0 0
0

Рекуперация в системах вентиляции. Анализ систем рекуперации и экономическая целесообразность их применения.

Основные типы рекуператоров

В связи с ростом тарифов на первичные энергоресурсы рекуперация становиться как никогда актуальна. В приточно-вытяжных установках с рекуперацией обычно применяются следующие типы рекуператоров:
  • пластинчатый или перекрестно-точный рекуператор;
  • роторный рекуператор;
  • рекуператоры с промежуточным теплоносителем;
  • тепловой насос;
  • рекуператор камерного типа;
  • рекуператор с тепловыми трубами.

Принцип работы

Принцип работы любого рекуператор в приточно-вытяжных установках заключается в следующем. Он обеспечивает теплообмен (в некоторых моделях – и холодообмен, а также влагообмен) между потоками приточного и вытяжного воздуха. Процесс теплообмена может происходить непрерывно – через стенки теплообменника, с помощью хладона или промежуточного теплоносителя. Может теплообмен быть и периодическим, как в роторном и камерном рекуператоре. В результате выбрасываемый вытяжной воздух охлаждается, нагревая тем самым свежий приточный воздух. Процесс холодообмена в отдельных моделях рекуператоров проходит в теплое время года и позволяет снизить энергозатраты на системы кондиционирования воздуха за счет некоторого охлаждения подаваемого в помещение приточного воздуха. Влагообмен идет между потоками вытяжного и приточного воздуха, позволяя поддерживать в помещении комфортную для человека влажность круглогодично, без использования каких либо дополнительных устройств – увлажнителей и других.

Пластинчатый или перекрестно-точный рекуператор. 

Теплопроводящие пластины рекуперативной поверхности изготавливают из тонкой металлической (материал – алюминий, медь, нержавеющая сталь) фольги или из ультратонкого картона, пластика, гигроскопичной целлюлозы. Потоки приточного и вытяжного воздуха движутся по множеству небольших каналов, образованных этими теплопроводящими пластинами, по схеме противотока. Контакт и смешивание потоков, их загрязнение практически исключены. В конструкции рекуператора движущихся деталей нет. Коэффициент эффективности 50-80%. В рекуператора из металлической фольги из-за разницы температур потоков воздуха на поверхности пластин может конденсироваться влага. В теплое время года ее необходимо отвести в систему канализации здания по специально оборудованному дренажному трубопроводу. В холодное время есть опасность замерзания этой влаги в рекуператоре и его механического повреждения (разморозки). Кроме того, образовавшийся лед сильно снижает эффективность работы рекуператора. Поэтому рекуператоры с металлическими теплопроводящими пластинами требуют при эксплуатации в холодное время года периодической оттайки потоком теплого вытяжного воздуха или использования дополнительного водяного или электрического воздухонагревателя. При этом приточный воздух или совсем не подается, или подается в помещение в обход рекуператора через дополнительный клапан (байпас). Время оттайки составляет в среднем от 5 до 25 минут. Рекуператор с теплопроводящими пластинами из ультратонкого картона и пластика не подвержен обмерзанию, так как через эти материалы идет и влагообмен, но у него другой недостаток – его нельзя использовать для вентиляции помещений с высокой влажностью с целью их осушения. Пластинчатый рекуператор может устанавливаться в приточно-вытяжную систему как в вертикальном, так и в горизонтальном положении в зависимости от требований к размерам венткамеры. Пластинчатые рекуператоры самые распространенные из-за своей относительной простоты конструкции и дешевизны.


Перекрестноточный рекуператорПластинчатый рекуператор принципПластинчатый рекуератор

Роторный рекуператор. 

Этот тип – второй по степени распространения после пластинчатого. Теплота от одного потока воздуха к другому передается через вращающийся между вытяжной и приточной секциями цилиндрический пустотелый барабан, называемый ротором. Внутренний объем ротора заполнен уложенной туда плотно металлической фольгой или проволокой, которая играет роль вращающейся теплопередающей поверхности. Материал фольги или проволоки тот же, что и у пластинчатого рекуператора - медь, алюминий или нержавеющая сталь. Ротор имеет горизонтальную ось вращения приводного вала, вращаемого электродвигателем с шаговым или инверторным регулированием. С помощью двигателя можно управлять процессом рекуперации. Коэффициент эффективности 75-90%. Эффективность рекуператора зависит от температур потоков, их скорости и частоты вращения ротора. Изменяя частоту вращения ротора, можно менять и эффективность работы. Замерзание влаги в роторе исключено, а вот смешивание потоков, их взаимное загрязнение и передачу запахов полностью исключить нельзя, так как потоки непосредственно контактируют друг с другом. Возможно смешивание до 3%. Роторные рекуператоры не требуют больших затрат электроэнергии, позволяют осушать воздух в помещениях с высокой влажностью. Конструкция роторных рекуператоров является более сложной, чем пластинчатых, а их стоимость и затраты на эксплуатацию более высокими. Тем не менее, приточно-вытяжные установки с роторными рекуператорами являются очень популярными благодаря их высокой эффективности. 

Роторный рекуператор принцип Роторный-рекператор

Рекуператоры с промежуточным теплоносителем. 

Теплоноситель чаще всего вода или водные растворы гликолей. Такой рекуператор состоит из двух теплообменников, соединенных между собой трубопроводами с насосом для циркуляции и арматурой. Один из теплообменников помещен в канал с потоком вытяжного воздуха и получает теплоту от него. Теплота через теплоноситель с помощью насоса и труб переносится в другой теплообменник, расположенный в канале приточного воздуха. Приточный воздух воспринимает это тепло и нагревается. Смешивание потоков в этом случае полностью исключено, но из-за наличия промежуточного теплоносителя коэффициент эффективности этого типа рекуператоров относительно низок и составляет 45-55%. На эффективность можно влиять с помощью насоса, воздействуя на скорость движения теплоносителя. Основное преимущество и отличие рекуператора с промежуточным теплоносителем от рекуператора с тепловой трубой в том, что теплообменники в вытяжной и приточной установках можно располагать на расстоянии друг от друга. Положение для монтажа теплообменников, насоса и трубопроводов может быть как вертикальным, так и горизонтальным.

Рекуператор с промежуточным теплоносителем Рекуператор с промежуточным теплоносителем

Тепловой насос.

Относительно недавно появилась интересная разновидность рекуператора с промежуточным теплоносителем – т.н. термодинамический рекуператор, в котором роль жидкостных теплообменников, труб и насоса играет холодильная машина, работающая в режиме теплового насоса. Это своеобразная комбинация рекуператора и теплового насоса. Она состоит из двух хладоновых теплообменников – испарителя-воздухоохладителя и конденсатора, трубопроводов, терморегулирующего вентиля, компрессора и 4-х ходового клапана. Теплообменники размещены в приточном и вытяжном воздуховоде, компрессор необходим для обеспечения циркуляции хладона, а клапан переключает потоки хладагента в зависимости от сезона и позволяет переносить теплоту из вытяжного воздуха в приточный и наоборот. При этом приточно-вытяжная система может состоять из нескольких приточных и одной вытяжной установки большей производительности, объединенных одним холодильным контуром. При этом возможности системы позволяют нескольким приточным установкам работать в разных режимах (нагрев/охлаждение) одновременно. Коэффициент преобразования теплового насоса СОР может достигать значений 4,5-6,5.

Рекуператор тепловой насосРекуператор теплолвой насос 

Рекуператор с тепловыми трубами. 

По принципу работы рекуператор с тепловыми трубами похож на рекуператор с промежуточным теплоносителем. Разница лишь в том, что в потоки воздуха помещают не теплообменники, а так называемые тепловые трубы или точнее термосифоны. Конструктивно это герметично закрытые отрезки медной оребренной трубы, заполненные внутри специально подобранным легкокипящим хладоном. Один конец трубы в вытяжном потоке нагревается, хладон в этом месте кипит и передает воспринятое от воздуха тепло на другой конец трубы, обдуваемый потоком приточного воздуха. Здесь хладон внутри трубы конденсируется и передает тепло воздуху, который нагревается. Полностью исключены взаимное смешивание потоков, их загрязнение и передача запахов. Подвижных элементов нет, трубы в потоки помещают только вертикально либо под небольшим уклоном, чтобы хладон двигался внутри труб от холодного конца к горячему за счет силы тяжести. Коэффициент эффективности 50-70%. Важное условие для обеспечения работы его работы: воздуховоды, в которые установлены термосифоны, должны располагаться вертикально друг над другом.

Рекуператор типа Тепловая трубаРекуператор типа Тепловая труба

Рекуператор камерного типа. 

Внутренний объем (камера) такого рекуператора разделена заслонкой на две половины. Заслонка время от времени движется, меняя тем самым  направление движения потоков вытяжного и приточного воздуха. Вытяжной воздух нагревает одну половину камеры, затем заслонка направляет сюда поток приточного воздуха и он нагревается от нагретых стенок камеры. Этот процесс периодически повторяется. Коэффициент эффективности достигает 70-80%. Но в конструкции есть подвижные детали, в связи с чем существует большая вероятность взаимного смешивания, загрязнения потоков и передачи запахов.
Отправить запрос

Расчет эффективности рекуператора.

В технических характеристиках рекуперативных вентиляционных установок многих фирм-производителей приводят, как правило, два значения коэффициента рекуперации – по температуре воздуха и его энтальпии. Расчет эффективности работы рекуператора может быть произведен по температуре или по энтальпии воздуха. Расчет по температуре учитывает явное теплосодержание воздуха, а по энтальпии – учитывается еще и влагосодержание воздуха (его относительную влажность). Расчет по энтальпии считается более точным. Для расчета необходимы исходные данные. Их получают путем замера температуры и влажности воздуха в трех местах: в помещении (где вентиляционная установка обеспечивает воздухообмен), на улице и в сечении приточной воздухораспределительной решетки (откуда в помещение попадает обработанный наружный воздух). Формула для расчета эффективности рекуперации по температуре следующая:

Kt = (T4 – T1) / (T2 – T1), где

  • Kt – коэффициент эффективности рекуператора по температуре; 
  • T1 – температура наружного воздуха, oC; 
  • T2 – температура вытяжного воздуха (т.е. воздуха в помещении), оС; 
  • T4 – температура приточного воздуха, оС. 
Энтальпия воздуха – это теплосодержание воздуха, т.е. количество теплоты, содержащейся в нем, отнесенное к 1 кг сухого воздуха. Энтальпию определяют с помощью i-d диаграммы состояния влажного воздуха, нанеся на нее точки, соответствующие замеренной температуре и влажности в помещении, на улице и приточного воздуха. Формула для расчета эффективности рекуперации по энтальпии следующая:

Kh = (H4 – H1) / (H2 – H1), где
  • Kh – коэффициент эффективности рекуператора по энтальпии; 
  • H1 – энтальпия наружного воздуха, кДж/кг; 
  • H2 –энтальпия вытяжного воздуха (т.е. воздуха в помещении), кДж/кг; 
  • H4 – энтальпия приточного воздуха, кДж/кг.

Экономическая целесообразность применения приточно-вытяжных установок с рекуперацией. 

В качестве примера возьмем технико-экономическое обоснование применения вентиляционных установок с рекуперацией в системах приточно-вытяжной вентиляции помещений автосалона. 

Исходные данные:
  • объект – автосалон общей площадью 2000 м2; 
  • средняя высота помещений 3-6 м, состоит из двух выставочных залов, офисной зоны и станции технического обслуживания (СТО);
  • для приточно-вытяжной вентиляции указанных помещений были выбраны вентиляционные установки канального типа: 1 единица с расходом воздуха 650 м3/час и потребляемой мощностью 0,4 кВт и  5 единиц с расходом воздуха 1500м3/час и потребляемой мощностью 0,83 кВт. 
  • гарантированный диапазон наружных температур воздуха для канальных установок составляет (-15…+40) оС.
Для сравнения энергопотребления произведем расчет мощности канального электрического воздухонагревателя, которая необходима для подогрева наружного воздуха в холодное время года в приточной установке традиционного типа (состоящей из обратного клапана, канального фильтра, вентилятора и электрического воздухонагревателя)  с расходом воздуха 650 и 1500 м3/час соответственно. При этом стоимость электроэнергии принимаем 5 рублей за 1кВт*час. 
Наружный воздух необходимо нагреть от -15 до +20оС. 
Расчет мощности электрического воздухонагревателя произведен по уравнению теплового баланса:

Qн = G*Cp*T, Вт, где:
  • – мощность воздухонагревателя, Вт;
  • G - массовый расход воздуха через воздухонагреватель, кг/сек;
  • Ср – удельная изобарная теплоемкость воздуха. Ср = 1000кДж/кг*К;
  • Т – разность температур воздуха на выходе из воздухонагревателя и входе.
T = 20 – (-15) = 35 оС.

1. 650 / 3600 = 0,181 м3/сек
р = 1, 2 кг/м3 – плотность воздуха.
G = 0, 181*1, 2 = 0,217 кг/сек
Qн = 0, 217*1000*35 = 7600 Вт.
 
2. 1500 / 3600 = 0, 417 м3/сек
G = 0, 417*1, 2 = 0, 5 кг/ сек
Qн = 0, 5*1000*35 = 17500 Вт.

Таким образом, применение в холодное время года канальных установок с рекуперацией тепла вместо традиционных с использованием электрических воздухонагревателей позволяет уменьшить затраты электроэнергии  при одном и том же количестве подаваемого воздуха более чем в 20 раз и тем самым позволяет снизить затраты и соответственно увеличить прибыль автосалона. Кроме этого, применение установок с рекуперацией позволяет уменьшить финансовые затраты потребителя на энергоносители на отопление помещений в холодное время года и на их кондиционирование в теплое время примерно на 50%.
Для большей наглядности произведем сравнительный финансовый анализ энергопотребления систем приточно-вытяжной вентиляции помещений автосалона, укомплектованных установками с рекуперацией тепла канального типа и традиционных установок с электрическими воздухонагревателями. 

Исходные данные:

Система 1. 

Установки с рекуперацией тепла расходом 650 м3/час– 1ед. и 1500 м3/час – 5ед.
Суммарная электрическая потребляемая мощность составит: 0,4 + 5*0,83 = 4,55 кВт*час.  

Система 2. 

Традиционные канальные приточно-вытяжные вентиляционные установки -1ед. с расходом 650м3/час и 5ед. с расходом 1500м3/час.
Суммарная электрическая мощность установки на 650 м3/час составит:
  • вентиляторы – 2*0,155 = 0,31 кВт*час;
  • автоматика и приводы клапанов – 0,1кВт*час;
  • электрический воздухонагреватель – 7,6 кВт*час;
Итого: 8,01 кВт*час.

Суммарная электрическая мощность установки на 1500м3/час составит: 
  • вентиляторы – 2*0,32 = 0,64кВт*час; 
  • автоматика и приводы клапанов – 0,1 кВт*час;
  • электрический воздухонагреватель – 17,5 кВт*час. 
Итого: (18,24 кВт*час)*5 = 91,2 кВт*час. 
Всего: 91,2 + 8,01 = 99,21кВт*час.

Принимаем период использования подогрева в  системах вентиляции 150 рабочих дней в год по 9 часов. Получаем 150*9 =1350 часов.
Энергопотребление установок с рекуперацией составит: 4,55*1350 = 6142,5 кВт 
Эксплуатационные затраты составят: 5 руб.*6142,5 кВт = 30712,5 руб. или в относительном (к общей площади автосалона 2000 м2) выражении 30172,5 / 2000 = 15,1 руб./м2.
Энергопотребление традиционных систем составит: 99,21*1350 = 133933,5 кВт Эксплуатационные затраты составят: 5 руб.*133933,5 кВт = 669667,5 руб. или в относительном (к общей площади автосалона 2000 м2) выражении 669667,5 / 2000 = 334,8 руб./м2.

Можно рассчитать коэффициент экономии на эксплуатации вентиляционных систем с рекуперацией теплоты в режиме «нагрев» Кн = 334,8 / 15,1 = 22,2. Таким образом, в холодное время года эксплуатация установок с рекуперацией обходится дешевле эксплуатации традиционных вентиляционных установок более чем в 22 раза. Для сравнения энергопотребления произведем расчет холодопроизводительности канального  воздухоохладителя для охлаждения наружного воздуха в теплое время года в приточной установке традиционного типа (состоящей из обратного клапана, канального фильтра, вентилятора и воздухоохладителя) с расходом воздуха 650 и 1500 м3/час соответственно. При этом стоимость электроэнергии принимаем 5 рублей за 1кВт*час. 

Наружный воздух необходимо охладить от +35 до +24оС. 
Расчет холодопроизводительности воздухоохладителя произведен по уравнению теплового баланса:
Qо = G*Cp*T, Вт, где:
  • Qо – холодопроизводительность воздухоохладителя, Вт;
  • G - массовый расход воздуха через воздухоохладитель, кг/сек;
  • Ср – удельная изобарная теплоемкость воздуха. Ср = 1000кДж/кг*К;
  • Т – разность температур воздуха на выходе из воздухоохладителя и входе.
T = 35 – 24 = 11 оС.

3. 650 / 3600 = 0,181 м3/сек
р = 1, 2 кг/м3 – плотность воздуха.
G = 0, 181*1, 2 = 0,217 кг/сек
Qо = 0, 217*1000*11 = 2387 Вт.
 
4. 1500 / 3600 = 0, 417 м3/сек
G = 0, 417*1, 2 = 0, 5 кг/ сек
Qо = 0, 5*1000*11 = 5500 Вт.

Для дальнейшего расчета определяем две основные характеристики холодильной машины с воздухоохладителем, которая обеспечивает охлаждение приточного воздуха. Принимаем значение холодильного коэффициента Е = 3, питание холодильной машины - от электрической сети. Отсюда можем получить мощность, потребляемую холодильной машиной, от  электрической сети Nэ.

Nэ = Qо / Е

Для установки с расходом: 
  • 650 м3/час Nэ = 2387 / 3 = 0,8 кВт;
  • 1500 м3/час Nэ = 5500 / 3 = 1,83 кВт.
Таким образом, применение в теплое время года канальных установок с рекуперацией тепла вместо традиционных с использованием воздухоохладителей позволяет уменьшить затраты электроэнергии  при одном и том же количестве подаваемого воздуха почти в 2,2 раза и тем самым позволяет снизить затраты и соответственно увеличить прибыль автосалона. Кроме этого, применение установок с рекуперацией позволяет уменьшить финансовые затраты потребителя на энергоносители на кондиционирование в теплое время примерно на 50%.

Для большей наглядности произведем сравнительный финансовый анализ энергопотребления систем приточно-вытяжной вентиляции помещений автосалона, укомплектованных установками с рекуперацией тепла канального типа и традиционных установок с  воздухоохладителями. 

Исходные данные:

Система 1.

Установки с рекуперацией тепла расходом 650 м3/час– 1ед. и 1500 м3/час - 5ед.
Суммарная электрическая потребляемая мощность составит: 0,4 + 5*0,83 = 4,55 кВт*час.  

Система 2.

Традиционные канальные приточно-вытяжные вентиляционные установки - 1ед. с расходом 650 м3/час и 5ед. с расходом 1500 м3/час.
Суммарная электрическая мощность установки на 650 м3/час составит:
  • вентиляторы – 2*0,155 = 0,31 кВт*час;
  • автоматика и приводы клапанов – 0,1 кВт*час;
  • холодильная машина с испарителем-воздухоохладителем – 0,8 кВт*час;
Итого: 1,21 кВт*час. 

Суммарная электрическая мощность установки на 1500 м3/час составит: 
  • вентиляторы – 2*0,32 = 0,64 кВт*час; 
  • автоматика и приводы клапанов – 0,1 кВт*час;
  • холодильная машина с испарителем-воздухоохладителем – 1,83 кВт*час. 
Итого: (2,57 кВт*час)*5 = 12,85 кВт*час. 
Всего: 12,85 + 1,21 = 14,06 кВт*час.

Принимаем период использования охлаждения в системах вентиляции 150 рабочих дней в год по 9 часов. Получаем 150*9 =1350 часов.
Энергопотребление установок с рекуперацией составит: 4,55*1350 = 6142,5 кВт 
Эксплуатационные затраты составят: 5 руб.*6142,5 кВт = 30712,5 руб. или в относительном (к общей площади автосалона 2000 м2) выражении 30172,5 / 2000 = 15,1 руб./м2.
Энергопотребление традиционных систем составит: 14,06*1350 = 18981 кВт Эксплуатационные затраты составят: 5 руб.*18981 кВт = 94905 руб. или в относительном (к общей площади автосалона 2000 м2) выражении 94905 / 2000 = 47,5 руб./м2.
Можно рассчитать коэффициент экономии на эксплуатации вентиляционных систем с рекуперацией теплоты в режиме «охлаждение» Ко = 47,5 / 15,1 = 3,2. Таким образом, в теплое время года эксплуатация установок с рекуперацией обходится дешевле эксплуатации традиционных вентиляционных установок почти в 3,2 раза. Коэффициент Кср.г. среднегодовой экономии эксплуатационных расходов составит:

Кср.г. = (22,2+3,2) / 2 = 12,7.

Вывод: среднегодовая экономия эксплуатационных затрат при использовании приточно-вытяжных вентиляционных установок с рекуперацией теплоты по сравнению с традиционными установками канального типа составляет более 12,7 раза.
Специалисты рекомендуют

Вернуться

Наверх
Авторизация
Логин

Пароль

Материалы на данном сайте являются интеллектуальной собственностью правообладателя. Их полное или частичное копирование запрещено и преследуется по закону. Нажимая «ОК», вы подтверждаете готовность нести за это ответственность в соответствии с законодательством Российской Федерации.
OK