Понятие рекуперации и ее применение в системах приточно-вытяжной вентиляции

Известно, что в современных зданиях в зимний период, как минимум, 25–50 % тепла расходуется на нагрев приточного воздуха. В простых системах вентиляции вытяжной воздух просто выбрасывается на улицу, таким образом в холодный период года это увеличивает затраты на отопление, а летом – на кондиционирование. В результате, в течение отопительного периода в данных системах удаляется и выбрасывается большой объём воздуха с температурой +18 °С.

Рекуперация (от лат. recuperatio - обратное получение, возвращение), возвращение части материала или энергии, расходуемых при проведении того или иного технологического процесса, для повторного использования в том же процессе.

Плюсом рекуперации является экономия энергии, и как следствие, экономия средств на эксплуатацию системы вентиляции. Бывают случаи, когда есть ограничение в возможном объеме потребляемой энергии и нет возможности установить мощную обогревательную систему, использование рекуператора является рациональным решением проблемы.

Единственным минусом являются необходимые дополнительные первоначальные вложения на установку рекуператора.

Что такое рекуперация тепла?

Рекуперация тепла или обратное получение тепла - это процесс теплообмена, при котором тепло забирается от вытягиваемого выбрасываемого воздуха и передается свежему нагнетаемому воздуху, который нагревается. Процесс проходит в рекуперационном теплообменнике таким образом, что выбрасываемый и свежий воздух абсолютно отделены друг от друга, чтобы не произошло их смешивание. В охлаждаемых помещениях можно использовать рекуперационные теплообменники также обратным способом, то есть для рекуперации холода. При этом подводимому воздуху передается холод от отводимого воздуха.

Важной характеристикой рекуператоров является коэффициент эффективности рекуперации. Коэффициент эффективности рекуперации тепла выражает отношение между максимально возможным полученным теплом и теплом, полученным в действительности. Теоретически эффективность может меняться в пределах от 30 до 90 %. Эта характеристика зависит от стоимости, производителя и типа рекуператора.

Типы рекуператоров:

1. Пластинчатые рекуператоры 

Являются самым распространенным видом рекуператоров, применяемых в системах приточно-вытяжной вентиляции. Принцип их действия заключается в пересечении воздушных потоков приточного и вытяжного воздуха. Эти потоки пересекаются, но не перемешиваются в специальном пластинчатом теплообменнике.

Рисунок 1. Принцип работы пластинчатого рекуператора

Преимущества пластинчатых рекуператоров:

• Пластинчатые теплообменники обладают высокой эффективностью 40–92%;
• Пластинчатый теплообменник в данном виде рекуператоров – устроен просто и не имеет подвижных или трущихся частей, что подразумевает собой нечастое техническое обслуживание;
• В данном рекуператоре отсутствуют какие-либо потребители электроэнергии, что снижает стоимость расходов на работу данного устройства.

 Недостатки пластинчатых рекуператоров:

• Необходимость пересечения потоков приточного и вытяжного воздуха диктуется необходимость пересечения воздуховодов в рекуператоре, что не всегда удобно и реализуемо;
• На пластинах теплообменника может образовываться некоторое количество конденсата, в результате в зимний период пластинчатый теплообменник может обмерзать и для решения этой проблемы необходимо либо периодически отключать приточный вентилятор, либо использовать байпасный клапан;
• Данные рекуператоры способны только к теплообмену. Влагообмен в данном виде рекуператоров – большая редкость.

2. Роторные рекуператоры

Это второй по распространенности вид рекуператоров, применяемых в системах приточно-вытяжной вентиляции. Принцип его действия заключается в прохождении воздушных потоков приточного и вытяжного воздуха через специальный вращающийся роторный теплообменник.

Рисунок 2. Принцип работы роторного рекуператора

Преимущества роторных рекуператоров:

• Роторные теплообменники обладают эффективностью 60–85%;
• Роторный теплообменник в данном виде рекуператоров позволяет возвращать не только тепло, но и влажность;
• Регулируя скорость вращения ротора можно регулировать общую эффективность рекуператора.

Недостатки роторных рекуператоров:

• Необходимостью параллельного прохода потоков приточного и вытяжного воздуха диктуется необходимость пересечения воздуховодов в рекуператоре, что не всегда удобно и реализуемо;
• Загрязненный вытяжной воздух частично перемешивается с приточным, в связи, с чем необходима установка дополнительных фильтров на приток и на вытяжку;
• В данных рекуператорах имеются подвижные части и потребители электроэнергии, в связи, с чем повышаются затраты на содержание вентиляции, а так же необходимо производить техническое обслуживание чаще, чем в пластинчатых рекуператорах.

3. Рекуператоры с промежуточным теплоносителем

Этот вид рекуператоров воздуха, применяемых в системах приточно-вытяжной вентиляции, имеет свои отличительные особенности. Принцип действия водяного рекуператора воздуха заключается переносе тепловой энергии из отдельно стоящего вытяжного теплообменника в приточный с помощью воды, антифриза, либо других теплоносителей.

Рисунок 3. Схема работы водяного рециркуляционного рекуператора воздуха

Приточный и вытяжной теплообменники такого рекуператора воздуха могут быть расположены на удалении друг от друга и соединены теплоизолированным трубопроводом. Применяются они не так часто в связи с низким КПД и необходимостью частого техобслуживания. Применяются в основном с целью модернизации отдельных приточной и вытяжной вентиляции, либо при отсутствии возможности расположения вытяжной и приточной магистралей близко друг к другу.

Преимущества водяных рекуператоров:

• Пластинчатые теплообменники обладают эффективностью 50–65%;
• Вытяжной и приточный потоки никогда не перемешиваются, что предотвращает частичный перенос загрязненного воздуха из вытяжки в приток;
• Возможно размещение приточного и вытяжного теплообменииков на расстоянии друг от друга, что придает данной системе гибкость при проектировании и установке;
• Возможность объединения нескольких вытяжных и нескольких приточных систем в одну систему рекуперации.

Недостатки водяных рекуператоров:

• Наличие дополнительной водяной магистрали требует установки водяного насоса и дополнительных устройств, отвечающих за правильность работы данной системы;
• Расход электроэнергии на работу система циркуляции воды и теплопотери теплоносителя, если приточный и вытяжной теплообменники удалены друг от друга делает данную систему нецелесообразной;
• Данные рекуператоры способны только к теплообмену. Влагообмен в данном виде рекуператоров невозможен.

4. Тепловые трубки

Система представляет собой закрытую трубку из теплопроводящего металла (например, меди) с запаянной внутри легкозакипающей жидкостью, обычно фреоном. Рабочее положение такого рекуператора – вертикальное или близкое к нему. Теплообмен происходит по следующему принципу. Теплый воздух на выходе из помещения омывает нижний конец трубки, заставляя фреон кипеть и выпариваться в верхнюю ее часть, забирая с собой тепловую энергию. Верхний конец трубки омывается приточным холодным воздухом. Пары фреона отдают тепло приточному потоку и конденсируются в верхней части теплообменной трубки. Приточный воздух, забрав тепловую энергию, подается внутрь помещения. Жидкий фреон под воздействием гравитационной силы возвращается в нижнюю часть теплообменника. Процесс циклично повторяется.

 

 Рисунок 4. Принцип работы тепловой трубки

Преимущества тепловой трубки:

• Простота системы;
• Отсутствие движущихся частей.

 Главным недостатком тепловых трубок это эффективность использования – 50–70%.

5. Камерные теплообменники 

Ппредставляют собой камеру, разделённую на две части заслонкой. Удаляемый воздух нагревает одну часть камеры, затем заслонка изменяет направление воздушного потока таким образом, что приточный воздух нагревается от нагретых стенок камеры. Загрязнение и запахи могут передаваться из удаляемого воздуха в приточный. Единственная подвижная часть рекуператора – заслонка, что минимизирует возможность загрязнения. Он характеризуется высокой эффективностью (80-90%).

Рисунок 5. Принцип работы камерного теплообменника

Выбор оптимальной конструкции теплообменника является задачей, разрешаемой технико-экономическим сравнением нескольких типоразмеров аппаратов применительно к заданным условиям.

На поверхность теплообмена и на относящуюся к ней долю капитальных затрат, а также на стоимость эксплуатации влияет недорекуперация теплоты. Чем меньше величина недорекуперации теплоты, т.е. чем меньше разница температур греющего теплоносителя на входе и нагреваемого теплоносителя на выходе при противотоке, тем больше поверхность теплообмена, тем выше стоимость аппарата, но тем меньше эксплуатационные расходы.

Выводы

С применением систем рекуперации воздуха, можно достичь следующих результатов:

• Понизить расход энергии, идущей на нагрев, и в результате, сократить расходы на отопление;
• Возможность выбора генератора тепла минимальной мощности, а поверхностей нагрева, трубопроводной сети – меньших размеров;
• Возникает возможность снижения летом количества энергии, идущей на охлаждение, что позволяет использовать охлаждающие установки меньшей мощности, что соответственно, дает сокращение стоимости этих установок и затрат на их эксплуатацию;
• Значительно улучшить качество воздуха в помещении за счет увеличения нормы свежего воздуха на человека в час.