Рекуператоры воздуха. Виды и принцип работы

Вскоре заслонка поворачивается, что позволяет приточному воздуху проходить через первую, нагретую половину камеры. В результате этого воздуха нагревается. В свою очередь, вытяжной воздух проходит через вторую, оставшуюся холодной половину камеры, в результате чего она также нагревается. После этого заслонка возвращается в исходное положение, и указанные процессы повторяются.

Рекуперация тепла в системах вентиляции: принцип работы и варианты исполнения

Во время вентиляции из помещения удаляется не только отработанный воздух, но и часть тепловой энергии. Это особенно ощутимо зимой, когда такие потери приводят к значительному увеличению расходов на энергоресурсы.

Чтобы сократить неоправданные расходы, не уменьшая при этом качество воздухообмена, рекомендуется использовать системы рекуперации тепла как централизованного, так и локального типа. В качестве основных компонентов для регенерации тепловой энергии служат различные виды теплообменников, известные как рекуператоры.

В данной статье подробно рассматриваются модели агрегатов, их конструктивные особенности, принципы действия, а также преимущества и недостатки. Предоставленная информация поможет выбрать оптимальный вариант для организации эффективной вентиляционной системы.

Понятие рекуперации: принцип работы теплообменника

С латинского языка термин «рекуперация» переводится как «возмещение» или «обратное получение». В контексте теплообменных процессов рекуперация представляет собой частичный возврат энергии, использованной в ходе какого-либо технологического действия, с целью повторного применения этой энергии в том же процессе.

В системах вентиляции принцип рекуперации активно используется для экономии тепловой энергии. Аналогично этому, в жаркую погоду происходит рекуперация охлажденного воздуха — теплые приточные массы нагревают выводимый отработанный воздух, в результате чего их температура снижается.

Применение рекуперации тепла в вентиляционных системах способствует уменьшению затрат на их содержание, обеспечивая при этом соблюдение нормативного воздухообмена.

Установки для рекуперации тепла имеют смысл использовать в системах вентиляции с механическим движением воздуха.

Рекуператоры обычно располагаются на чердаках или в специализированных помещениях, чтобы уменьшающий шум работающего оборудования не мешал жильцам квартир, посетителям спортивных комплексов или рабочему процессу в производственных цехах.

После рекуперации воздушный поток, обогащенный дозой свежего воздуха, подается в помещения через специальные вентиляционные решетки, которые располагаются в воздуховодах.

При проектировании вентиляционных контуров производственных помещений для сохранения собранного тепла и ввода свежего воздуха, оборудование, осуществляющее обработку воздушного потока, устанавливается в мансардном пространстве, а воздуховоды располагаются под потолком.

Помимо повторного использования тепловой энергии, существуют технологии фильтрации воздуха, которые позволяют очищать его от пыли и токсичных компонентов.

Современные рекуператоры оснащены системами, снижающими энергозатраты, что приводит к значительному уменьшению расхода электроэнергии.

Рекуперация является экономичным решением для систем принудительной вентиляции, однако она используется только как дополнительный элемент. Основной объем воздуха в холодные месяцы по-прежнему обрабатывает нагревательное оборудование.

Процесс регенерации энергии осуществляется в рекуперационном теплообменнике, который включает в себя специальный теплообменный элемент и вентиляторы для прокачивания воздухопотоков в различных направлениях. Для управления этим процессом и контроля за качеством подачи воздуха используется автоматизированная система.

Конструкция рекуператора организована таким образом, что приточные и вытягиваемые потоки находятся в отдельных отсеках и не смешиваются; процесс теплоутилизации осуществляется через стенки теплообменника.

Более наглядно понять принципы рекуперации поможет схема циркуляции воздуха, представленная ниже.

Влажный воздух из помещений, таких как туалеты, ванные комнаты и кухни, выводится наружу. Перед тем как покинуть здание, этот воздух проходит через рекуператор, оставляя при этом часть тепла. Свежий воздух, поступающий в помещение, движется навстречу, нагревается за счет вытяжного и затем поступает в жилые зоны.

Что такое рекуперация

Рекуперация — это процесс восстановления или возврата части энергии, которая обычно теряется в результате выполнения определенной работы или процесса. Этот термин применяется в различных областях, однако его основное значение заключается в восстановлении энергии или ресурсов в технических, инженерно-технических или физических системах. Происхождение термина связано с латинским словом «recuperare», что переводится как «восстановление» или «возврат». Таким образом, основной идеей рекуперации является возвращение утраченной энергии в систему для повторного использования.

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с потерей энергии, зачастую не осознавая этого. Например, когда мы тормозим автомобиль, кинетическая энергия, накопленная в процессе движения, теряется в виде тепла и звука. Подобные потери наблюдаются во множестве других систем, где используется движение и энергия. Главная задача рекуперации состоит в том, чтобы захватывать и сохранять часть этого теряющегося ресурса, а затем применять его вновь. Это увеличивает общую эффективность систем и, как следствие, снижает расход энергоресурсов.

Как работает система рекуперации

Система рекуперации в двунаправленных источниках питания используется для эффективного управления энергией в месте ее хранения, включая аккумуляторы или суперконденсаторы. Данная система может осуществлять переключение между режимами зарядки и разрядки, а также задействовать оба режима одновременно, если это необходимо.

В режиме зарядки источник энергии (такие как солнечные панели или генератор) преобразует доступную энергию в электрический ток и напряжение, которые затем подаются на двунаправленный источник питания. Этот источник преобразует поступающий ресурс в необходимый формат для зарядки хранилища (аккумулятора или суперконденсатора). Когда нагрузка начинает потреблять больше энергии, чем в данный момент производится, двунаправленный источник питания может преобразовать энергию из хранилища в электрический ток и напряжение, который возвращается обратно в систему для балансировки нагрузки.

В некоторых случаях, когда энергия идет в избытке от источника, а потребление также существует, система рекуперации может одновременно выполнять и зарядку, и разрядку – она направляет часть энергии на зарядку хранилища и часть на нужды потребителей. При этом системы учитывают потребности в ресурсе, состояние аккумуляторов, качество сигнала (если это имеет отношение к коммуникациям) и множество других факторов, чтобы определить, когда и как лучше использовать сохраненную энергию.

Эффективность рекуператора

Одной из самых важных характеристик рекуператора является его эффективность, которая показывает, насколько хорошо устройство смогло нагреть приточный воздух по сравнению с идеальным вариантом. При этом идеальным вариантом считается нагрев приточного воздуха до температуры вытяжного воздуха. На практике добиться такого результата невозможно, и нагрев воздуха происходит до некоторой промежуточной температуры, обозначаемой как Tп. Формула для определения эффективности выглядит следующим образом:

• ТП – температура приточного воздуха после рекуператора, °С,
• ТН – температура наружного воздуха (приточный воздух до рекуператора), °С,
• ТВ – температура вытяжного воздуха до рекуператора, °С.

Эта формула учитывает изменение явного тепла в потоках воздуха. Однако стоит учитывать, что также может изменяться относительная влажность потоков. Поэтому для более точной оценки целесообразно воспользоваться расчетом эффективности рекуператора по полному теплу, формула которого схожа с предыдущей, но основана на энтальпийных потоках воздуха:

• IП – энтальпия приточного воздуха после рекуператора, °С,
• IН – энтальпия наружного воздуха (приточный воздух до рекуператора), °С,
• IВ – энтальпия вытяжного воздуха до рекуператора, °С.

Первая формула позволяет быстро оценить эффективность рекуперации. Для получения более точных результатов рекомендуется использовать вторую формулу.

Преимущества и недостатки рекуператоров разных типов

Ясным преимуществом рекуператоров является их способность значительно сократить расходы на нагрев приточного воздуха зимой и охлаждение этого воздуха летом. Однако у таких систем есть и недостатки:

• Рекуператоры создают дополнительное аэродинамическое сопротивление в системе. Действительно, как и любой другой элемент вентиляционной системы, рекуператоры имеют определенное сопротивление, которое обязательно нужно учитывать при выборе вентиляторов. Однако это сопротивление незначительное (обычно не превышает 100 Па) и не приводит к значительному увеличению мощности вентиляторов.
• Рекуператоры увеличивают как стоимость самой вентиляционной установки, так и её эксплуатационных расходов. Подобные системы, нацеленные на повышение энергоэффективности, требуют определенных денежных вложений и регулярного технического обслуживания. Тем не менее, опыт показывает, что затраты на установку рекуператоров значительно меньше той выгоды, которую они приносят.
• Роторные, камерные и в меньшей степени пластинчатые рекуператоры обладают недостатком, который может стать критическим для специализированных объектов, — возможностью перетекания потоков воздуха. Это приводит к нежелательным перетеканиям вытяжного воздуха в приточный поток, что недопустимо в системах вентиляции для чистых помещений и представляет опасность, например, в инфекционных отделениях больниц. Это может привести к распространению вирусов, попавших в вытяжку из одного семплерного помещения, в приточный поток воздуха, который затем распределяется по всему зданию. В таких случаях применяются рекуператоры с промежуточным теплоносителем или фреоновые рекуператоры.
• Рекуператоры увеличивают размеры вентиляционной установки, особенно это касается пластинчатых рекуператоров, так как они представляют собой воздухо-воздушные теплообменники и имеют большое расстояние между входами и выходами. Кроме того, это относиться также к рекуператорам с промежуточным теплоносителем из-за наличия двух отдельных теплообменников, двух линий трубопроводов и необходимых узлов обвязки около каждого из теплообменников.

Виды рекуператоров

Рекуператоры представляют собой устройства для восстановления тепла из вентиляционного воздуха перед его выводом в атмосферу или перед подачей в помещение. Существует несколько основных типов рекуператоров:

1. Пластинчатые рекуператоры: они состоят из пластин, которые разделяют воздушные потоки и позволяют теплу передаваться с одного потока на другой. Это наиболее распространенный вид рекуператоров, используемых в системах вентиляции.
2. Роторные рекуператоры: в их конструкции используются вращающиеся элементы, которые обеспечивают передачу тепла между потоками воздуха. Этот тип рекуператоров обычно применяют в крупных системах вентиляции, требующих высокой производительности.
3. Теплонасосные рекуператоры: здесь используются тепловые насосы для передачи тепла между воздушными потоками. Этот тип часто встречается в системах кондиционирования и отопления.
4. Пластинчато-роторные рекуператоры: комбинированная система, которая сочетает в себе конструктивные элементы как пластинчатого, так и роторного типов рекуператоров. Они предоставляют более эффективную передачу тепла, чем простые пластинчатые модели и гораздо меньшие размеры по сравнению с роторными рекуператорами.

Рекуперация

В последние годы в России наблюдается активное продвижение политики в области энергосбережения и повышения эффективности потребления энергоресурсов. Как известно, в холодные сезоны значительная часть энергии уходит на нагрев воздуха, поступающего из приточной вентиляции. Уменьшение энергопотребления и повышение коэффициента полезного действия (КПД) инженерных систем возможно при применении рекуператоров.

Термин «рекуперация» описывает процесс повторного использования отработанной энергии или ресурсных материалов. В системах вентиляции это подразумевает передачу тепла от вытяжного воздуха, нагретого в процессе эксплуатации, к холодному приточному, при этом осуществляется передача тепла без прямого контакта между потоками. Именно рекуператор является устройством, которое выполняет эту функцию теплообмена. Также существуют установки с приточно-вытяжной системой, в которых возможна рециркуляция воздуха в секции рекуператора путем открытия специальных переточных заслонок.

Принципиальная схема вентиляции с рекуператором

Перед поступлением свежего воздуха с улицы в обслуживаемые помещения (спальни, детские комнаты, гостиные) в рекуператоре происходит его предварительное нагревание за счет тепла вытяжного воздуха, взятого из туалетов, ванных комнат и кухонь. Это позволяет значительно снизить затраты энергии на нагрев приточного воздуха.

Эффективность и целесообразность использования рекуператора

В этом разделе мы обсудим эффективность рекуператора в системах вентиляции и разберем основные преимущества и недостатки такой технологии. Важно отметить, что эффективность и сроки окупаемости рекуператора зависят от различных условий:

• Тип рекуператора.
• Объем воздухообмена.
• Температурный режим эксплуатации.
• Вид основного источника энергии, используемого для нагрева поступающего воздуха (газ, горячая вода, электричество).
• Тарифы на энергоресурсы.

Так, например, срок окупаемости рекуператора на крупных объектах в Москве с воздухообменом более 1000 м³/час и электрическими калориферами составляет около 2–3 лет. В то время как для небольшого частного дома с расходом воздуха менее 200 м³/час сроки окупаемости могут достигать 8 лет. При наличии водяного нагревателя срок окупаемости может увеличиваться в 5–7 раз, что делает приобретение рекуператора нецелесообразным с экономической точки зрения. КПД рекуператоров в зависимости от типа варьируется от 40% до 90%, и устройства с КПД выше 60% считаются эффективными.

Среди недостатков использования рекуператоров выделяются следующие:

• Высокие первоначальные инвестиции. Большие стартовые затраты представляют собой основной недостаток рекуператоров, однако они компенсируются снижением других эксплуатационных расходов на нагрев или охлаждение приточного воздуха.
• Возможность образования конденсата. Из-за разницы температур на стенках теплообменника может происходить конденсация, а зимой существует риск обледенения, что приведет к снижению КПД и возможному временному выходу устройства из строя.
• Увеличение аэродинамического сопротивления вентиляционной сети. При выборе вентиляторов важно учитывать, что потери давления на рекуператоре могут достигать 100 Па.
• Риск перетока вытяжного воздуха в приточный поток в некоторых моделях рекуператоров.
• Увеличение габаритов системы приточно-вытяжной вентиляции.
• Некоторые модели рекуператоров могут работать довольно шумно.