледенения теплоутилизатора поддержку постоянной температуры воздуха на входе в воздухонагреватель. Преимущества рассматриваемой схемы особенно проявляются при переоборудовании обычных приточных воздухонагревательных установок на установки с утилизацией теплоты с сохранением существующего воздухонагревателя. Установка работает следующим образом. Приточный воздух вентилятором 1 перемещается через воздуховоздушный теплообменник-теплоутилизатор 2, где нагревается за счет теплоты вентвыбросов или ВЭР, проходящих через смежную полость теплообменника. Дальнейшая доводка температуры приточного воздуха осуществляется в воздухонагревателе 3. Вытяжной воздух или ВЭР перемещается вентилятором 4. Кроме того, установка оборудуется: датчиком перепада давлений 5, установленным на теплоутилизаторе 2 со стороны полости выяжного воздуха; рециркуляционным воздуховодом 6, с регулирующим воздушным клапаном 7; направляющим аппаратом 8, связанным с датчиком давления 9; датчиком температуры 10, воздействующим на регулирующий вентиль 11, установленный на трубопроводах, которые снабжают воздухонагреватель 3 теплоносителем, и размещенным на обводном воздуховоде 12 воздушным клапаном 13. Датчик давления 9 поддерживает постоянный расход приточного воздуха, подаваемого в помещение, изменяя производительность приточного вентилятора 1. Датчик температуры 10 поддерживает температуру приточного воздуха, воздействуя в первую очередь на регулирующий вентиль 11 и, после его закрытия, на воздушный клапан 13 обводного воздуховода 12. Датчик перепада давления 5 реагирует на увеличение аэродинамического сопротивления теплоутилизатора 2 со стороны вытяжного воздуха из-за обледенения поверхности нагрева и воздействует на воздушный клапан 7 рециркуляционного воздуховода 6, обеспечивая повышение температуры приточного воздуха перед теплоутилизатором и, тем самым, устраняя причины обледенения теплоутилизатора 2. Данная система достаточно удачно обеспечивает поддержание установки в работоспособном состоянии, поскольку теплоутилизатор 2 предотвращает возможность замораживания воздухонагревателя, а воздухонагреватель в свою очередь поддерживает в работоспособном состоянии теплоутилизатор 2. Одним из недостатков этой схемы является необходимость некоторого завышения установочной мощности приточного вентилятора 1, поскольку в холодный период года осуществляется паразитная циркуляция воздуха. Однако учитывая, что в зимний период года в ряде случаев возможно сокращение воздухообмена, то указанный недостаток не является в данном случае существенным. Как показала практика применения этой схемы нагрева приточного воздуха, целесообразность ее использования, как правило, оправдывается при величине рециркуляции, не превышающей 10–15 %. На рис. 6 изображена принципиальная схема системы нагрева приточного воздуха с использование теплоты вентвыбросов [9] со значительным влагосодержанием. Основная область применения данной системы — нагрев приточного воздуха теплотой вытяжного воздуха, удаляемого из помещений со значительными влаговыделениями, и в которых по санитарно-гигиеническим нормам допускается устройство рециркуляции вытяжного воздуха. Казалось бы, согласно довольно распространенной точке зрения среди специалистов, возможность применения рециркуляции воздуха дает полное основание для отказа использования аппаратного осуществления теплоутилизационных мероприятий. Представленная в данной статье схема позволяет получить значительный технический и экономический эффект от использования в системе наряду с рециркуляцией вытяжного вентиляционного воздуха теплоутилизационных установок. Физическая сущность повышения эффективности системы нагрева воздуха от совместного использования рециркуляции и теплоутилизации заключается в том, что, в связи с конденсацией влаги в теплоутилизаторе из вытяжного воздуха, увеличивается ассимилирующая способность смеси приточного и вытяжного воздуха (Δdʹ вместо Δd, рис. 7). Одновременно при соответствующем расчете теплоутилизатора можно достичь и сокращения тепловой нагрузки на воздухонагреватель (Δlʹ вместо Δl, рис. 7), а в ряде случаев полностью отказаться от воздухонагревателей. Установка, выполненная по схеме на рис. 6, работает следующим образом: приточный воздух центробежным вентилятором 1, догретый после теплоутилизатора 2 в воздухонагревателе 3 теплофикационной водой до требуемой температуры, контролируемой датчиком температуры 4, подается в помещение. В помещении приточный воздух ассимилирует выделяющуюся в нем теплоту и влагу и вытяжным вентилятором 5 удаляется из помещения. Во время прохождения через теплоутилизатор 2 из вытяжного воздуха за счет конденсации удаляется влага, и он при этом охлаждается, т.е. воздух после теплоутилизатора частично осушается и охлаждается. Исключение обледенения теплоутилизатора обеспечивается датчиком перепада давлений 6, установленным на теплоутилизаторе со стороны вытяжного воздуха. Борьба с обмерзанием осуществляется изменением количества наружного воздуха, проходящего через теплоутилизатор 2 при помощи обводного канала 7 с воздушным клапаном 8. Очищенный и охлажденный в теплоутилизаторе вытяжной воздух частично подается на рециркуляцию по рециркуляционному воздуховоду 9 с воздушным клапаном 10, управляемым датчиком 11, либо относительной влажности, либо температуры мокрого термометра, который устанавливается в зависимости от технологической схемы регулирования, принятой проектировщиком, но, как правило, устанавливать его следует в помещении. На рис. 8 приведена индивидуальная теплоутилизационная установка нагрева приточного воздуха с использованием теплоты ВЭР и вентвыбросов нескольких приточных установок. Основной характерной особенностью данной системы является возможность использования воздуховоздушных теплоутилизаторов при значительном удалении источников ВЭР и потребителей теплоты — приточных установок. Это приобретает особую значимость при наличии централизованного выброса вытяжного вентиляционного воздуха и количестве выбрасываемого воздуха, значительно отличающегося от суммарной производительности приточных установок. Представленная на рис. 8 система работает следующим образом: вентиляторные установки 1 забирают часть наружного воздуха через воздухозаборы 2. Другая часть наружного воздуха забирается вентилятором 3 через дополнительный воздухозабор 4, подогревается в воздухо-воздушном теплоутилизаторе 5 теплотой, отбираемой от вытяжного воздуха, и подается на смешение с наружным воздухом. Далее смесь наружного воздуха доводится до требуемой температуры в воздухонагревателях 6 изменением количества теплоносителя, поступающего в воздухонагреватель при помощи трехходового клапана 7 по сигналу датчика температуры 6. ❏ 1. Госстрой БССР, Белорусский Государственный институт промышленного проектирования. Анализ теплоэнергетических балансов, разработка принципиальных схемных решений систем OВ с использованием тепловых ВЭР (технические решения). — Минск, 1984. 2. Типовые материалы для проектирования 904-02-26–86. Системы вентиляции зданий с утилизацией теплоты удаляемого воздуха в жидкостно-воздушных теплоутилизаторах с промежуточным теплоносителем. — М., 1986 г. 3. Госстрой СССР, Главстройпроект, ЦНИИ-промзданий. Разработка предложений по использованию тепла оборотной воды в системах вентиляции Балаковского комбината искусственного волокна. — М., 1988. 4. Богословский В.Н., Поз М.Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. — М.: Стройиздат, 1983. 5. Карпис Е.Е. Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха. — М.: Стройиздат, 1986. 6. МНИИТЭП. Рекомендации по проектированию воздухоприготовительных центров с теплообменниками для утилизации тепла вытяжного воздуха. — М.: 1983. 7. Государственный комитет СССР по ценам. Прейскурант №С9-01. Тарифы на электрическую и тепловую энергию, отпускаемую энергосистемами и электростанциями Министерства энергетики и электрификации СССР. М.: Прейскурантиздат, 1989. 8. Аничхин А.Г. Диаграмма tн–t для анализа работы теплоутилизационных установок «ВНИИкондиционер», Кондиционеростроение, сб. 13. Харьков, 1985 г. 9. Б.И. №20, 1987. Авторское свидетельство №1314200. Установка для утилизации тепловой энергии в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. 10. Б.И. №39, 1985. Авторское свидетельство №1186901. Устройство для утилизации тепловой энергии в системах кондиционирования воздуха. 11. Б.И. №7, 1986. Авторское свидетельство 1213316. Установка для утилизации тепловой энергии. 12. Заявка на изобретение №3786248 от 29.08.84. Установка для утилизации теплоты. 13. Заявка на изобретение №4604538/29 от 2.09.88. Установка для утилизации теплоты. 14. Заявка на изобретение №4604539/29 от 2.09.86. Способ утилизации теплоты. 15. Заявка на изобретение №4643728/29 от 31.01.89. Установка для утилизации теплоты. 16. Заявка на изобретение №4643729/29 от 31.01.89. Способ утилизации теплоты. 17. Б.И. №41, 1988. Авторское свидетельство №1435894. Способ утилизации теплоты. 18. Б.И. №23, 1988. Авторское свидетельство №1488675. Установка для утилизации теплоты.