Утилизация тепловой энергии вытяжной вентиляции. Основы проектирования и монтажа систем отопления. 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. Теплообменники:
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.

В системе кондиционирования воздуха теплоту удаляемого воздуха из помещений можно утилизировать двумя способами:

· Применяя схемы с рециркуляцией воздуха;

· Устанавливая утилизаторы теплоты.

Последний способ, как правило, применяют в прямоточных схемах систем кондиционирования воздуха. Однако использование утилизаторов теплоты на исключается и в схемах с рециркуляцией воздуха.

В современных системах вентиляции и кондиционирования воздуха применяется самое разнообразное оборудование: нагреватели, увлажнители, различные виды фильтров, регулируемые решетки и многое другое. Все это необходимо для достижения требуемых параметров воздуха, поддержания или создания комфортных условий для работы в помещении. На обслуживание всего этого оборудования требуется достаточно много энергии. Эффективным решением сбережения энергии в системах вентиляции становятся теплоутилизаторы. Основной принцип их работы – нагрев потока воздуха, подаваемого в помещение, с использованием теплоты потока, удаляемого из помещения. При использовании теплоутилизатора требуется меньшая мощность калорифера на подогрев приточного воздуха, тем самым уменьшается количество энергии, необходимое для его работы.

Утилизация теплоты в зданиях с кондиционированием воздуха может быть произведена посредством утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Утилизация сбросной теплоты для нагрева свежего воздуха (или охлаждение поступающего свежего воздуха сбросным воздухом после системы кондиционирования летом) является простейшей формой утилизации. При этом можно отметить четыре типа систем утилизации, о которых уже упоминалось: вращающиеся регенераторы; теплообменники с промежуточным теплоносителем; простые воздушные теплообменники; трубчатые теплообменники. Вращающийся регенератор в системе кондиционирования воздуха может повышать температуру приточного воздуха зимой на 15 °С, а летом он может снижать температуру поступающего воздуха на 4-8 °С {6.3). Как и в других системах утилизации, за исключением теплообменника с промежуточным теплоносителем, вращающийся регенератор может функционировать только в том случае, если вытяжной и всасывающий каналы прилегают друг к другу в какой-то точке системы.

Теплообменник с промежуточным теплоносителем менее эффективен, чем вращающийся регенератор. В представленной системе вода циркулирует через два теплообменных змеевика, и так как применяется насос, то два змеевика могут быть расположены на некотором расстоянии друг от друга. И в этом теплообменнике, и во вращающемся регенераторе имеются подвижные части (насос и электродвигатель приводятся в движение и это отличает их от воздушного и трубчатого теплообменников. Одним из недостатков регенератора является то, что в каналах может происходить загрязнение. Грязь может осаждаться на колесе, которое затем переносит его во всасывающий канал. В большинстве колес в настоящее время предусмотрена продувка, которая сводит перенос загрязнений до минимума.

Простой воздушный теплообменник представляет собой стационарное устройство для теплообмена между отработанным и поступающим потоками воздуха, проходящими через него противотоком. Этот теплообменник напоминает прямоугольную стальную коробку с открытыми концами, разделенную на множество узких каналов типа камер. По чередующимся каналам идет отработанный и свежий воздух, и теплота передается от одного потока воздуха к другому просто через стенки каналов. Перенос загрязнений в теплообменнике не происходит, и поскольку значительная площадь поверхности заключена в компактном пространстве, достигается относительно высокая эффективность. Теплообменник с тепловой трубой можно рассматривать как логическое развитие конструкции вышеописанного теплообменника, в котором два потока воздуха в камеры остаются абсолютно раздельными, связанными пучком ребристых тепловых труб, которые переносят теплоту от одного канала к другому. Хотя стенка трубы может рассматриваться как дополнительное термическое сопротивление, эффективность теплопередачи внутри самой трубы, в которой происходит цикл испарения-конденсации, настолько велика, что в этих теплообменниках можно утилизировать до 70% сбросной теплоты. Одно из основных преимуществ этих теплообменников по сравнению с теплообменником с промежуточным теплоносителем и вращающимся регенератором - их надежность. Выход из строя нескольких труб лишь незначительно снизит эффективность работы теплообменника, но не остановит полностью систему утилизации.

При всем многообразии конструктивных решений утилизаторов тепла вторичных энергоресурсов в каждом из них имеются следующие элементы:

· Среда- источник тепловой энергии;

· Среда- потребитель тепловой энергии;

· Теплоприемник- теплообменник, воспринимающий тепло от источника;

· Теплопередатчик- теплообменник, передающий тепловую энергию потребителю;

· Рабочее вещество, транспортирующее тепловую энергию от источника к потребителю.

В регенеративных и воздуховоздушных (воздухожидкостных) рекуперативных теплоутилизаторах рабочим веществом являются сами теплообменивающиеся среды.

Примеры применения.

1. Подогрев воздуха в системах воздушного отопления.
Калориферы предназначены для быстрого нагрева воздуха с помощью водяного теплоносителя и равномерного его распределения с помощью вентилятора и направляющих жалюзи. Это хорошее решение для строительства и производственных цехов, где требуется быстрый нагрев и поддержание комфортной температуры только в рабочее время (в это же время, как правило, работают и печи).

2. Нагрев воды в системе горячего водоснабжения.
Применение теплоутилизаторов позволяет сгладить пики потребления энергии, так как максимальное потребление воды приходится на начало и конец смены.

3. Подогрев воды в системе отопления.
Закрытая система
Теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру. Таким образом, отсутствует риск его загрязнения.
Открытая система. Теплоноситель нагревается горячим газом, а затем отдает тепло потребителю.

4. Подогрев дутьевого воздуха, идущего на горение. Позволяет сократить потребление топлива на 10%–15%.

Подсчитано, что основным резервом экономии топлива при работе горелок для котлов, печей и сушилок является утилизация теплоты отходящих газов путем нагрева воздухом сжигаемого топлива. Рекуперация тепла отходящих дымовых газов имеет большое значение в технологических процессах, поскольку тепло, возвращенное в печь или котел в виде подогретого дутьевого воздуха, позволяет сократить потребление топливного природного газа до 30 %.
5. Подогрев топлива, идущего на горение с использованием теплообменников "жидкость – жидкость". (Пример – подогрев мазута до 100˚–120˚ С.)

6. Подогрев технологической жидкости с использованием теплообменников "жидкость – жидкость". (Пример – подогрев гальванического раствора.)

Таким образом, теплоутилизатор – это:

Решение проблемы энергоэффективности производства;

Нормализация экологической обстановки;

Наличие комфортных условий на вашем производстве – тепла, горячей воды в административно-бытовых помещениях;

Уменьшение затрат на энергоресурсы.

Рисунок 1.

Структура энергопотребления и потенциала энергосбережения в жилых зданиях: 1 – трансмиссионные теплопотери; 2 – расход теплоты на вентиляцию; 3 – расход теплоты на горячее водоснабжение; 4– энергосбережение

Список использованной литературы.

1. Караджи В. Г., Московко Ю.Г.Некоторые особенности эффективного использования вентиляционно-отопительного оборудования. Руководство - М., 2004

2. Еремкин А.И, Бызеев В.В. Экономика энергоснабжения в системах отопления, венталиции и кондиционирования воздаха. Издателество Ассоциации строительных вузов М., 2008.

3. Сканави А. В., Махов. Л. М. Отопление. Издательство АСВ М., 2008

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:

Существуют различные типы теплообменников-утилизаторов.

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.

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.

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

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

2. РАБОТА ТЕПЛООБМЕННИКА – УТИЛИЗАТОРА В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

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.

3. ТЕПЛООБМЕННИКИ-УТИЛИЗАТОРЫ ИЗ ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ

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.

В Северной Европе и Скандинавии получили распространение системы вентиляции многоэтажных жилых зданий с подогревом приточного воздуха за счет теплоты удаляемого с помощью теплоутилизаторов. Теплоутилизаторы в системах вентиляции получили развитие в 1970-е годы в период энергетического кризиса.

К настоящему времени массовое применение нашли теплоутилизаторы: – рекуперативного типа на базе пластинчатых воздухо-воздушных теплообменников (рис. 41); – регенеративные с вращающейся теплообменной насадкой (рис. 42); – с промежуточным теплоносителем с теплообменниками «жидкость-воздух» (рис. 43).

По своему исполнению в многоэтажных жилых зданиях теплоутилизаторы могут быть центральными на все здания или группу квартир и индивидуальными, поквартирными.

Рис. 42. Теплоутилизатор с вращающейся теплообменной насадкой

Рис. 41. Теплоутилизатор рекуперативного типаутилизатор теплоты вентиляционного воздуха)

При сходных массогабаритных показателях наибольшей энергетической эффективностью обладают регенеративные теплоутилизаторы (80-95%), далее следуют рекуперативные (до 65%) и на последнем месте находятся теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем (45-55%).

По своим конструктивным особенностям теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем мало пригодны для индивидуальной поквартирной вентиляции, и поэтому на практике их используют для центральных систем.

Рис. 43. Утилизатор теплоты вентиляционного воздуха с промежуточным теплоносителем: 1 – приточная вентустановка; 2 – вытяжная вентустановка; 3 – теплообменник; 4 – циркуляционный насос; 5 – фильтр; 6 – корпус утилизатора

Регенеративные теплоутилизаторы обладают существенным недостатком - вероятностью смешивания определенной части удаляемого воздуха с приточным в корпусе аппарата, что, в свою очередь, может привести к переносу неприятных запахов и болезнетворных бактерий. Объем перетекающего воздуха в современных аппаратах сокращен до долей процента, но, тем не менее, большинство специалистов рекомендуют ограничить их область применения пределами одной квартиры, коттеджа или одного помещения в общественных зданиях.

Рекуперативные теплоутилизаторы, как правило, включают в свой состав два вентилятора (приточный и вытяжной), пластинчатый теплообменник, фильтры (рис. 41). В современных конструкциях в теплоутилизатор встраиваются два водяных или электрических подогревателя. Один служит для защиты от замораживания вытяжного тракта теплообменника, второй - для догрева температуры приточного воздуха до заданного значения.

Эти системы, по сравнению с традиционными, обладают рядом достоинств, к числу которых следует отнести существенную экономию тепловой энергии, расходуемой на подогрев вентиляционного воздуха, - от 50 до 90% в зависимости от типа применяемого утилизатора; а также высокий уровень воздушно-тепловой комфортности, обусловленный аэродинамической устойчивостью вентиляционной системы и сбалансированностью расходов приточного и удаляемого воздуха.

При установке рекуперативных теплоутилизаторов поквартирно появляются: – возможность гибко регулировать воздушно-тепловой режим в зависимости от режима эксплуатации квартиры, в том числе с использованием рециркуляционного воздуха; – возможность защиты от городского, внешнего шума (при использовании герметичных светопрозрачных ограждений); – возможность очистки приточного воздуха с помощью высокоэффективных фильтров.

Реализация указанных достоинств связана с решением ряда проблем: – необходимо предусмотреть соответствующие объемно-планировочные решения квартиры и выделить место для размещения теплоутилизаторов и дог полнительных воздуховодов; – следует предусмотреть защиту от замораживания теплоутилизаторов при низких температурах наружного воздуха (-10 °С и ниже); – утилизаторы должны быть в малошумном исполнении и при необходимости оборудованы дополнительными шумоглушителями; – необходимо обеспечить квалифицированное техническое обслуживание теплоутилизаторов (замена или чистка фильтров, промывка теплообменника).

Различные модификации утилизаторов теплоты удаляемого воздуха производят в общей сложности более 20 фирм. Кроме того, производство энергосберегающего оборудования начинается и на отечественных предприятиях.

Уровень звуковой мощности приведен без сети воздуховодов, без глушителей для открыто расположенного утилизатора.

Широкое применение в жилых многоэтажных зданиях систем механической вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха сдерживается рядом факторов: – практически отсутствует материальное стимулирование энергосбережения у потребителей - владельцев квартир; – инвесторы-застройщики не заинтересованы в дополнительных затратах на инженерное оборудование в домах эконом- и бизнес-класса, полагая, что качество вентиляции - второстепенный показатель в формировании рыночной стоимости жилья; – «отпугивает» необходимость технического обслуживания механической вентиляции; – население недостаточно информировано о критериях воздушно-теплового комфорта жилища, его влиянии на здоровье и работоспособность.

Вместе с тем наметилась положительная тенденция преодоления отмеченных проблем, и у инвесторов, и у покупателей квартир появляется практический интерес в современных технических решениях систем вентиляции.

Сравним эффективность традиционной вентиляции и новых технических решений применительно к жилым многоэтажным зданиям массовой застройки.

Предлагается три варианта организации вентиляции в жилых 17-этажных зданиях серии П-44 для условий Москвы:
A. Вентиляция по типовому проекту (естественная канальная вытяжка из помещений кухни, ванны и туалета и приток за счет инфильтрации и от
крывания фрамуг окон).
Б. Механическая вытяжная, центральная система вентиляции с установкой в квартирах приточных и вытяжных клапанов постоянного расхода воздуха.
B. Механическая приточно-вытяжная система вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха в рекуперативных теплообменниках.

Сравнение проводилось по трем критериям: – качество воздуха; – расход тепловой энергии в системах вентиляции; – акустический режим.

Для условий Москвы по данным метеонаблюдений были приняты следующие климатические условия.

В расчетах приняты следующие значения сопротивления теплопередаче: – стен - 3,2 м2 °С/Вт; – окон – 0,62 м2 °С/Вт; – покрытий - 4,04 м2 °С/Вт.

Система отопления с традиционными конвекторами на параметры теплоносителя 95/70 °С.

В каждом подъезде на этаже расположено две 2-комнатных, одна 1-комнатная и одна 3-комнатная квартиры. В каждой квартире предусмотрена кухня с электроплитой, ванная комната и туалет.

Вытяжка производится в соответствии с нормативами: – из кухни - 60 м3/ч; – из ванной комнаты - 25 м3/ч; – из туалета - 25 м3/ч.

Для анализа принято, что в варианте А за счет проветривания путем открывания фрамуг окон среднесуточный объем притока соответствует объему вытяжки из квартиры.

Рис. 44. Рекуператор с установкой догревателей воздуха в квартирах экспериментального дома: 1 – вентилятор удаляемого воздуха; 2 – вентилятор приточного воздуха; 3 – пластинчатый теплообменник; 4 – электрический нагреватель; 5 – подогреватель теплообменника; 6 – фильтр для наружного воздуха (класс EU5); 7 – фильтр для удаляемого воздуха (класс EU5); 8 – датчик против замерзания теплообменника; 9, 10 – автоматический сброс термозащиты; 11, 12 – ручной сброс термозащиты; 13 – датчик температуры приточного воздуха

В варианте Б постоянный воздухообмен обеспечивается за счет работы центрального вытяжного вентилятора, сетью воздуховодов связанного с каждой из квартир. Постоянство воздухообмена обеспечивается применением приточных клапанов постоянного расхода, установленных в створках окон, и саморегулирующихся вытяжных клапанов на кухне, в ванной комнате и туалете.

В варианте В используется механическая приточно-вытяжная система вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха для подогрева приточного в пластинчатом теплообменнике. При сравнении также принято условие постоянства воздухообмена.

По критерию качества воздуха вариант А существенно уступает вариантам Б и В. Проветривание осуществляется периодически в течение произвольно выбранного жителями времени, т. е. субъективно и потому далеко не всегда эффективно. В зимний период проветривание связано с необходимостью покидать жителями проветриваемое помещение. Попытки отрегулировать открытие фрамуг для постоянной вентиляции чаще всего приводят к нестабильности работы вентиляции, возникновению сквозняков, температурному дискомфорту. При периодическом проветривании качество воздуха после закрытия форточек ухудшается, и большую часть времени жители проводят в загрязненной воздушной среде (рис. 45).

Рис. 45. Изменение воздухообмена и концентрации вредных веществ при периодическом проветривании помещений:
1 - воздухообмен;
2 - концентрация вредных веществ;
3 - нормативный уровень концентрации вредных веществ

Особый режим вентиляции предусматривается для помещения кухни. При приготовлении пищи в работу включается надплитньгй зонт, оборудованный высокопроизводительным многоскоростным вентилятором. Воздухопроиз-водительность современных надплит-ных зонтов достигает 600-1000 м3/ч, что во много раз превышает показатель расчетного воздухообмена в квартире. Для удаления воздуха от надплитных зонтов, как правило, предусматриваются отдельные воздуховоды, не связанные с системой общеобменной вытяжной вентиляции из кухни. Компенсационный расход приточного воздуха обеспечивается приточным клапаном в стене, открываемым в период работы зонта. Общий вывод по сравниваемым вариантам можно сделать следующий: наибольшей эффективностью по воздушно-тепловому комфорту и экономии тепловой энергии обладает вариант В с утилизацией теплоты вытяжного воздуха; для нормализации акустического режима требуются дополнительные меры по шумозащите вентиляторной установки.

Постоянно работающая вентиляция квартир с использованием приточных клапанов (вариант Б), встроенных в створки окон или наружные стены, при низких температурах наружного воздуха может привести к тепловому дискомфорту, связанному с неравномерным распределением температуры и скорости движения воздуха в помещениях. Несмотря на то что рекомендуется располагать приточные клапаны над или за отопительными приборами, специалисты в Западной Европе ограничивают эффективную область применения таких систем вентиляции районами с температурой наружного воздуха не ниже -10 °С. Наибольший интерес представляет вариант вентиляции В, т. е. механическая приточно-вытяжная вентиляция с утилизацией теплоты удаляемого воздуха в рекуперативных теплообменниках. Именно по этой системе произведено проектирование и строительство экспериментальной системы.

Экспериментальное здание состоит из четырех секций; общее количество квартир - 264. Под зданием размещен гараж-стоянка на 94 автомобиля. На 1-м этаже находятся вспомогательные нежилые помещения, два верхних этажа отведены под спортивно-оздоровительный центр. Жилые квартиры располагаются со 2-го по 16-й этаж. В квартирах свободной планировки от 60 до 200 м2 общей площади предусмотрены, помимо жилых помещений, кухня, ванная комната с санузлом, постирочная, гостевой туалет, кладовые помещения, застекленные лоджии. Здание построено по индивидуальному проекту (архитектор П. П. Пахомов). Конструктивные решения здания представляют собой монолит с эффективным утеплителем с кирпичной облицовкой. Концепция энергосберегающих решений здания разработана под руководством президента Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизики, профессора Ю. А. Табунщикова, архитектурной мастерской «Архитекторы-XXI век», ОАО «ЦНИИПРОМЗДАНИЙ», ООО «НПО “ТЕРМЭК”».

Проектом предусмотрено комплексное решение, в котором функционально связаны энергосберегающие архитектурно-планировочные решения, эффективные ограждающие конструкции и инженерные системы нового поколения.

Конструкции здания имеют высокий уровень теплозащиты. Так, сопротивление теплопередаче стен составляет 3,33 м2 °С/Вт, металлопластиковых окон с двухкамерными стеклопакетами - 0,61 м2*°С/Вт, верхних покрытий - 4,78 м2 °С/Вт, лоджии застеклены солнцезащитными тонированными стеклами.

Внутренние параметры воздуха для холодного периода приняты следующими: – жилые комнаты - 20 °С; – кухня - 18 °С; – ванная - 25 °С; – туалет - 18 °С.

В здании запроектирована горизонтальная поквартирная система отопления с периметральной разводкой трубопроводов по квартире. Металлопластиковые трубы с теплоизоляцией в защитной гофре замоноличены в подготовку «черного» пола. На все здание общей площадью около 44 тыс. м2 в системе отопления жилой части всего четыре пары стояков (подающий и обратный) по числу секций. На каждом этаже в лифтовом холле к стоякам присоединены распределительные коллекторы к квартирам. Коллекторы оборудованы арматурой, балансировочными вентилями и квартирными счетчиками теплоты.

В здании запроектирована и реализована поквартирная регулируемая приточно-вытяжная система вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха.

Компактный приточно-вытяжной агрегат с пластинчатым рекуператором размещен в подшивном потолке гостевого туалета рядом с кухней.

Забор приточного воздуха осуществляется через теплоизолированный воздуховод и отверстие в наружной стене, выходящей на лоджию кухни. Удаляемый воздух забирается из помещения кухни. Вытяжка из туалетов и ванной комнаты не теплоутилизируется, т. к. на момент согласования проекта нормативы запрещали объединять в пределах квартиры в одну вентиляционную сеть вытяжки кухни, ванной комнаты и туалета. В настоящее время согласно «Техническим рекомендациям по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома» это ограничение снято.

В условиях свободной планировки квартир объединение общим горизонтальным вытяжным воздуховодом трех-четырех зон требует специальных архитектурно-планировочных решений, устройства в квартире горизонтальной сети воздуховодов, что трудно осуществимо по конструктивным соображениям.

В отопительный период 2003-2004 годов в 3-комнатной квартире на 12-м этаже были проведены предварительные испытания квартирной системы вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха. Общая площадь квартиры составляет 125 м2. Испытания проводились в квартире без отделки, без межкомнатных перегородок и дверей. Выборочные результаты испытаний приведены в табл. 22. Температура наружного воздуха 4 составляла от +4,1 до -4,5 °С при преимущественно облачной погоде. Температура воздуха в помещении tB поддерживалась квартирной системой отопления со стальными радиаторами, оборудованными термостатическими вентилями, в диапазоне от 22,8 до 23,7 °С. В ходе испытаний с помощью увлажнителей воздуха изменялась относительная влажность воздуха ф от 25 до 45%.

В квартире был установлен рекуперативный теплоутилизатор, максимальной производительностью по приточному воздуху Lnp = 430 м3/ч. Объем удаляемого воздуха Ь„игутл составлял примерно 60-70% от приточного, что обусловлено настройкой аппарата на утилизацию только части удаляемого воздуха.
Аппарат оборудован воздушными фильтрами приточного и вытяжного тракта и двумя электрическими нагревателями. Первый нагреватель номинальной мощностью 0,6 кВт предназначен для защиты вытяжного тракта от замораживания конденсата, который специальной дренажной трубкой через гидрозатвор отводится в канализацию. Второй нагреватель мощностью 1,5 кВт предназначен для догрева приточного воздуха tw до заданного комфортного значения.

Рис. 46. План квартиры с системой вентиляции: 1 – приточно-вытяжная установка с утилизатором; 2 – воздухозабор с лоджии; 3 – вытяжка из кухни; 4 – вытяжка из гостевого туалета; 5 – вытяжка из гардеробной; 6 - вытяжка из ванной; 7 - потолочный перфорированный воздухораспределитель

Для простоты монтажа он также выполнен электрическим.

В процессе испытания проводились измерения температуры и влажности наружного, внутреннего и удаляемого воздуха, расхода приточного и удаляемого воздуха, расхода теплоты квартирной системой отопления Qm по показаниям теплосчетчика, расхода электроэнергии.

Теплоутилизатор оборудован системой автоматики с контроллером и пультом управления. Система автоматики предусматривает включение первого нагревателя при достижении температуры стенки теплообменника ниже +1 °С, второй нагреватель может включаться и отключаться, обеспечивая постоянство заданной температуры приточного воздуха, которая находилась в процессе испытаний в диапазоне от 15 до 18,3 °С. Система управления вентиляторами позволяет выбрать три фиксированных режима расхода воздуха, соответствующих кратности воздухообмена от 0,48 до 1,15 1/ч.

Контроль и задание температуры и расхода воздуха осуществляется с дистанционного проводного пульта управления.

Испытания показали устойчивую работу квартирной системы вентиляции и энергетическую эффективность утилизации теплоты удаляемого воздуха.

Следует отметить ряд особенностей в проведении исследований, которые нельзя не принимать во внимание при оценке показателей воздушно-теплового режима квартиры.

1. В новостройках свежий бетон и раствор выделяют значительное количество влаги в помещения. Период, в течение которого влага в строительных конструкциях приходит в равновесное состояние, достигает 1,5-2 лет. Так, в результате испытаний примерно через полгода после заполнения монолита и укладки стяжки влагосодержание внутреннего воздуха при наличии вентиляции составляло 4-4,5 г/кг сухого воздуха, в то время как влагосодержание наружного воздуха не превышало 1-1,5 г/кг сухого воздуха.

По нашим оценкам, в монолитном здании для приведения конструкций в равновесное влажностное состояние необходимо ассимилировать до 200 кг влаги на каждый кв. метр площади пола. Количество теплоты, необходимое для испарения этой влаги, в начальный период равно 10-15 Вт/м2, а в период испытаний - 5-7 Вт/м2, что составляет значительную часть в тепловом балансе квартиры в холодный период года. Не учитывать этот фактор при осуществлении отопления и вентиляции опрометчиво, особенно в монолитном домостроении.

2. В процессе испытаний отсутствовали так называемые внутренние бытовые тепловыделения, размер которых в нормативах предлагается принимать 10 Вт/м2.
Представляется, что этот показатель должен быть дифференцированным в зависимости от площади квартиры на одного жителя.

В больших квартирах (более 100 м2) с площадью на одного человека 30-50 м2 вероятное значение этого показателя должно снижаться до 5-8 Вт/м2. В противном случае проектная тепловая мощность систем отопления и вентиляции зданий может оказаться заниженной на 10-30%.

Однако более целесообразно во время строительства, в частности зданий с монолитными конструкциями, выделяющими в помещения много влаги, перед сдачей зданий и особенно перед их заселением производить просушку с помощью находящихся в распоряжении строителей мощных электронагревателей. К сожалению, такая просушка до проведения испытаний не производилась.

Как отмечалось, рассматриваемое экспериментальное здание проектировалось и строилось как энергосберегающее. По результатам проведенных испытаний с поправками на прогнозируемые бытовые тепловыделения и теплоту испарения влаги в строительных конструкциях были рассчитаны удельные теплоэнергетические характеристики 3-комнатной квартиры в расчете на 1 м2 площади при поддержании в квартире температуры 20 °С.

Результаты расчетов показали, что после отделки квартир и заселения здания удельный расчетный годовой расход теплоты на отопление и вентиляцию снижается почти вдвое со 132 до 70 кВт ч/(м2 год), а с применением утилизации теплоты до 44 кВт ч/(м2 год).

Дальнейшая эксплуатация здания позволит проверить принятые в предварительных расчетах допущения.

Исследования экспериментальной системы должны охватить все факторы, характеризующие ее работу, в том числе и психологическое отношение жильцов, использующих новые для них устройства.

Электроподогрев воздуха в экспериментальной системе по сравнению с использованием для этой цели теплоты от теплофикации, к которой присоединено здание, экономически неоправдан. Такое решение было принято для удобства эксперимента, в частности, для замеров, касающихся расходов теплоты. Однако, по мнению авторов, со временем человечество начнет переходить на полное электротеплоснабжение жилых городских зданий. Поэтому экспериментальное исследование системы, в которой квартирная вентиляция работает с использованием электровоздухонагревателей, представляет интерес для будущего.