Введение

Для создания комфортных условий пребывания людей внутри помещений зданий различного назначения необходимо организовывать воздухообмен. Даже минимальные требования по подаче 20 м³/ч свежего воздуха [1] приводят к существенным затратам теплоты в приточных системах вентиляции. В большинстве случаев системы приточной и вытяжной вентиляции сбалансированы, то есть количество удаляемого нагретого воздуха равно приточному. Поэтому можно говорить про безвозвратные потери нагретого воздуха.

Для нагрева приточного воздуха в системах вентиляции и кондиционирования традиционно используется горячая или перегретая вода ИТП. Большая расчётная нагрузка на ИТП и значительные эксплуатационные затраты ставят перед проектировщиками систем вентиляции и кондиционирования задачу по реализации энергосберегающих мероприятий уже на этапе создания таких систем. Для снижения потребления теплоты с целью нагрева приточного воздуха могут быть предложены различные мероприятия по утилизации теплоты удаляемого (вытяжного) воздуха: рециркуляция, рекуперация и регенерация.

Анализ продаж оборудования для систем вентиляции и кондиционирования воздуха за период 2012–2020 годов позволяет сделать вывод о том, что в момент объём продаж приточно-вытяжных установок достигал 38,5% от общего рынка, а 96% всех приточно-вытяжных установок были оснащены системами рекуперации или регенерации теплоты [2].

Роторные регенераторы

В настоящей статье рассмотрена система утилизации теплоты вытяжного воздуха с применением роторного регенератора.

Роторные регенераторы — это наиболее эффективный тип утилизаторов теплоты удаляемого (вытяжного) воздуха, их КПД составляет порядка 75–85% [2]. Однако особенностью их работы является переток части вытяжного воздуха в приточный. Эта особенность накладывает ограничение на использование установок, в состав которых входит роторный регенератор, в помещениях с повышенными требованиями к чистоте приточного воздуха [1]. На рис. 1 представлено схематическое исполнение приточно-вытяжной установки с роторным регенератором.


Рис. 1. Принципиальная схема приточно-вытяжной установки с роторным регенератором

Независимо от производителя роторных регенераторов их конструкция является практически одинаковой. В качестве аккумулирующей насадки используется алюминиевая фольга толщиной 0,6 мм и высотой ребра 1,9 мм, оребрение — треугольное. Отечественная промышленность выпускает роторные регенераторы в наиболее оптимальном конструктивном исполнении со стандартной глубиной 200 мм и диаметром до 2700 мм.

Аккумулирующая насадка через ремённой привод соединена с мотор-редуктором, который обеспечивает её вращение со скоростью до 60 об/мин. Вращение насадки позволяет попеременно находиться ей в воздухе с разной температурой, то есть в один момент времени насадка нагревается, в другой — остывает. Этот процесс представлен на рис. 2.


Рис. 2. Принцип действия роторного регенератора в системе вентиляции

Уплотнитель

При применении роторных тепловых утилизаторов используются устройства, ограничивающие переток между каналами приточного и вытяжного воздуха. Обычно это специальные уплотнители, которые непосредственно контактируют с теплообменником при вращении. Такие устройства представляют из себя, как правило, плотную щётку из полимерного композита, которая прилегает к вращающемуся теплообменнику, либо резиновую ленту. От плотности прилегания и качества материала зависит степень уплотнения и способность сохранять герметичность при длительной работе устройства.

В работе рассмотрены два типа уплотнителей для роторных утилизаторов теплоты. Наиболее распространённый на текущий момент на рынке тип уплотнения — «тип 1″ (рис. 3а), также имеется уплотнение альтернативной конструкции (разработано компанией «Атмосфера», применяется в установках типа AF-R) — «тип 2″ (рис. 3б).


Рис. 3. Типы уплотнений роторного теплоутилизатора [а — «тип 1» (уплотнение, применяемое в настоящее время в большинстве случаев): 1 — установочный каркас, 2 — роторный теплоутилизатор, 3 — щёточный уплотнитель; б — «тип 2» (предлагаемая конструкция для улучшения показателей герметичности): 1 — установочный каркас, 2 — роторный теплоутилизатор, 3 — щёточный уплотнитель, 4 — тефлоновый либо EPDM (или аналогичный) уплотнитель]

В уплотнении «тип 1» используется щёточный уплотнитель из полимерного композита, устанавливаемый «внахлёст» к роторному теплоутилизатору с целью обеспечить как можно более плотный прижим. Существуют варианты уплотнения «тип 1» с установкой щётки под углом, отличным от 90°, к плоскости входа теплового утилизатора. Реже применяются две щётки, устанавливаемые сверху и снизу.

В уплотнении «тип 2» используется двойное уплотнение из тефлона (также возможно использование материала типа EPDM или аналогичного, возможна вариативность твёрдости по Шору для достижения наилучшего сочетания герметичности и износостойкости) и двойное уплотнение в виде щётки из полимерного композита. Все элементы плотно прилегают к теплообменнику и при этом незначительно препятствуют вращению. Конкретные виды применяемых материалов могут варьироваться в зависимости от необходимой степени износостойкости и соотношения плотности прилегания и величины обеспечиваемой герметичности.

Для сравнения двух приведённых типов уплотнений были проведены экспериментальные исследования. На рис. 4 представлена схема экспериментальной установки. Всего было реализовано две установки, отличие которых заключалось в типах применяемых уплотнителей. Для двух различных типов тепловых утилизаторов проводилось измерение расходов в сечениях L1 и L2 при одинаковых режимах работы вентиляторов.


Рис. 4. Схема экспериментальной установки [1 — вентилятор (2 шт.); 2 — фильтр (2 шт.); 3 — электрический нагреватель (1 шт.); 4 — роторный тепловой утилизатор (1 шт.)]

На тракте вытяжного воздуха установлена заглушка, поэтому расход в сечении L2 фактически является расходом воздуха, пропускаемым уплотнением теплового утилизатора между приточным и вытяжным каналами (L2 = ΔL).

В результате проведённых измерений было определены значения перетока воздуха из приточного тракта в вытяжной. Для уплотнителя «тип 1″ это значение составило 6%, а для «тип 2″ — 3%. Как видно из результатов эксперимента, предлагаемый к реализации уплотнитель предотвращает переток воздуха, что приводит к снижению эксплуатационных затрат.

Оценка энергетического эффекта от применения уплотнения «тип 2″

Снижение перетока воздуха приводит к уменьшению количества воздуха, нагнетаемым приточным вентилятором, так как для соблюдения санитарно-гигиенических требований необходимо учитывать переток воздуха, что ведёт к увеличению общего расхода приточного воздуха [3].

Для предложенной конфигурации приточно-вытяжной установки можно установить совокупный годовой энергосберегающий эффект от применения уплотнения «тип 2″ при условии перетока воздуха из приточного тракта в вытяжной:

где ∆Lp — расчётный переток воздуха исходя из режима работы установки для соответствующего типа уплотнения, м³/ч; p — давление, создаваемое в тракте приточного воздуха на выходе из установки (сопротивление сети), Па; ηв — КПД вентиляторной группы приточного воздуха; τ — годовое время работы вентиляционной установки, ч; ∆Э — электрическая энергия, затрачиваемая на перекачку дополнительного расхода воздуха из-за утечек в вытяжной тракт, кВт·ч.

Для оценки энергосберегающего эффекта целесообразно представить результат использования уплотнителя «тип 2″ в количестве условного топлива. Для перевода единиц измерения использован удельный расход условного топлива (у.т.) bэ = 0,3445 кг у.т/( кВт·ч) [4].

Однако в ряде случаев более наглядно будет представить полученный эффект от использования уплотнителя «тип 2″ в денежном эквиваленте, что позволит оценить инвестиционную привлекательность применения данного уплотнителя.

Для расчёта экономического эффекта нужно располагать актуальными тарифами на электроэнергию, и в рамках настоящей статьи для расчёта были использованы актуальные тарифы энергоснабжающей организации.

В качестве объекта, на котором реализованы приточно-вытяжные установки в комплекте с роторными регенераторами теплоты, укомплектованными уплотнителями «тип 2″, был рассмотрен многофункциональный комплекс переменной этажности с подземной автостоянкой в городе Москве. Характеристики объекта представлены в табл. 1.

Результаты расчётов энергетического и финансового эффектов по рассмотренному многофункциональному комплексу за год сведены в табл. 2. Необходимо отметить, что при расчёте была принята работа установок в двухсменном режиме круглогодично.

Результаты, представленные в табл. 2, позволяют говорить о целесообразности использования уплотнения «тип 2″ в роторных регенераторах теплоты. Показатели, отнесённые к 1 м³ перекачанного приточного воздуха, позволяют оценить энергосберегающий эффект от замены или первоначальной установки уплотнителя «тип 2″ в сравнении с уплотнителем «тип 1″ на объектах подобного рода в Москве.

Заключение

В результате сравнения различных видов уплотнений было определено, что уплотнитель «тип 2″ является более герметичным, чем уплотнитель «тип 1″. Переток воздуха составляет 3% для уплотнителя «тип 2″ и 6% для уплотнителя «тип 1″. Данный факт позволяет говорить о снижении количества перетекаемого воздуха, что приводит к повышению санитарно-гигиенических и энергетических показателей установки.

Для оценки использования уплотнителя «тип 2″ на административных объектах в Москве (при условии двухсменной работы установки круглый год) представлен удельный показатель экономии, выраженный в рублях на 1 м³ перекачанного воздуха. При одноставочном тарифе на момент написания статьи удельный показатель экономии составил 0,22 руб/м³.

Необходимо отметить, что получить актуальный или относящийся к конкретному региону удельный показатель экономии возможно, если известен тариф. Для этого приведён удельный показатель, выраженный в натуральных единицах, то есть затраты электроэнергии [ кВт·ч/м³] на перекачку 1 м³ приточного воздуха.