Утилизации теплоты удаляемого воздуха тепловыми трубками. Рекуперация тепла в системах вентиляции. Определение мощности воздухонагревателя

В данной статье мы предлагаем рассмотреть пример использования современных утилизаторов тепла (рекуператоров) в вентиляционных установках, в частности роторных.

а) конденсационный ротор – утилизирует преимущественно явное тепло. Перенос влаги осуществляется, если вытяжной воздух охлаждается на роторе до температуры ниже «точки росы».
б) энтальпийный ротор – имеет гигроскопическое покрытие фольги, способствующее переносу влаги. Таким образом, утилизируется полное тепло.
Рассмотрим систему вентиляции, в которой будут работать оба типа утилизатора (рекуператора).

Примем, что объектом расчета является группа помещений в неком здании, например, в Сочи или Баку, расчет произведем только на теплый период:

Параметры наружного воздуха:
температура наружного воздуха в теплый период, с обеспеченностью 0,98 – 32°С;
энтальпия наружного воздуха в теплый период года – 69 кДж/кг;
Параметры внутреннего воздуха:
температура внутреннего воздуха – 21°С;
относительная влажность внутреннего воздуха – 40-60%.

Требуемый расход воздуха на ассимиляцию вредностей в этой группе помещений составляет 35000 м³/ч. Луч процесса помещения – 6800 кДж/кг.
Схема воздухораспределения в помещениях – «снизу-вверх» низкоскоростными воздухораспределителями. В связи с этим (расчет прикладывать не будем, т.к. он объёмен и выходит за рамки темы статьи, всё необходимое у нас есть), параметры приточного и удаляемого воздуха следующие:

1. Приточный:
температура – 20°С;
относительная влажность – 42%.
2. Удаляемый:
температура – 25°С;
относительная влажность – 37%

Построим процесс на I-d диаграмме (рис. 1).
Сначала обозначим точку с параметрами внутреннего воздуха (В), затем проведём через неё луч процесса (обратим внимание, что для данного оформления диаграмм, начальной точкой луча являются параметры t=0°C, d=0 г/кг, а направление указывается рассчитанным значением (6800 кДж/кг) указанным на кромке, далее полученный луч переносится на параметры внутреннего воздуха, сохраняя угол наклона).
Теперь, зная температуры приточного и вытяжного воздуха, мы определяем их точки, находя пересечения изотерм с лучом процесса соответственно. Процесс строим от обратного, для того, чтобы получить заданные параметры приточного воздуха опускаем отрезок – нагрев – по линии постоянного влагосодержания до кривой относительной влажности φ=95% (отрезок П-П1).
Подбираем конденсационный ротор, утилизирующий тепло удаляемого воздуха на нагрев П-П1. Получаем коэффициент полезного действия (считается по температуре) ротора порядка 78% и рассчитываем температуру удаляемого воздуха У1. Теперь, подберём энтальпийный ротор, работающий на охлаждение наружного воздуха (Н) полученными параметрами У1.
Получаем, коэффициент полезного действия (считается по энтальпии) порядка 81%, параметры обработанного воздуха на притоке Н1, и на вытяжке У2. Зная параметры Н1 и П1, можно подобрать воздухоохладитель, мощностью 332 500 Вт.

Изобразим вентиляционную установку схематично с рекуператорами (рис. 2).

Теперь, для сравнения, подберём другую систему, на те же параметры, но другой комплектации, а именно: установим один конденсационный ротор.

Теперь (рис. 3) нагрев П-П1 осуществляется электрическим воздухонагревателем, а конденсационный ротор обеспечит следующее: эффективность порядка 83%, температура обработанного приточного воздуха (Н1) – 26°С. Подберём воздухоохладитель на требуемую мощность 478 340 Вт.

Нужно отметить, что для системы 1 требуется меньше мощности на охлаждение и, в добавок к этому, не требуется дополнительных затрат энергоносителя (в данном случае – переменный ток) для второго подогрева воздуха. Сделаем сравнительную таблицу:

Резюмируя

Мы наглядно видим различия работы конденсационного и энтальпийного роторов, экономию энергозатрат, связанных с этим. Однако, стоит отметить, что принцип системы 1 может быть организован только для южных, жарких городов, т.к. при рекуперации тепла в холодный период, показатели энтальпийного ротора не сильно отличаются от конденсационного.

Производство вентиляционных установок с роторными рекуператорами

Компания "Аиркат Климатехник" много лет успешно осуществляет разработку, проектирование, производство и инсталляции приточно-вытяжных установок с роторными рекуператорами. Мы предлагаем современные и нестандартные технические решения, которые работают даже при самом сложном алгоритме эксплуатации и экстремальных условиях.

Для того, чтобы получить предложение на систему вентиляции или кондиционирования, просто обратитесь в любой из

Предыстория развития

Тепло воздуха, который удаляется в атмосферу, является источником экономии энергоресурсов. Не секрет, что на подогрев воздуха, который поступает в здание расходуется 40…80% теплозатрат. Поэтому идея подогрева свежего воздуха за счет отработанного не нова. Еще в Советском Союзе непрерывно велись работы по созданию установок, которые бы позволяли использовать тепловую энергию вытяжного воздуха. Но к сожалению результаты этих исследований использовались только в специальных проектах (промышленного, оборонного назначения, научного значения).

За границей причиной применения, обуславливающей начало применения подобных установок, стал первый энергетический кризис. При этом, устройства утилизации тепловой энергии удаляемого воздуха, изначально проектировались для использования в многоквартирных жилых домах и коттеджах. Как следствие этого, сегодня воздушное отопление повсеместно применяется в Канаде и ближайших к ней штатах США. Так в Канаде не применяются вовсе водяные системы отопления.

В России утилизаторы тепла массово начали применяться с началом активного малоэтажного строительства, когда у частных застройщиков начал появляться интерес к энергоэффективному, энергосберегающему оборудованию.

Применение электроэнергии для отопления

Использование вентиляционной отопительной техники подразумевает применение электроэнергии для отопления. До недавнего времени применение электроэнергии для отопления было запрещено законодательно. Это связано с политикой экономии энергии, проводимой в Советском Союзе. Со времени распада Советского Союза многое изменилось.

В настоящее время, когда начинают применяться новые материалы и осваиваться новые технологии, мнение специалистов о допустимости применения электроэнергии для отопления начинает меняться. Ввод в действие 2000 года новых норм, которые требуют улучшения теплозащиты жилых зданий, способствует этому. Согласно новых норм, нормируемые потери тепла через наружные стены сокращаются в 2,5–3,0 раза по сравнению с нормами 1995 г.

В будущем нормы по теплозащите и энергоэффективности будут только ужесточаться. В этих условиях исчезнет само понятие инфильтрации воздуха, помещения будут герметичными. В таких условиях применению устройств утилизации тепла откроются самые широкие перспективы.

Существующие виды рекуператоров

Настоящая номенклатура утилизаторов тепла очень разнообразна. Но все разнообразие можно свести к следующим типам: а) кожухотрубные и пластинчатые теплообменники, в том числе, перекрёстноточные; б) роторные (регенеративные); в) тепловые насосы с промежуточным рабочим телом. Возможности большинства современных устройств позволяют утилизировать и использовать для подогрева подаваемого в помещения воздуха только 60% тепла отработанного воздуха. Для объектов с небольшим объемом здания для того, чтобы установка утилизатора тепла окупилась необходимо, чтобы эта цифра составляла 90 %.

Перспективное направление развития утилизаторов тепла

Увеличить КПД утилизаторов тепла позволяет применение описанного ниже метода. Как известно, теплоемкость воды наибольшая по сравнению с другими жидкостями. Теплоёмкость воздуха в 4,5 раза ниже теплоёмкости воды. На использовании воды основана технология ультра-дисперсии удаляемого воздуха в воде. Для того чтобы увеличить скорость передачи тепла от удаляемого воздуха этот воздух специальным образом пропускают через воду, создавая пузырьки размером с микрон.

Скорость передачи тепла увеличивается так как микронных размеров пузырьки разрушают термическое сопротивления поверхностного слоя воды. Применение технологии технология ультра-дисперсии удаляемого воздуха в воде позволит использовать 90-95% тепла удаляемого воздуха. Важно, что рекуператор, построенный по указанной технологии, имеет минимальное число деталей, минимальные размеры, он прост в эксплуатации.

Способы применения утилизаторов тепла

• Первый способ – применение теплоутилизатора рекуперативного типа. При этом имеет место частичный подогрев подаваемого в помещение воздуха.
• Второй способ – утилизация теплоты с помощью тепловых насосов.
• Третий способ – использование тепла уходящего воздуха для подогрева поступающей воды. Система включает в себя значительного габарита водонагреватели и аккумуляторы подогретой воды.

Современное положение дел в России по рассматриваемому вопросу

Федеральным законом № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» предписано снизить энергоемкость инженерных систем здания. Стоит задача к 2020 году снизить энергоемкость ВВП на 40% к уровню 2007 года. Такая тенденция на увеличение энергоэффективности, улучшение теплозащиты повсеместна.

Постановлением Правительства Москвы № 900 от 5 октября 2010 года «О повышении энергетической эффективности жилых, социальных и общественно-деловых зданий в городе Москве…», установлен уровень энергопотребления, обеспечить невозможно без утилизации тепла.

Российская Федерация, вступив в ВТО, обязалась привести цены на энергоносители для внутренних потребителей к уровню мировых цен. Во всем мире вопросы энергоэффективности, а как следствие вопросы утилизации тепла стоят очень остро. Правительства стран вводят в действие и добиваются исполнения программ по улучшению энергоэффективности. Поэтому с ростом внутренних цен на энергоносители неизбежно будет расти интерес к установкам по утилизации тепла

В «русской печи» нагревался приточный воздух, с помощью этого прогревалось жилое помещение. В Европе систему отопления, где как в русской печи предусматривались каналы, называли «русской». Этим признана большая эффективность русской печи в сравнении с европейским отоплением. В настоящее время можно говорить о необходимости вернуться к истокам в вопросах отопления.

Приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине"Тепло-массообменное оборудование предприятий"

(к учебному плану 200__г)

Занятие № 26. Теплообменники – утилизаторы. Конструкции, принцип действия

Разработал: к.т.н., доцент Костылева Е.Е.

Обсуждена на заседании кафедры

протокол № _____

от "_____" ___________2008 г.

Казань - 2008 г.

Занятие № 26 . Теплообменники – утилизаторы. Конструкции, принцип действия

Учебные цели:

1. Изучить конструкции и принцип различных теплообменников утилизаторов

Вид занятия: лекция

Время проведения : 2 часа

Место проведения : ауд. ________

Литература:

1. Электронные ресурсы Internet.

Учебно-материальное обеспечение:

Плакаты, иллюстрирующие учебный материал.

Структура лекции и расчет времени:

Одним из источников вторичных энергоресурсов в здании является тепловая энергия воздуха, удаляемого в атмосферу. Расход тепловой энергии на подогрев поступающего воздуха составляет 40...80% теплопотребления, большая ее часть может быть сэкономлена в случае применения так называемых теплообменников-утилизаторов.

Существуют различные типы теплообменников-утилизаторов.

Рекуперативные пластинчатые теплообменники выполняются в виде пакета пластин, установленных таким образом, что они образуют два смежных канала, по одному из которых движется удаляемый, а по другому - приточный наружный воздух. При изготовлении пластинчатых теплообменников такой конструкции с большой производительностью по воздуху возникают значительные технологические трудности, поэтому разработаны конструкции кожухотрубных теплообменников-утилизаторов ТКТ, представляющих собой пучок труб, расположенных в шахматном порядке и заключенных в кожух. Удаляемый воздух движется в межтрубном пространстве, наружный - внутри трубок. Движение потоков перекрестное.

Рис. 1 Теплообменники- утилизаторы:
а - пластинчатый утилизатор; б - утилизатор ТКТ;в - вращающийся; г - рекуперативный;
1 - корпус; 2 - приточный воздух; 3 - ротор; 4 - сектор продувной; 5 - вытяжной воздух; 6 - привод.

С целью предохранения от обледенения теплообменники снабжены дополнительной линией по ходу наружного воздуха, через которую при температуре стенок трубного пучка ниже критической (-20°С) перепускается часть холодного наружного воздуха.

Установки утилизации тепла вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем могут применяться системах механической приточно-вытяжной вентиляции, а также в системах кондиционирования воздуха. Установка состоит из расположенного в приточном и вытяжном каналах воздухонагревателя, соединенного замкнутым циркуляционным контуром, заполненным промежуточным носителем. Циркуляция теплоносителя осуществляется посредством насосов. Удаляемый воздух, охлаждаясь в воздухонагревателе вытяжного канала, передает тепло промежуточному теплоносителю, нагревающему приточный воздух. При охлаждении вытяжного воздуха ниже температуры точки росы на части теплообменной поверхности воздухонагревателей вытяжного канала происходит конденсация водяного пара, что приводит к возможности образования наледи при отрицательных начальных температурах приточного воздуха.

Установки утилизации тепла с промежуточным теплоносителем могут работать либо в режиме, допускающем образование наледи на теплообменной поверхности вытяжного воздухонагревателя в течение суток при последующем отключении и оттаивании, либо, если отключение установки недопустимо, при применении одного из следующих мероприятий по защите воздухонагревателя вытяжного канала от образования наледи:

• предварительного нагрева приточного воздуха до положительной температуры;
• создание байпаса по теплоносителю или приточному воздуху;
• увеличения расхода теплоносителя в циркуляционном контуре;
• подогрева промежуточного теплоносителя.

Выбор типа регенеративного теплообменника производят в зависимости от расчетных параметров удаляемого и приточного воздуха и влаговыделений внутри помещения. Регенеративные теплообменники могут устанавливаться в зданиях различного назначения в системах механической приточно-вытяжной вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования воздуха. Установка регенеративного теплообменника должна обеспечивать противоточное движение воздушных потоков.

Систему вентиляции и кондиционирования воздуха с регенеративным теплообменником необходимо оснастить средствами контроля и автоматического регулирования, которые должны обеспечивать режимы работы с периодическим оттаиванием инея или предотвращением инееобразования, а также поддерживать требуемые параметры приточного воздуха. Для предупреждения инееобразования по приточному воздуху:

• устраивают обводной канал;
• предварительно подогревают приточный воздух;
• изменяют частоту вращения насадки регенератора.

В системах с положительными начальными температурами приточного воздуха при утилизации тепла нет опасности замерзания конденсата на поверхности теплообменника в вытяжном канале. В системах с отрицательными начальными температурами приточного воздуха необходимо применять схемы утилизации, обеспечивающие защиту от обмерзания поверхности воздухонагревателей в вытяжном канале.

Теплообменники-утилизаторы могутт быть использованы в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для утилизации теплоты удаляемого из помещения вытяжного воздуха.

Потоки приточного и вытяжного воздуха подводят через соответствующие входные патрубки в перекрестноточные каналы теплообменного блока, выполненного, например, в виде пакета алюминиевых пластин. При движении потоков по каналам происходит передача теплоты через стенки от более теплого вытяжного воздуха к более холодному, приточному. Затем эти потоки выводят из теплообменника через соответствующие выходные патрубки.

По мере прохождения через теплообменник температура приточного воздуха снижается. При низкой температуре наружного воздуха она может достигнуть температуры точки росы, что ведёт к выпадению капельной влаги (конденсата) на поверхности, ограничивающие каналы теплообменника. При отрицательной температуре этих поверхностей конденсат превращается в иней или лёд, что естественно нарушает работу теплообменника. Для предотвращения образования инея или льда или их удаления в процессе работы данного теплообменника измеряют температуру в самом холодном углу теплообменника или (как вариант) разность давлений в канале вытяжного воздуха до и после теплообменного блока. При достижении предельного, заранее заданного значения измеряемым параметром теплообменный блок поворачивается на 180" вокруг своей центральной оси. Таким образом обеспечивается снижение аэродинамического сопротивления, затрат времени на предотвращение образования инея или его удаление и использование при этом всей теплообменной поверхности.

Задача заключается в снижении аэродинамического сопротивления потоку приточного воздуха, использование для процесса теплообмена всей поверхности теплообменника при проведении процесса предотвращения образования инея или его удаления, а также уменьшение затрат времени на проведение указанного процесса.

Достижению указанного технического результата способствует то, что параметром, по которому судят о возможности образования или наличии инея на поверхности холодной зоны теплообменника, служит либо температура его поверхности в самом холодном углу, либо разность давлений в канале вытяжного воздуха до и после теплообменного блока.

Предотвращение образования инея посредством нагрева поверхности подводимым в каналы с их выходной стороны при помощи поворота теплообменника на угол 180 о потоком вытяжного воздуха (при достижении измеряемым параметром предельного значения) обеспечивает постоянное аэродинамическое сопротивление потоку приточного воздуха, а также использование для теплообмена всей поверхности теплообменника в течение всего времени его работы.

Использование теплообменника-утилизатора дает заметную экономию средств на отопление помещений и снижает потери тепла, неотвратимо существующие при вентиляции и кондиционировании. А за счёт принципиально нового подхода к предупреждению образования конденсата с последующим появлением инея или льда, их полному удалению, значительно повышается эффективность работы данного утилизатора, что выгодно отличает его от других средств утилизации тепла вытяжного воздуха.

Сегодня энергосбережение является приоритетным направлением развития мировой экономики. Истощение естественных энергетических запасов, повышение стоимости тепловой и электрической энергии неминуемо приводит нас к необходимости разработки целой системы мероприятий, направленных на повышения эффективности работы энергопотребляющих установок. В этом контексте снижение потерь и вторичное использования затрачиваемой тепловой энергии становится действенным инструментом в решении поставленной проблемы.

В условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов все большее внимание привлекает проблема дальнейшего совершенствования систем кондиционирования воздуха как крупных потребителей тепловой и электрической энергии. Важную роль в решении этой задачи призваны сыграть мероприятия по повышению эффективности работы тепломассообменных аппаратов, составляющих основу подсистемы политропной обработки воздуха, затраты на функционирование которой достигают 50 % всех затрат на эксплуатацию СКВ.

Утилизация тепловой энергии вентиляционных выбросов является одним из ключевых методов экономии энергетических ресурсов в системах кондиционирования воздуха и вентиляции зданий и сооружений различного назначения. На рис. 1 приведены основные схемы утилизации теплоты вытяжного воздуха, реализуемые на рынке современного вентиляционного оборудования.

Анализ состояния производства и применения теплоутилизационного оборудования за рубежом указывает на тенденцию преимущественного использования рециркуляции и четырех типов утилизаторов теплоты вытяжного воздуха: вращающихся регенеративных, пластинчатых рекуперативных, на базе тепловых труб и с промежуточным теплоносителем. Применение этих устройств зависит от условий работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха, экономических соображений, взаимного расположения приточных и вытяжных центров, эксплуатационных возможностей .

В табл. 1 приведен сравнительный анализ различных схем утилизации теплоты вытяжного воздуха. Среди основных требований со стороны инвестора к теплоутилизационным установкам следует отметить: цену, эксплуатационные затраты и эффективность работы. Наиболее дешевые решения характеризуются простотой конструкции и отсутствием движущихся частей, что позволяет выделить среди представленных схем установку с перекрестноточным рекуператором (рис. 2) как наиболее соответствующую для климатических условий европейской части России и Польши.

Исследования последних лет в области создания новых и совершенствования существующих теплоутилизационных установок систем кондиционирования воздуха указывают на отчетливую тенденцию разработки новых конструктивных решений пластинчатых рекуператоров (рис. 3), решающим моментом при выборе которых является возможность обеспечения режимов безаварийной работы установки в условиях конденсации влаги при отрицательных температурах наружного воздуха.

Температура наружного воздуха, начиная с которой наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха, зависит от следующих факторов: температуры и влажности удаляемого воздуха, отношения расходов приточного и удаляемого воздуха, конструктивных характеристик. Отметим особенность работы теплоутилизаторов при отрицательных температурах наружного воздуха: чем выше эффективность теплообмена, тем больше опасность появления инея на поверхности каналов вытяжного воздуха.

В связи с этим низкая эффективность теплообмена в перекрестноточном теплоутилизаторе может оказаться преимуществом с точки зрения снижения опасности обледенения поверхностей каналов вытяжного воздуха. Обеспечение безопасных режимов как правило связано с реализацией следующих традиционных мер по предотвращению обмерзания насадки: периодическое отключение подачи наружного воздуха, его байпасирование или предварительный подогрев, осуществление которых безусловно снижает эффективность утилизации теплоты вытяжного воздуха .

Одним из путей решения этой проблемы является создание теплообменных аппаратов, в которых обмерзание пластин либо отсутствует, либо наступает при более низких температурах воздуха. Особенностью работы воздухо-воздушных утилизаторов теплоты является возможность реализации процессов тепломассопереноса в режимах «сухого» теплообмена, одновременного охлаждения и осушения удаляемого воздуха с выпадением конденсата в виде росы и инея на всей или части теплообменной поверхности (рис. 4).

Рациональное использование теплоты конденсации, величина которой при определенных режимах работы теплоутилизаторов достигает 30 %, позволяет существенно увеличить диапазон изменения параметров наружного воздуха, при которых обледенение теплообменных поверхностей пластин не происходит. Однако решение задачи определения оптимальных режимов работы рассматриваемых теплоутилизаторов, соответствующих определенным эксплуатационным и климатическим условиям, и области его целесообразного применения, требует детальных исследований тепломассообмена в каналах насадки с учетом процессов конденсации и инееобразования.

В качестве основного метода исследования выбран численный анализ. Он обладает и наименьшей трудоемкостью, и позволяет определить характеристики и выявить закономерности процесса на основании обработки информации о влиянии исходных параметров. Поэтому экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в рассматриваемых аппаратах проводились в значительно меньшем объеме и, в основном, для проверки и корректировки зависимостей, полученных в результате математического моделирования.

При физико-математическом описании тепломассообмена в исследуемом рекуператоре было отдано предпочтение одномерной модели переноса (ε-NTUмодель). В этом случае течение воздуха в каналах насадки рассматривается как поток жидкости с постоянными по его сечению скоростью, температурой и потенциалом массопереноса, равными среднемассовым значениям . С целью повышения эффективности утилизации теплоты в современных теплообменниках используется оребрение поверхности насадки.

Тип и расположение ребер значительно влияет на характер протекания процессов тепломассообмена. Изменение температуры по высоте ребра приводит к реализации различных вариантов процессов тепломассообмена (рис. 5) в каналах удаляемого воздуха, что существенно усложняет математическое моделирование и алгоритм решения системы дифференциальных уравнений.

Уравнения математической модели процессов тепломассопереноса в перекрестно-точном теплообменнике реализуются в ортогональной системе координат с осями ОX и ОY, направленными параллельно потокам холодного и теплого воздуха соответственно, и осями Z1 и Z2, перпендикулярной поверхности пластин насадки в каналах приточного и удаляемого воздуха (рис. 6), соответственно.

В соответствии с допущениями данной ε-NTU-модели тепломассоперенос в исследуемом утилизаторе описывается дифференциальными уравнениями теплового и материального балансов, составляемых для взаимодействующих потоков воздуха и насадки с учетом теплоты фазового перехода и термического сопротивления образующегося слоя инея. Для получения однозначного решения система дифференциальных уравнений дополняется граничными условиями, устанавливающими значения параметров обменивающихся сред на входах в соответствующие каналы рекуператора.

Сформулированная нелинейная задача не может быть решена аналитически, поэтому интегрирование системы дифференциальных уравнений осуществлялось численными методами. Достаточно большой объем проведенных численных экспериментов, проведенных на ε-NTU-моделе, позволил получить массив данных, который был использован для анализа характеристик процесса и выявления его общих закономерностей.

В соответствии с задачами исследования работы теплоутилизатора выбор изучаемых режимов и диапазоны варьирования параметров обменивающихся потоков осуществлялся так, чтобы наиболее полно моделировались реальные процессы тепломассообмена в насадке при отрицательных значениях температуры наружного воздуха, а также условия протекания наиболее опасных с точки зрения эксплуатации вариантов режимов работы теплоутилизационного оборудования.

Представленные на рис. 7-9 результаты расчета режимов работы исследуемого аппарата, характерных для климатических условий с низкой расчетной температурой наружного воздуха в зимний период времени года, позволяют судить о качественно ожидавшейся возможности образования трех зон активного тепломассообмена в каналах удаляемого воздуха (рис. 6), отличающихся по характеру протекающих в них процессов.

Анализ тепломассообменных процессов, протекающих в этих зонах, позволяет оценить возможные пути реализации эффективного улавливания теплоты удаляемого вентиляционного воздуха и снижения опасности образования инея в каналах насадки теплообменника на основе рационального использования теплоты фазового перехода. На основании проведенного анализа установлены граничные температуры наружного воздуха (табл. 2), ниже которых наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха.

Выводы

Представлен анализ различных схем утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Отмечены преимущества и недостатки рассмотренных (существующих) схем утилизации теплоты вытяжного воздуха в установках вентиляции и кондиционирования воздуха. На основе проведенного анализа предложена схема с пластинчатым перекрестноточным рекуператором:

• на базе математической модели разработан алгоритм и программа расчета на ЭВМ основных параметров тепломассообменных процессов в исследуемом теплоутилизаторе;
• установлена возможность образования различных зон конденсации влаги в каналах насадки утилизатора, в пределах которых характер тепломассообменных процессов существенно меняется;
• анализ полученных закономерностей позволяет установить рациональные режимы работы исследуемых аппаратов и области их рационального использования для различных климатических условий российской территории.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ

Условные обозначения: h реб — высота ребра, м; l реб — длина ребра, м; t — температура, °C; d — влагосодержание воздуха, кг/кг; ϕ — относительная влажность воздуха, %; δ реб — толщина ребра, м; δ ин — толщина слоя инея, м.

Индексы: 1 — наружный воздух; 2 — удаляемый воздух; e — на входе в каналы насадки; р еб — ребро; ин — иней, o — на выходе из каналов насадки; рос — точка росы; sat — состояние насыщения; w — стенка канала.

Необходимость энергосбережения при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий любого назначения не подлежит сомнению и связана в первую очередь с исчерпанием запасов органического топлива и, как следствие, его непрерывным удорожанием. Особое внимание при этом необходимо уделять сокращению затрат теплоты именно на системы вентиляции и кондиционирования воздуха, поскольку доля этих расходов в общем энергетическом балансе может быть даже выше, чем трансмиссионные теплопотери, в первую очередь в общественных и промышленных зданиях и после повышения теплозащиты наружных ограждений .

Одно из наиболее перспективных, малозатратных и быстроокупаемых энергосберегающих мероприятий в системах механической вентиляции и кондиционирования — это утилизация теплоты вытяжного воздуха для частичного подогрева притока в холодный период года. Для осуществления теплоутилизации используются аппараты различных конструкций, в т.ч. пластинчатые перекрестноточные рекуперативные теплообменники и регенераторы с вращающимся ротором, а также устройства с так называемыми тепловыми трубами (термосифоны).

Однако можно показать, что в условиях сложившегося в РФ уровня цен на вентиляционное оборудование и, главным образом, ввиду практического отсутствия собственного производства перечисленных типов устройств, с техникоэкономической точки зрения целесообразно рассматривать утилизацию теплоты только на базе аппаратов с промежуточным теплоносителем. Такая конструкция, как известно, обладает целым рядом преимуществ .

Во-первых, для ее реализации используется серийное оборудование, поскольку здесь приточная установка дополняется только калорифером-утилизатором, а вытяжная — охладителем-утилизатором, которые конструктивно аналогичны обычным калориферам и охладителям. Это особенно существенно, поскольку в РФ имеется ряд предприятий, ведущих собственное производство рассматриваемых изделий, в т.ч. такие крупные, как ООО «Веза ».

Кроме того, теплоутилизационное оборудование данного типа очень компактно, а соединение приточного и вытяжного агрегатов только через циркуляционный контур с промежуточным теплоносителем позволяет выбирать место для их размещения практически независимо друг от друга. В качестве теплоносителя обычно используются низкозамерзающие жидкости типа антифризов, причем небольшой объем циркуляционного контура позволяет пренебречь затратами на антифриз, а герметичность контура и нелетучесть антифриза делают второстепенным вопрос о его токсичности.

Наконец, отсутствие непосредственного контакта потоков подаваемого и удаляемого воздуха не накладывает ограничений на чистоту вытяжки, что практически безгранично расширяет группу зданий и помещений, где можно применять теплоутилизацию. В качестве недостатка обычно указывают не слишком высокую температурную эффективность, не превышающую 50-55% .

Но это как раз тот случай, когда вопрос о целесообразности использования теплоутилизации должен решаться технико-экономическим расчетом, о чем мы и будем говорить далее в нашей статье. Можно показать, что срок окупаемости дополнительных капитальных затрат по устройству теплоутилизации с промежуточным теплоносителем не превышает трех-четырех лет.

Это особенно существенно в условиях нестабильной рыночной экономики с заметно меняющимся уровнем цен на оборудование и тарифов на энергетические ресурсы, что не позволяет применять капиталоемкие инженерные решения. Однако остается открытым вопрос об экономически наиболее целесообразной температурной эффективности такого теплоутилизационного оборудования k эф, т.е. доли теплоты, затрачиваемой на подогрев притока за счет теплоты вытяжного воздуха, по отношению к общей тепловой нагрузке. Обычно используемые значения данного параметра лежат в диапазоне от 0,4 до 0,5. Сейчас мы покажем, на каком основании приняты указанные значения.

Эта проблема будет рассмотрена на примере приточно-вытяжной вентиляционной установки производительностью 10 000 м 3 /ч, использующей оборудование ООО «Веза». Данная задача является оптимизационной, поскольку сводится к выявлению значения k эф, обеспечивающего минимум совокупных дисконтированных затрат СДЗ на устройство и эксплуатацию вентиляционного оборудования.

Расчет следует вести при условии использования заемных средств на сооружение вентустановок и приведения СДЗ к концу рассматриваемого временного интервала Т по следующей формуле :

где К — общие капитальные затраты, руб; Э — суммарные годовые эксплуатационные издержки, руб/год; p — норма дисконта, %. При вычислениях ее можно принимать равной ставке рефинансирования ЦБ РФ. С 15 января 2004 г. эта величина равна 14% годовых. В данном случае удается исследовать задачу в достаточно полном объеме сравнительно элементарными средствами, поскольку все составляющие затрат легко учитываются и достаточно просто вычисляются.

Впервые решение этой задачи было опубликовано автором в работе для уровня цен и тарифов, действовавших на тот момент. Однако, как легко будет убедиться, при пересчете на более поздние данные основные выводы сохраняют свою силу. Одновременно мы покажем, как следует осуществлять сам технико-экономический расчет при необходимости выбора оптимального варианта инженерного решения, поскольку все другие задачи будут отличаться только определением величины К.

Но это легко делается по каталогам и прайслистам предприятий-производителей соответствующего оборудования. В нашем примере капитальные затраты определялись по данным компании «Веза», исходя из производительности и принятого набора секций приточной и вытяжной установок: передняя панель с одним вертикальным клапаном,фильтр ячейковый класса G3, вентиляторный блок; кроме того, в приточной установке также дополнительно воздухонагреватель системы теплоутилизации и догревающий калорифер с теплоснабжением от теплосети, а в вытяжной — воздухоохладитель системы теплоутилизации, а также циркуляционный насос.Схема такой установки показана на рис. 1. Расходы на монтаж и наладку вентиляционных агрегатов принимались в размере 50% от основных капиталовложений.

Затраты на теплоутилизационное оборудование и догревающий калорифер вычислялись по результатам расчетов на ЭВМ по программам компании «Веза» в зависимости от эффективности утилизатора. При этом с ростом эффективности величина К растет, поскольку число рядов трубок теплообменников системы утилизации увеличивается быстрее (для k эф = = 0,52 — до 12 в каждой установке), чемсокращается число рядов догревающего калорифера (с 3 до 1 в тех же условиях).

Эксплуатационные издержки складываются из годовых затрат соответственно на тепловую и электрическую энергию и амортизационные отчисления. При их расчете продолжительность работы установки в течение суток в расчетах принималась равной 12 ч, температура воздуха за догревающим калорифером +18°С, а после теплоутилизатора — в зависимости от k эф через среднюю наружную температуру за отопительный период и температуру вытяжного воздуха.

Последняя по умолчанию равна +24,7°С (программа подбора теплоутилизаторов ООО «Веза»). Тариф на тепловую энергию принимался по данным ОАО «Мосэнерго» на середину 2004 г. в размере 325 руб/Гкал (для бюджетных потребителей). Очевидно, что с ростом k эф величина затрат на тепловую энергию уменьшается, что, вообще говоря, и является целью теплоутилизации.

Затраты на электроэнергию рассчитываются через электрическую мощность, требуемую для привода циркуляционного насоса системы теплоутилизации и вентиляторов приточной и вытяжной установок. Эта мощность определяется, исходя из потерь давления в циркуляционном контуре, плотности и расхода промежуточного теплоносителя, а также аэродинамического сопротивления вентиляционных установок и сетей. Все перечисленные величины, кроме плотности теплоносителя, принятой равной 1200 кг/м 3 , вычисляются по программам подбора теплоутилизационного и вентиляционного оборудования ООО «Веза». Кроме того, в выражениях для мощности участвуют также коэффициенты полезного действия применяемых насосов и вентиляторов.

В расчетах использовались средние значения: 0,35 для насосов типа GRUNDFOS с мокрым ротором и 0,7 для вентиляторов типа RDН. Тариф на электроэнергию учитывался по данным ОАО «Мосэнерго» на середину 2004 г. в размере 1,17 руб/(кВт ֹч). При увеличении k эф уровень затрат на электроэнергию возрастает, поскольку с ростом числа рядов утилизационных теплообменников повышается их сопротивление потоку воздуха, а также потери давления в циркуляционном контуре промежуточного теплоносителя.

Однако в целом данная составляющая расходов существенно меньше затрат на тепловую энергию. Амортизационные отчисления также возрастают с увеличением k эф постольку, поскольку при этом увеличиваются капитальные затраты. Расчет этих отчислений проводится исходя из обеспечения затрат на полное восстановление, капитальный и текущий ремонт оборудования, с учетом расчетного срока службы оборудования ТАМ, принятого при вычислениях равным 15 годам.

В целом, однако, суммарные эксплуатационные затраты с ростом эффективности утилизации уменьшаются. Поэтому возможно существование минимума СДЗ при том или ином уровне k эф и фиксированном значении Т. Результаты соответствующих расчетов показаны на рис. 2. На графиках легко можно видеть, что минимум на кривой СДЗ появляется практически при любом горизонте расчета, который по смыслу задачи равен требуемому сроку окупаемости.

Это означает, что при существующих ценах на оборудование и тарифах на энергетические ресурсы любые, даже самые незначительные капиталовложения в теплоутилизацию окупаются, и достаточно быстро. Поэтому утилизация теплоты с промежуточным теплоносителем оправдана практически всегда. С ростом предполагаемого срока окупаемости минимум на кривой СДЗ быстро смещается в область более высокой эффективности, достигая 0,47 при Т = Т АМ = 15 лет.

Понятно, что оптимальным значением k эф для принятого срока окупаемости будет то, при котором наблюдается минимум СДЗ. График зависимости такого оптимального значения k эф от Т приведен на рис. 3. Поскольку более длительный срок окупаемости, превышающий расчетный срок службы оборудования, вряд ли оправдан, следует, видимо, остановиться на уровне k эф = 0,4-0,5, тем более что при дальнейшем росте Т увеличение оптимальной эффективности резко замедляется.

Кроме того, следует учесть, что рассматриваемый способ теплоутилизации при любой поверхности теплообмена и расходе теплоносителя вообще принципиально не может обеспечить величину k эф выше 0,52-0,55, что и подтверждается расчетом по программе компании «Веза». Если принять тариф на тепловую энергию как для коммерческих потребителей в размере 547 руб/Гкал, снижение годовых издержек за счет теплоутилизации будет выше, поэтому график на рис. 3 показывает верхний предел возможного срока окупаемости.

Таким образом, указанный диапазон значений k эф от 0,4 до 0,5 находит полное технико-экономическое обоснование. Поэтому основной практической рекомендацией по итогам приведенного исследования является возможно более широкое использование утилизации теплоты вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем в любых зданиях, где предусматривается механическая приточно-вытяжная вентиляция и кондиционирование воздуха, с выбором коэффициента температурной эффективности, близкого к максимально возможному для данного типа установок. Другой рекомендацией является обязательный для рыночной экономики учет дисконтирования капитальных и эксплуатационных затрат при технико-экономическом сравнении вариантов инженерных решений по формуле (1).

При этом, если сравниваются только два варианта, как это чаще всего и бывает, удобно сравнивать только дополнительные затраты и считать, что в первом случае К = 0, а во втором, наоборот, Э = 0, а К равно дополнительным вложениям в мероприятия, целесообразность которых обосновывается. Тогда вместо Э в первом варианте нужно использовать разность годовых издержек по вариантам. После этого строятся графики зависимости СДЗ от Т, и в точке их пересечения определяется расчетный срок окупаемости.

Если он оказывается выше Т АМ, или графики вообще не пересекаются, мероприятия экономически необоснованы. Полученные результаты имеют весьма общий характер, поскольку зависимость изменения капитальных затрат от степени утилизации теплоты при существующей ситуации на рынке мало связана с конкретным производителем вентиляционного оборудования, а основное влияние на эксплуатационные издержки вообще оказывают только затраты тепловой и электрической энергии.

Поэтому предлагаемые рекомендации могут быть использованы при принятии экономически обоснованных решений по энергосбережению в любых системах механической вентиляции и кондиционирования воздуха. Кроме того, данные результаты имеют простой и инженерный вид и легко допускают уточнение при изменении действующих цен и тарифов.

Необходимо также заметить, что получающийся в приведенных расчетах срок окупаемости, в зависимости от принятого k эф достигающий величины 15 лет, т.е. вплоть до ТАМ, является в некотором отношении предельным, возникающим при учете всех капитальных затрат. Если же учитывать только дополнительные капиталовложения непосредственно в теплоутилизацию, срок окупаемости действительно сокращается до 3-4 лет, как и было указано выше.

Следовательно, утилизация теплоты вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем действительно является малозатратным и быстроокупаемым мероприятием и заслуживает самого широкого применения в условиях рыночной экономики.

1. О.Д. Самарин. О нормировании тепловой защиты зданий. Журнал «С.О.К.», №6/2004.
2. О.Я. Кокорин. Современные системы кондиционирования воздуха.- М.: «Физматлит», 2003.
3. В.Г. Гагарин. О недостаточной обоснованности повышенных требований к теплозащите наружных стен зданий. (Изменения №3 СНиП II-3–79). Сб. докл. 3-й конф. РНТОС 23–25 апреля 1998 г.
4. О.Д. Самарин. Экономически целесообразная эффективность теплоутилизаторов с промежуточным теплоносителем. Монтажные и специальные работы в строительстве, №1/2003.
5. СНиП 23-01–99* «Строительная климатология».- М:ГУП ЦПП, 2004.