Утилізація теплової енергії витяжної вентиляції. Основи проектування та монтажу систем опалення. Структура лекції та розрахунок часу

Одним із джерел вторинних енергоресурсів у будівлі є теплова енергія повітря, що видаляється в атмосферу. Витрата теплової енергії на підігрів повітря, що надходить, становить 40...80% теплоспоживання, більша її частина може бути зекономлена у разі застосування так званих теплообмінників-утилізаторів.

Існують різні типи теплообмінників-утилізаторів.

Рекуперативні пластинчасті теплообмінники виконуються у вигляді пакета пластин, встановлених таким чином, що вони утворюють два суміжні канали, по одному з яких рухається повітря, що видаляється, а по іншому - припливне. При виготовленні пластинчастих теплообмінників такої конструкції з великою продуктивністю повітрям виникають значні технологічні труднощі, тому розроблені конструкції кожухотрубних теплообмінників-утилізаторів ТКТ, що являють собою пучок труб, розташованих у шаховому порядку і укладених у кожух. Повітря, що видаляється, рухається в міжтрубному просторі, зовнішній - всередині трубок. Рух потоків перехресний.

Мал. Теплообмінники:
а - пластинчастий утилізатор;
б - утилізатор ТКТ;
в - обертовий;
г – рекуперативний;
1 – корпус; 2 – припливне повітря; 3 – ротор; 4 - сектор продувної; 5 – витяжне повітря; 6 – привід.

З метою запобігання обмерзанню теплообмінники забезпечені додатковою лінією по ходу зовнішнього повітря, через яку при температурі стінок трубного пучка нижче критичної (-20°С) перепускається частина холодного зовнішнього повітря.

Установки утилізації тепла витяжного повітря з проміжним теплоносієм можуть застосовуватися в системах механічної припливно-витяжної вентиляції, а також в системах кондиціювання повітря. Установка складається з розташованого в припливному та витяжному каналах повітронагрівача, з'єднаного замкнутим циркуляційним контуром, заповненим проміжним носієм. Циркуляція теплоносія здійснюється у вигляді насосів. Повітря, що видаляється, охолоджуючись в повітронагрівачі витяжного каналу, передає тепло проміжному теплоносію, що нагріває припливне повітря. При охолодженні витяжного повітря нижче температури точки роси на частини теплообмінної поверхні повітронагрівачів витяжного каналу відбувається конденсація водяної пари, що призводить до можливості утворення льоду при негативних початкових температурах припливного повітря.

Установки утилізації тепла з проміжним теплоносієм можуть працювати або в режимі, що допускає утворення льоду на теплообмінній поверхні витяжного повітронагрівача протягом доби при подальшому відключенні та відтаванні, або якщо відключення установки неприпустимо, при застосуванні одного з наступних заходів щодо захисту повітронагрівача витяжного каналу :

попереднього нагрівання припливного повітря до позитивної температури;
створення байпаса теплоносієм або припливним повітрям;
збільшення витрати теплоносія у циркуляційному контурі;
підігріву проміжного теплоносія.

Вибір типу регенеративного теплообмінника виробляють в залежності від розрахункових параметрів повітря, що видаляється і припливу, і вологовиділень всередині приміщення. Регенеративні теплообмінники можуть встановлюватися в будинках різного призначення в системах механічної припливно-витяжної вентиляції, повітряного опалення та кондиціювання повітря. Установка регенеративного теплообмінника має забезпечувати протиточний рух повітряних потоків.

Систему вентиляції та кондиціонування повітря з регенеративним теплообмінником необхідно оснастити засобами контролю та автоматичного регулювання, які повинні забезпечувати режими роботи з періодичним відтаванням інею або запобігання інеутворенню, а також підтримувати необхідні параметри припливного повітря. Для попередження інеосвіти по припливному повітрі:

влаштовують обвідний канал;
попередньо підігрівають припливне повітря;
змінюють частоту обертання насадки регенератора.

У системах з позитивними початковими температурами повітря при утилізації тепла немає небезпеки замерзання конденсату на поверхні теплообмінника у витяжному каналі. У системах із негативними початковими температурами припливного повітря необхідно застосовувати схеми утилізації, що забезпечують захист від обмерзання поверхні повітронагрівачів у витяжному каналі.

У системі кондиціонування повітря теплоту повітря, що видаляється з приміщень, можна утилізувати двома способами:

· Застосовуючи схеми з рециркуляцією повітря;

· Встановлюючи утилізатори теплоти.

Останній спосіб, як правило, застосовують у прямоточних схемах систем кондиціювання повітря. Однак використання утилізаторів теплоти виключається і в схемах з рециркуляцією повітря.

У сучасних системах вентиляції та кондиціонування повітря застосовується найрізноманітніше обладнання: нагрівачі, зволожувачі, різні види фільтрів, регульовані ґрати та багато іншого. Все це необхідно для досягнення необхідних параметрів повітря, підтримки або створення комфортних умов роботи в приміщенні. На обслуговування всього цього обладнання потрібно досить багато енергії. Ефективним рішенням заощадження енергії у системах вентиляції стають теплоутилізатори. Основний принцип їх роботи - нагрівання потоку повітря, що подається в приміщення, з використанням теплоти потоку, що видаляється з приміщення. При використанні теплоутилізатора потрібна менша потужність калорифера на підігрів припливного повітря, що зменшує кількість енергії, необхідну для його роботи.

Утилізація теплоти в будинках з кондиціюванням повітря може бути виконана за допомогою утилізації теплоти вентиляційних викидів. Утилізація скидної теплоти для нагрівання свіжого повітря (або охолодження свіжого повітря, що надходить скидним повітрям після системи кондиціювання влітку) є найпростішою формою утилізації. При цьому можна відзначити чотири типи систем утилізації, про які вже згадувалося: регенератори, що обертаються; теплообмінники із проміжним теплоносієм; прості повітряні теплообмінники; трубчасті теплообмінники. Регенератор, що обертається, в системі кондиціонування повітря може підвищувати температуру припливного повітря взимку на 15 °С, а влітку він може знижувати температуру повітря, що надходить на 4-8 °С (6.3). Як і в інших системах утилізації, за винятком теплообмінника з проміжним теплоносієм, регенератор, що обертається, може функціонувати тільки в тому випадку, якщо витяжний і всмоктуючий канали прилягають один до одного в якійсь точці системи.

Теплообмінник з проміжним теплоносієм менш ефективний, ніж регенератор, що обертається. У представленій системі вода циркулює через два теплообмінні змійовики, і так як застосовується насос, то два змійовики можуть бути розташовані на деякій відстані один від одного. І в цьому теплообміннику, і в регенераторі, що обертається, є рухомі частини (насос і електродвигун наводяться в рух і це відрізняє їх від повітряного і трубчастого теплообмінників. Одним з недоліків регенератора є те, що в каналах може відбуватися забруднення. Бруд може осаджуватися на колесі, яке потім переносить його у всмоктуючий канал, у більшості коліс в даний час передбачено продування, яке зводить перенесення забруднень до мінімуму.

Простий повітряний теплообмінник є стаціонарним пристроєм для теплообміну між відпрацьованим і поступаючим потоками повітря, що проходять через нього протитечією. Цей теплообмінник нагадує сталеву прямокутну коробку з відкритими кінцями, розділену на безліч вузьких каналів типу камер. По каналах, що чергуються, йде відпрацьоване і свіже повітря, і теплота передається від одного потоку повітря до іншого просто через стінки каналів. Перенесення забруднень у теплообміннику не відбувається, і оскільки значну площу поверхні укладено в компактному просторі, досягається відносно висока ефективність. Теплообмінник з тепловою трубою можна розглядати як логічний розвиток конструкції вищеописаного теплообмінника, в якому два потоки повітря в камери залишаються абсолютно роздільними, пов'язаними з пучком ребристих теплових труб, які переносять теплоту від одного каналу до іншого. Хоча стінка труби може розглядатися як додатковий термічний опір, ефективність теплопередачі всередині самої труби, в якій відбувається цикл випаровування-конденсації, настільки велика, що в цих теплообмінниках можна утилізувати до 70% скидної теплоти. Одна з основних переваг цих теплообмінників у порівнянні з теплообмінником з проміжним теплоносієм і регенератором, що обертається - їх надійність. Вихід з ладу кількох труб лише трохи знизить ефективність роботи теплообмінника, але не зупинить повністю систему утилізації.

При всьому різноманітті конструктивних рішень утилізаторів тепла вторинних енергоресурсів у кожному є такі елементи:

· Середа-джерело теплової енергії;

· Середа-споживач теплової енергії;

· Теплоприймач-теплообмінник, що сприймає тепло від джерела;

· Теплопередавач-теплообмінник, що передає теплову енергію споживачеві;

· Робоча речовина, що транспортує теплову енергію від джерела споживача.

У регенеративних і повітроповітряних (воздужидкостних) рекуперативних теплоутилізаторах робочою речовиною є самі теплообмінні середовища.

Приклади застосування.

1. Підігрів повітря у системах повітряного опалення.
Калорифери призначені для швидкого нагрівання повітря за допомогою водяного теплоносія та рівномірного його розподілу за допомогою вентилятора та направляючих жалюзі. Це гарне рішення для будівництва та виробничих цехів, де потрібне швидке нагрівання та підтримання комфортної температури тільки в робочий час (у цей же час, як правило, працюють і печі).

2. Нагрів води у системі гарячого водопостачання.
Застосування теплоутилізаторів дозволяє згладити піки споживання енергії, оскільки максимальне споживання води посідає початок і поклала край зміни.

3. Підігрів води у системі опалення.
Закрита система
Теплоносій циркулює по замкнутому контуру. Таким чином, відсутня ризик забруднення.
Відкрита система. Теплоносій нагрівається гарячим газом, а потім віддає тепло споживачеві.

4. Підігрів дутьового повітря, що йде на горіння. Дозволяє скоротити споживання палива на 10%-15%.

Підраховано, що основним резервом економії палива при роботі пальників для котлів, печей і сушарок є утилізація теплоти газів, що відходять шляхом нагрівання повітрям палива, що спалюється. Рекуперація тепла димових газів, що відходять, має велике значення в технологічних процесах, оскільки тепло, повернене в піч або котел у вигляді підігрітого дутьового повітря, дозволяє скоротити споживання паливного природного газу до 30%.
5. Підігрів палива, що йде на горіння з використанням теплообмінників "рідина - рідина". (Приклад – підігрів мазуту до 100–120˚ С.)

6. Підігрів технологічної рідини з використанням теплообмінників "рідина – рідина". (Приклад – підігрів гальванічного розчину.)

Таким чином, теплоутилізатор – це:

Вирішення проблеми енергоефективності виробництва;

Нормалізація екологічної обстановки;

Наявність комфортних умов на виробництві – тепла, гарячої води в адміністративно-побутових приміщеннях;

Зменшення витрат за енергоресурси.

Малюнок 1.

Структура енергоспоживання та потенціалу енергозбереження у житлових будинках: 1 – трансмісійні тепловтрати; 2 – витрати теплоти на вентиляцію; 3 – витрати теплоти на гаряче водопостачання; 4 - енергозбереження

Список використаної литературы.

1. Караджі В. Г., Московко Ю. Г. Деякі особливості ефективного використання вентиляційно-опалювального обладнання. Керівництво – М., 2004

2. Єрьомкін А.І, Бизєєв В.В. Економіка енергопостачання в системах опалення, венталіції та кондиціювання повітря. Видавництво Асоціації будівельних вузів М., 2008.

3. Сканаві А. В., Махов. Л. М. Опалення. Видавництво АСВ М., 2008

лекція

з навчальної дисципліни "Тепло-масообмінне обладнання підприємств"

(До навчального плану 200__г)

Заняття №26. Теплообмінники – утилізатори. Конструкції, принцип дії

Розробив: к.т.н., доцент Костильова О.Є.

Обговорено на засіданні кафедри

протокол № _____

від "_____" ___________2008 р.

Казань – 2008 р.

Заняття №26. Теплообмінники – утилізатори. Конструкції, принцип дії

Навчальні цілі:

1. Вивчити конструкції та принцип різних теплообмінників утилізаторів

Вид заняття:лекція

Час проведення: 2 години

Місце проведення: ауд. ________

Література:

1. Електронні ресурси Internet.

Навчально-матеріальне забезпечення:

Плакати, що ілюструють навчальний матеріал.

Структура лекції та розрахунок часу:

Існують різні типи теплообмінників-утилізаторів.

Мал. 1 Теплообмінники-утилізатори:
а- Пластичастий утилізатор; б- утилізатор ТКТ; в- обертовий; г- рекуперативний;
1 – корпус; 2 – припливне повітря; 3 – ротор; 4 - сектор продувної; 5 – витяжне повітря; 6 – привід.

Установки утилізації тепла витяжного повітря з проміжним теплоносієм можуть застосовуватися в системах механічної припливно-витяжної вентиляції, а також в системах кондиціювання повітря. Установка складається з розташованого в припливному та витяжному каналах повітронагрівача, з'єднаного замкнутим циркуляційним контуром, заповненим проміжним носієм. Циркуляція теплоносія здійснюється у вигляді насосів. Повітря, що видаляється, охолоджуючись в повітронагрівачі витяжного каналу, передає тепло проміжному теплоносію, що нагріває припливне повітря. При охолодженні витяжного повітря нижче температури точки росина частині теплообмінної поверхні повітронагрівачів витяжного каналу відбувається конденсація водяної пари, що призводить до можливості утворення льоду при негативних початкових температурах припливного повітря.

попереднього нагрівання припливного повітря до позитивної температури;
створення байпаса теплоносієм або припливним повітрям;
збільшення витрати теплоносія у циркуляційному контурі;
підігріву проміжного теплоносія.

влаштовують обвідний канал;
попередньо підігрівають припливне повітря;
змінюють частоту обертання насадки регенератора.

2. РОБОТА ТЕПЛООБМІННИКА - УТИЛІЗАТОРА В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦІЇ І КОНДИЦІОНУВАННЯ ПОВІТРЯ

Теплообмінники-утилізатори можуть бути використані в системах вентиляції та кондиціювання повітря для утилізації теплоти витяжного повітря, що видаляється з приміщення.

Потоки припливного та витяжного повітря підводять через відповідні вхідні патрубки у перехресноточні канали теплообмінного блоку, виконаного, наприклад, у вигляді пакета алюмінієвих пластин. При русі потоків каналами відбувається передача теплоти через стінки від більш теплого витяжного повітря до холоднішого, припливного. Потім ці потоки виводять із теплообмінника через відповідні вихідні патрубки.

У міру проходження через теплообмінник температура повітря припливу знижується. При низькій температурі зовнішнього повітря може досягти температури точки роси, що веде до випадання краплинної вологи (конденсату) лежить на поверхні, обмежують канали теплообмінника. При негативній температурі цих поверхонь конденсат перетворюється на іній або лід, що природно порушує роботу теплообмінника. Для запобігання утворенню інею або льоду або їх видалення в процесі роботи даного теплообмінника вимірюють температуру в самому холодному куті теплообмінника або (як варіант) різницю тиску в каналі витяжного повітря до та після теплообмінного блоку. При досягненні граничного заздалегідь заданого значення вимірюваним параметром теплообмінний блок повертається на 180" навколо своєї центральної осі. Таким чином забезпечується зниження аеродинамічного опору, витрат часу на запобігання утворенню інею або його видалення та використання при цьому всієї теплообмінної поверхні.

Завдання полягає в зниженні аеродинамічного опору потоку припливного повітря, використання процесу теплообміну всієї поверхні теплообмінника при проведенні процесу запобігання утворенню інею або його видалення, а також зменшення витрат часу на проведення зазначеного процесу.

Досягнення зазначеного технічного результату сприяє те, що параметром, яким судять про можливість утворення або наявність інею на поверхні холодної зони теплообмінника, служить або температура його поверхні в самому холодному куті, або різниця тисків в каналі витяжного повітря до і після теплообмінного блоку.

Запобігання утворенню інею за допомогою нагрівання поверхні, що підводиться в канали з їх вихідної сторони за допомогою повороту теплообмінника на кут 180 про потоком витяжного повітря (при досягненні вимірюваним параметром граничного значення) забезпечує постійний аеродинамічний опір потоку припливного повітря, а також використання для теплообміну всієї поверхні теплообмінника всього часу його роботи.

Використання теплообмінника-утилізатора дає помітну економію коштів на опалення приміщень та знижує втрати тепла, що невідворотно існують при вентиляції та кондиціонуванні. А за рахунок нового підходу до попередження утворення конденсату з подальшою появою інею або льоду, їх повного видалення, значно підвищується ефективність роботи даного утилізатора, що вигідно відрізняє його від інших засобів утилізації тепла витяжного повітря.

3. ТЕПЛООБМІННИКИ-УТИЛІЗАТОРИ З ГОРЕБЕННИХ ТРУБ

Сьогодні енергозбереження є пріоритетним напрямом розвитку світової економіки. Виснаження природних енергетичних запасів, підвищення вартості теплової та електричної енергії неминуче призводить до необхідності розробки цілої системи заходів, спрямованих на підвищення ефективності енергоспоживання установок. У цьому контексті зниження втрат і вторинне використання теплової енергії, що витрачається, стає дієвим інструментом у вирішенні поставленої проблеми.

В умовах активного пошуку резервів економії паливно-енергетичних ресурсів дедалі більшу увагу привертає проблема подальшого вдосконалення систем кондиціювання повітря як великих споживачів теплової та електричної енергії. Важливу роль у вирішенні цього завдання покликані відіграти заходи щодо підвищення ефективності роботи тепломасообмінних апаратів, що становлять основу підсистеми політропної обробки повітря, витрати на функціонування якої сягають 50% усіх витрат на експлуатацію ВКВ.

Утилізація теплової енергії вентиляційних викидів є одним із ключових методів економії енергетичних ресурсів у системах кондиціонування повітря та вентиляції будівель та споруд різного призначення. На рис. 1 наведено основні схеми утилізації теплоти витяжного повітря, що реалізуються на ринку сучасного вентиляційного обладнання.

Аналіз стану виробництва та застосування теплоутилізаційного обладнання за кордоном вказує на тенденцію переважного використання рециркуляції та чотирьох типів утилізаторів теплоти витяжного повітря: регенеративних, пластинчастих рекуперативних, що обертаються, на базі теплових труб і з проміжним теплоносієм. Застосування цих пристроїв залежить від умов роботи систем вентиляції та кондиціювання повітря, економічних міркувань, взаємного розташування припливних та витяжних центрів, експлуатаційних можливостей.

У табл. 1 наведено порівняльний аналіз різних схем утилізації теплоти витяжного повітря. Серед основних вимог з боку інвестора до теплоутилізаційних установок слід зазначити ціну, експлуатаційні витрати та ефективність роботи. Найбільш дешеві рішення характеризуються простотою конструкції та відсутністю рухомих частин, що дозволяє виділити серед представлених схем установку з перехресно-точним рекуператором (рис. 2) як найбільш відповідну для кліматичних умов європейської частини Росії та Польщі.

Дослідження останніх років у галузі створення нових та вдосконалення існуючих теплоутилізаційних установок систем кондиціювання повітря вказують на чітку тенденцію розробки нових конструктивних рішень пластинчастих рекуператорів (рис. 3), вирішальним моментом при виборі яких є можливість забезпечення режимів безаварійної роботи установки в умовах конденсації вологи за негативних температур зовнішнього повітря.

Температура зовнішнього повітря, починаючи з якої спостерігається утворення інею в каналах витяжного повітря, залежить від наступних факторів: температури і вологості повітря, що віддаляється, відношення витрат припливного і повітря, що видаляється, конструктивних характеристик. Відзначимо особливість роботи теплоутилізаторів при негативних температурах зовнішнього повітря: чим вища ефективність теплообміну, тим більша небезпека появи інею на поверхні каналів витяжного повітря.

У зв'язку з цим низька ефективність теплообміну в перехресно-точному теплоутилізаторі може виявитися перевагою з точки зору зниження небезпеки зледеніння поверхонь каналів витяжного повітря. Забезпечення безпечних режимів зазвичай пов'язане з реалізацією наступних традиційних заходів щодо запобігання обмерзанню насадки: періодичне відключення подачі зовнішнього повітря, його байпасування або попередній підігрів, здійснення яких безумовно знижує ефективність утилізації теплоти витяжного повітря.

Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є створення теплообмінних апаратів, в яких обмерзання пластин або відсутнє, або настає за більш низьких температур повітря. Особливістю роботи повітро-повітряних утилізаторів теплоти є можливість реалізації процесів тепломасоперенесення в режимах «сухого» теплообміну, одночасного охолодження та осушення повітря, що видаляється з випаданням конденсату у вигляді роси та інею на всій або частині теплообмінної поверхні (рис. 4).

Раціональне використання теплоти конденсації, величина якої при певних режимах роботи теплоутилізаторів досягає 30%, дозволяє суттєво збільшити діапазон зміни параметрів зовнішнього повітря, при яких зледеніння теплообмінних поверхонь пластин не відбувається. Однак вирішення завдання визначення оптимальних режимів роботи теплоутилізаторів, що відповідають певним експлуатаційним і кліматичним умовам, та області його доцільного застосування, вимагає детальних досліджень тепломасообміну в каналах насадки з урахуванням процесів конденсації та інеєутворення.

Як основний метод дослідження обрано чисельний аналіз. Він має і найменшу трудомісткість, і дозволяє визначити характеристики та виявити закономірності процесу на підставі обробки інформації про вплив вихідних параметрів. Тому експериментальні дослідження процесів тепломасопереноса в апаратах проводилися в значно меншому обсязі і, в основному, для перевірки та коригування залежностей, отриманих в результаті математичного моделювання.

При фізико-математичному описі тепломасообміну в досліджуваному рекуператорі було віддано перевагу одновимірної моделі переносу (ε-NTUмодель). В цьому випадку перебіг повітря в каналах насадки розглядається як потік рідини з постійними за його перерізом швидкістю, температурою та потенціалом масопереносу, рівними середньомасовим значенням. З метою підвищення ефективності утилізації теплоти у сучасних теплообмінниках використовується оребрування поверхні насадки.

Тип і розташування ребер значно впливає характер перебігу процесів тепломасообміну. Зміна температури по висоті ребра призводить до реалізації різних варіантів процесів тепломасообміну (рис. 5) в каналах повітря, що видаляється, що істотно ускладнює математичне моделювання та алгоритм розв'язання системи диференціальних рівнянь.

Рівняння математичної моделі процесів тепломасопереносу в перехресно-точному теплообміннику реалізуються в ортогональній системі координат з осями ОX і ОY, спрямованими паралельно потокам холодного і теплого повітря відповідно, і осями Z1 і Z2, перпендикулярної поверхні пластин насадки в каналах припливного і повітря, що видаляється. ), відповідно.

Відповідно до припущень даної ε-NTU-моделі тепломасоперенос в досліджуваному утилізаторі описується диференціальними рівняннями теплового і матеріального балансів, що складаються для взаємодіючих потоків повітря і насадки з урахуванням теплоти фазового переходу і термічного опору шару інею, що утворюється. Для отримання однозначного рішення система диференціальних рівнянь доповнюється граничними умовами, що встановлюють значення параметрів середовищ, що обмінюються, на входах у відповідні канали рекуператора.

Сформульована нелінійна задача може бути вирішена аналітично, тому інтегрування системи диференціальних рівнянь здійснювалося чисельними методами. Досить великий обсяг проведених чисельних експериментів, проведених на NTU-моделі, дозволив отримати масив даних, який був використаний для аналізу характеристик процесу та виявлення його загальних закономірностей.

Відповідно до завдань дослідження роботи теплоутилізатора вибір режимів, що вивчаються, і діапазони варіювання параметрів потоків, що обмінюються, здійснювався так, щоб найбільш повно моделювалися реальні процеси тепломасообміну в насадці при негативних значеннях температури зовнішнього повітря, а також умови протікання найбільш небезпечних з точки зору експлуатації варіантів режимів роботи теплоутилізаційного обладнання. .

Подані на рис. 7-9 результати розрахунку режимів роботи досліджуваного апарату, характерних для кліматичних умов з низькою розрахунковою температурою зовнішнього повітря в зимовий період пори року, дозволяють судити про якісно очікувану можливість утворення трьох зон активного тепломасообміну в каналах повітря, що видаляється (рис. 6), що відрізняються за характером протікають у яких процесів.

Аналіз тепломасообмінних процесів, що протікають у цих зонах, дозволяє оцінити можливі шляхи реалізації ефективного вловлювання теплоти вентиляційного повітря, що видаляється, і зниження небезпеки утворення інею в каналах насадки теплообмінника на основі раціонального використання теплоти фазового переходу. На підставі проведеного аналізу встановлено граничні температури зовнішнього повітря (табл. 2), нижче за які спостерігається утворення інею в каналах витяжного повітря.

Висновки

Наведено аналіз різних схем утилізації теплоти вентиляційних викидів. Відзначено переваги та недоліки розглянутих (існуючих) схем утилізації теплоти витяжного повітря в установках вентиляції та кондиціювання повітря. На основі проведеного аналізу запропоновано схему з пластинчастим перехресноточним рекуператором:

на базі математичної моделі розроблено алгоритм та програму розрахунку на ЕОМ основних параметрів тепломасообмінних процесів у досліджуваному теплоутилізаторі;
встановлена можливість утворення різних зон конденсації вологи в каналах насадки утилізатора, у межах яких характер тепломасообмінних процесів суттєво змінюється;
аналіз отриманих закономірностей дозволяє встановити раціональні режими роботи досліджуваних апаратів та області їх раціонального використання для різних кліматичних умов російської території.

УМОВИ ОЗНАЧЕННЯ ТА ІНДЕКСИ

Умовні позначення: h дит - висота ребра, м; l дит — довжина ребра, м; t - температура, ° C; d - вміст вологи, кг/кг; ϕ - відносна вологість повітря, %; δ дит - товщина ребра, м; δ ін - товщина шару інею, м.

Індекси: 1 - зовнішнє повітря; 2 - повітря, що видаляється; e - на вході в канали насадки; ріб - ребро; ін - іній, o - на виході з каналів насадки; ріс - точка роси; sat - стан насичення; w - стінка каналу.

У Північній Європі та Скандинавії набули поширення системи вентиляції багатоповерхових житлових будівель з підігрівом припливного повітря за рахунок теплоти, що видаляється за допомогою теплоутилізаторів. Теплоутилізатори в системах вентиляції набули розвитку в 1970-і роки в період енергетичної кризи.

На сьогодні масове застосування знайшли теплоутилізатори: – рекуперативного типу на базі пластинчастих повітряно-повітряних теплообмінників (рис. 41); – регенеративні з теплообмінною насадкою, що обертається (рис. 42); – із проміжним теплоносієм із теплообмінниками «рідина-повітря» (рис. 43).

За своїм виконанням у багатоповерхових житлових будинках теплоутилізатори можуть бути центральними на всі будівлі або групу квартир та індивідуальними, поквартирними.

Мал. 42. Теплоутилізатор з обертовою теплообмінною насадкою

Мал. 41. Теплоутилізатор рекуперативного типу (утилізатор теплоти вентиляційного повітря)

При подібних масогабаритних показниках найбільшу енергетичну ефективність мають регенеративні теплоутилізатори (80-95%), далі йдуть рекуперативні (до 65%) і на останньому місці знаходяться теплоутилізатори з проміжним теплоносієм (45-55%).

За своїми конструктивними особливостями теплоутилізатори з проміжним теплоносієм мало придатні для індивідуальної поквартирної вентиляції, і тому їх використовують для центральних систем.

Мал. 43. Утилізатор теплоти вентиляційного повітря із проміжним теплоносієм: 1 – припливна вентустановка; 2 – витяжна вентустановка; 3 – теплообмінник; 4 – циркуляційний насос; 5 – фільтр; 6 – корпус утилізатора

Регенеративні теплоутилізатори мають істотний недолік - ймовірністю змішування певної частини повітря, що видаляється з припливним в корпусі апарату, що, у свою чергу, може призвести до перенесення неприємних запахів і хвороботворних бактерій. Обсяг перетікаючого повітря в сучасних апаратах скорочено до часток відсотка, але, проте, більшість фахівців рекомендують обмежити їх сферу застосування межами однієї квартири, котеджу або одного приміщення в громадських будівлях.

Рекуперативні теплоутилізатори, як правило, включають до свого складу два вентилятори (припливний та витяжний), пластинчастий теплообмінник, фільтри (рис. 41). У сучасних конструкціях в теплоутилізатор вбудовуються два водяні або електричні підігрівачі. Один служить захисту від заморожування витяжного тракту теплообмінника, другий - для догріву температури припливного повітря до заданого значення.

Ці системи, порівняно з традиційними, мають ряд переваг, до яких слід віднести істотну економію теплової енергії, що витрачається на підігрів вентиляційного повітря, - від 50 до 90% залежно від типу застосовуваного утилізатора; а також високий рівень повітряно-теплової комфортності, зумовлений аеродинамічною стійкістю вентиляційної системи та збалансованістю витрат припливного та повітря, що видаляється.

При встановленні рекуперативних теплоутилізаторів поквартирно з'являються: - можливість гнучкого регулювання повітряно-теплового режиму залежно від режиму експлуатації квартири, у тому числі з використанням рециркуляційного повітря; - Можливість захисту від міського, зовнішнього шуму (при використанні герметичних світлопрозорих огорож); – можливість очищення повітря припливу за допомогою високоефективних фільтрів.

Реалізація зазначених переваг пов'язана з вирішенням низки проблем: – необхідно передбачити відповідні об'ємно-планувальні рішення квартири та виділити місце для розміщення теплоутилізаторів та додаткових повітроводів; – слід передбачити захист від заморожування теплоутилізаторів за низьких температур зовнішнього повітря (-10 °С і нижче); – утилізатори повинні бути в малошумному виконанні та за необхідності обладнані додатковими шумоглушниками; – необхідно забезпечити кваліфіковане технічне обслуговування теплоутилізаторів (заміна чи очищення фільтрів, промивання теплообмінника).

Різні модифікації утилізаторів теплоти повітря, що видаляється, виробляють загалом більше 20 фірм. Крім того, виробництво енергозберігаючого обладнання розпочинається і на вітчизняних підприємствах.

Рівень звукової потужності наведений без мережі повітроводів, без глушників для відкрито розташованого утилізатора.

Широке застосування у житлових багатоповерхових будинках систем механічної вентиляції з утилізацією теплоти витяжного повітря стримується низкою факторів: – практично відсутнє матеріальне стимулювання енергозбереження у споживачів – власників квартир; - Інвестори-забудовники не зацікавлені в додаткових витратах на інженерне обладнання в будинках економ-і бізнес-класу, вважаючи, що якість вентиляції - другорядний показник у формуванні ринкової вартості житла; – «відлякує» необхідність технічного обслуговування механічної вентиляції; – населення недостатньо поінформовано про умови повітряно-теплового комфорту житла, його вплив на здоров'я та працездатність.

Разом з тим, намітилася позитивна тенденція подолання зазначених проблем, і в інвесторів, і у покупців квартир з'являється практичний інтерес у сучасних технічних рішеннях систем вентиляції.

Порівняємо ефективність традиційної вентиляції та нових технічних рішень стосовно житлових багатоповерхових будівель масової забудови.

Пропонується три варіанти організації вентиляції в житлових 17-поверхових будинках серії П-44 для умов Москви:
A. Вентиляція за типовим проектом (природна канальна витяжка з приміщень кухні, ванни та туалету та приплив за рахунок інфільтрації та від
кривання фрамуг вікон).
Б. Механічна витяжна, центральна система вентиляції з установкою у квартирах припливних та витяжних клапанів постійної витрати повітря.
B. Механічна припливно-витяжна система вентиляції з утилізацією теплоти повітря, що видаляється в рекуперативних теплообмінниках.

Порівняння проводилося за трьома критеріями: - якість повітря; - Витрата теплової енергії в системах вентиляції; - Акустичний режим.

Для умов Москви за даними метеоспостережень було прийнято такі кліматичні умови.

У розрахунках прийнято такі значення опору теплопередачі: – стін – 3,2 м2 °С/Вт; - Вікон - 0,62 м2 ° С / Вт; – покриттів – 4,04 м2 °С/Вт.

Система опалення із традиційними конвекторами на параметри теплоносія 95/70 °С.

У кожному під'їзді на поверсі розташовані дві 2-кімнатні, одна 1-кімнатна та одна 3-кімнатна квартири. У кожній квартирі передбачена кухня з електроплитою, ванна кімната та туалет.

Витяжка проводиться відповідно до нормативів: - з кухні - 60 м3/год; - З ванної кімнати - 25 м3/год; - З туалету - 25 м3/ч.

Для аналізу прийнято, що у варіанті за рахунок провітрювання шляхом відкривання фрамуг вікон середньодобовий обсяг припливу відповідає обсягу витяжки з квартири.

Мал. 44. Рекуператор із встановленням догрівачів повітря в квартирах експериментального будинку: 1 – вентилятор повітря, що видаляється; 2 – вентилятор припливного повітря; 3 – пластинчастий теплообмінник; 4 – електричний нагрівач; 5 – підігрівач теплообмінника; 6 – фільтр для зовнішнього повітря (клас EU5); 7 – фільтр для повітря, що видаляється (клас EU5); 8 – датчик проти замерзання теплообмінника; 9, 10 – автоматичне скидання термозахисту; 11, 12 – ручне скидання термозахисту; 13 – датчик температури припливного повітря

У варіанті Б постійний повітрообмін забезпечується за рахунок роботи центрального вентилятора, мережею повітроводів пов'язаного з кожною з квартир. Постійність повітрообміну забезпечується застосуванням припливних клапанів постійної витрати, встановлених у стулках вікон, та саморегулюючих витяжних клапанів на кухні, у ванній кімнаті та туалеті.

У варіанті В використовується механічна припливно-витяжна система вентиляції з утилізацією теплоти повітря, що видаляється для підігріву припливного в пластинчастому теплообміннику. При порівнянні також прийнято умову сталості повітрообміну.

За критерієм якості повітря варіант А істотно поступається варіантам Б і В. Провітрювання здійснюється періодично протягом довільно обраного жителями часу, тобто суб'єктивно і тому далеко не завжди ефективно. У зимовий період провітрювання пов'язане з необхідністю залишати мешканцями приміщення, що провітрюється. Спроби відрегулювати відкриття фрамуг для постійної вентиляції найчастіше призводять до нестабільності роботи вентиляції, виникнення протягів, температурного дискомфорту. При періодичному провітрюванні якість повітря після закриття кватирок погіршується, і більшу частину часу мешканці проводять у забрудненому повітряному середовищі (рис. 45).

Мал. 45. Зміна повітрообміну та концентрації шкідливих речовин при періодичному провітрюванні приміщень:
1 - повітрообмін;
2 – концентрація шкідливих речовин;
3 - нормативний рівень концентрації шкідливих речовин

Особливий режим вентиляції передбачається приміщення кухні. При приготуванні їжі в роботу включається парасолька, обладнана високопродуктивним багатошвидкісним вентилятором. Повітропродуктивність сучасних надплитних парасольок досягає 600-1000 м3/год, що у багато разів перевищує показник розрахункового повітрообміну в квартирі. Для видалення повітря від надплитних парасольок, як правило, передбачаються окремі повітропроводи, не пов'язані із системою загальнообмінної витяжної вентиляції з кухні. Компенсаційна витрата припливного повітря забезпечується припливним клапаном у стіні, що відкривається під час роботи парасольки. Загальний висновок за порівнюваними варіантами можна зробити наступний: найбільшою ефективністю по повітряно-тепловому комфорту та економії теплової енергії має варіант з утилізацією теплоти витяжного повітря; для нормалізації акустичного режиму потрібні додаткові заходи для шумозахисту вентиляторної установки.

Постійно працююча вентиляція квартир з використанням припливних клапанів (варіант Б), вбудованих у стулки вікон або зовнішні стіни, за низьких температур зовнішнього повітря може призвести до теплового дискомфорту, пов'язаного з нерівномірним розподілом температури та швидкості руху повітря в приміщеннях. Незважаючи на те, що рекомендується розташовувати припливні клапани над або за опалювальними приладами, фахівці в Західній Європі обмежують ефективну сферу застосування таких систем вентиляції районами з температурою зовнішнього повітря не нижче -10 °С. Найбільший інтерес представляє варіант вентиляції, тобто механічна припливно-витяжна вентиляція з утилізацією теплоти повітря, що видаляється в рекуперативних теплообмінниках. Саме за цією системою здійснено проектування та будівництво експериментальної системи.

Експериментальна будівля складається із чотирьох секцій; загальна кількість квартир – 264. Під будівлею розміщений гараж-стоянка на 94 автомобілі. На 1-му поверсі знаходяться допоміжні нежитлові приміщення, два верхні поверхи відведено під спортивно-оздоровчий центр. Житлові квартири розташовані з 2-го по 16-й поверх. У квартирах вільного планування від 60 до 200 м2 загальної площі передбачені, крім житлових приміщень, кухня, ванна кімната з санвузлом, пральна, гостьовий туалет, комори, засклені лоджії. Будівля збудована за індивідуальним проектом (архітектор П. П. Пахомов). Конструктивні рішення будівлі є монолітом з ефективним утеплювачем з цегляним облицюванням. Концепція енергозберігаючих рішень будівлі розроблена під керівництвом президента Асоціації інженерів з опалення, вентиляції, кондиціювання повітря, теплопостачання та будівельної теплофізики, професора Ю. А. Табунщикова, архітектурної майстерні «Архітектори-XXI століття», ВАТ «ЦНДІПРОМЗДАНЬ», ТОВ « ».

Проектом передбачено комплексне рішення, в якому функціонально пов'язані енергозберігаючі архітектурно-планувальні рішення, ефективні конструкції та інженерні системи нового покоління.

Конструкції будівлі мають високий рівень теплозахисту. Так, опір теплопередачі стін становить 3,33 м2 °С/Вт, металопластикових вікон з двокамерними склопакетами - 0,61 м2*°С/Вт, верхніх покриттів - 4,78 м2 °С/Вт, лоджії засклені сонцезахисним тонованим склом.

Внутрішні параметри повітря холодного періоду прийняті такими: – житлові кімнати - 20 °С; - Кухня - 18 ° С; - ванна - 25 ° С; - Туалет - 18 °С.

У будівлі запроектована горизонтальна поквартирна система опалення з периметральним розведенням трубопроводів по квартирі. Металопластикові труби з теплоізоляцією у захисній гофрі замонолічені у підготовку «чорної» підлоги. На всю будівлю загальною площею близько 44 тис. м2 у системі опалення житлової частини всього чотири пари стояків (що подає та зворотний) за кількістю секцій. На кожному поверсі у ліфтовому холі до стояків приєднані розподільні колектори до квартир. Колектори обладнані арматурою, балансувальними вентилями та квартирними лічильниками теплоти.

У будівлі запроектована та реалізована поквартирна регульована припливно-витяжна система вентиляції з утилізацією теплоти повітря, що видаляється.

Компактний припливно-витяжний агрегат із пластинчастим рекуператором розміщений у підшивній стелі гостьового туалету поруч із кухнею.

Забір припливного повітря здійснюється через теплоізольований повітропровід та отвір у зовнішній стіні, що виходить на лоджію кухні. Повітря, що видаляється, забирається з приміщення кухні. Витяжка з туалетів та ванної кімнати не теплоутилізується, тому що на момент узгодження проекту нормативи забороняли об'єднувати в межах квартири в одну вентиляційну мережу витяжки кухні, ванної кімнати та туалету. Наразі згідно з «Технічними рекомендаціями щодо організації повітрообміну в квартирах багатоповерхового житлового будинку» це обмеження знято.

В умовах вільного планування квартир об'єднання загальним горизонтальним витяжним повітроводом трьох-чотирьох зон вимагає спеціальних архітектурно-планувальних рішень, пристрої в квартирі горизонтальної мережі повітроводів, що важко здійснити з конструктивних міркувань.

В опалювальний період 2003-2004 років у 3-кімнатній квартирі на 12-му поверсі були проведені попередні випробування квартирної системи вентиляції з утилізацією теплоти повітря, що видаляється. Загальна площа квартири складає 125 м2. Випробування проводилися у квартирі без оздоблення, без міжкімнатних перегородок та дверей. Вибіркові результати випробувань наведено у табл. 22. Температура зовнішнього повітря 4 становила від +4,1 до -4,5 °З за переважно хмарної погоди. Температура повітря у приміщенні tB підтримувалася квартирною системою опалення зі сталевими радіаторами, обладнаними термостатичними вентилями, у діапазоні від 22,8 до 23,7 °С. У ході випробувань за допомогою зволожувачів повітря змінювалася відносна вологість повітря від 25 до 45%.

У квартирі було встановлено рекуперативний теплоутилізатор, максимальною продуктивністю припливного повітря Lnp = 430 м3/год. Об'єм повітря, що видаляється Ь„ігутл становив приблизно 60-70% від припливного, що обумовлено налаштуванням апарату на утилізацію тільки частини повітря, що видаляється.
Апарат обладнаний повітряними фільтрами припливного та витяжного тракту та двома електричними нагрівачами. Перший нагрівач номінальною потужністю 0,6 кВт призначений захисту витяжного тракту від заморожування конденсату, який спеціальної дренажної трубкою через гидрозатвор відводиться в каналізацію. Другий нагрівач потужністю 1,5 кВт призначений для догрівання повітря tw до заданого комфортного значення.

Мал. 46. План квартири із системою вентиляції: 1 – припливно-витяжна установка з утилізатором; 2 - повітрозабір з лоджії; 3 – витяжка із кухні; 4 – витяжка із гостьового туалету; 5 – витяжка з вбиральні; 6 – витяжка з ванної; 7 - стельовий перфорований розподільник повітря

Для простоти монтажу він також виконаний електричним.

У процесі випробування проводилися вимірювання температури та вологості зовнішнього, внутрішнього та повітря, що видаляється, витрати припливного та видаленого повітря, витрати теплоти квартирною системою опалення Qm за показаннями теплолічильника, витрати електроенергії.

Теплоутилізатор обладнаний системою автоматики з контролером та пультом управління. Система автоматики передбачає включення першого нагрівача при досягненні температури стінки теплообмінника нижче +1 °С, другий нагрівач може включатися та вимикатися, забезпечуючи сталість заданої температури припливного повітря, яка перебувала у процесі випробувань у діапазоні від 15 до 18,3 °С. Система управління вентиляторами дозволяє вибрати три фіксовані режими витрати повітря, що відповідають кратності повітрообміну від 0,48 до 1,15 1/год.

Контроль та завдання температури та витрати повітря здійснюється з дистанційного провідного пульта управління.

Випробування показали стійку роботу квартирної системи вентиляції та енергетичну ефективність утилізації теплоти повітря, що видаляється.

Слід зазначити низку особливостей у проведенні досліджень, які не можна не брати до уваги, оцінюючи показники повітряно-теплового режиму квартири.

1. У новобудовах новий бетон і розчин виділяють значну кількість вологи в приміщення. Період, протягом якого волога в будівельних конструкціях входить у рівноважний стан, досягає 1,5-2 років. Так, в результаті випробувань приблизно через півроку після заповнення моноліту та укладання стяжки вологовміст внутрішнього повітря за наявності вентиляції становило 4-4,5 г/кг сухого повітря, тоді як вологовміст зовнішнього повітря не перевищував 1-1,5 г/кг сухого повітря.

За нашими оцінками, у монолітній будівлі для приведення конструкцій у рівноважний вологий стан необхідно асимілювати до 200 кг вологи на кожний кв. метр площі підлоги. Кількість теплоти, необхідне випаровування цієї вологи, у початковий період дорівнює 10-15 Вт/м2, а період випробувань - 5-7 Вт/м2, що становить значну частину в тепловому балансі квартири в холодний період року. Не враховувати цей фактор при здійсненні опалення та вентиляції необачно, особливо в монолітному будівництві.

2. У процесі випробувань були відсутні так звані внутрішні побутові тепловиділення, розмір яких у нормативах пропонується приймати 10 Вт/м2.
Звісно ж, що це показник має бути диференційованим залежно від площі квартири однієї жителя.

У великих квартирах (більше 100 м2) з площею однієї людини 30-50 м2 ймовірне значення цього показника має знижуватися до 5-8 Вт/м2. Інакше проектна теплова потужність систем опалення та вентиляції будівель може бути заниженою на 10-30%.

Однак більш доцільно під час будівництва, зокрема будівель з монолітними конструкціями, що виділяють в приміщення багато вологи, перед здаванням будівель і особливо перед їх заселенням проводити просушування за допомогою будівельників, що знаходяться в розпорядженні, потужних електронагрівачів. На жаль, таке просушування до проведення випробувань не проводилося.

Як зазначалося, експериментальний будинок, що розглядається, проектувався і будувався як енергозберігаючий. За результатами проведених випробувань з поправками на прогнозовані побутові тепловиділення та теплоту випаровування вологи у будівельних конструкціях були розраховані питомі теплоенергетичні характеристики 3-кімнатної квартири з розрахунку на 1 м2 площі за підтримки у квартирі температури 20 °С.

Результати розрахунків показали, що після обробки квартир та заселення будівлі питома розрахункова річна витрата теплоти на опалення та вентиляцію знижується майже вдвічі з 132 до 70 кВт год/(м2 рік), а із застосуванням утилізації теплоти до 44 кВт год/(м2 рік).

Подальша експлуатація будівлі дозволить перевірити прийняті у попередніх розрахунках припущення.

Дослідження експериментальної системи повинні охопити всі фактори, що характеризують її роботу, у тому числі психологічне ставлення мешканців, які використовують нові для них пристрої.

Електропідігрів повітря в експериментальній системі порівняно з використанням для цієї мети теплоти від теплофікації, до якої приєднано будинок, економічно невиправданий. Таке рішення було прийнято для зручності експерименту, зокрема для вимірів, що стосуються витрат теплоти. Проте, на думку авторів, згодом людство почне переходити на повне електротеплопостачання житлових міських будівель. Тому експериментальне дослідження системи, в якій квартирна вентиляція працює з використанням електроповітронагрівачів, цікавить майбутнє.