В предыдущей статье мы уже говорили про вентиляцию помещений зданий, объяснили необходимость воздухообмена для существования человека. Сегодня же мы рассмотрим современные способы организации воздухообмена с применением приточно-вытяжных установок.
Приточно-вытяжные установки – это комплекс оборудования, предназначенного для очистки, нагрева (охлаждения) и перемещения воздуха.
Но главная задача – это подача свежего воздуха в помещение и удаление отработанного из него, причем система вентиляции работает круглогодично. При проектировании систем вентиляции календарный год принято разбивать на два периода: отопительный период (холодный) и теплый период.
Отопительный период – это период, когда среднесуточная температура наружного воздуха не превышает значение +8°С в течение 5 суток [1]. Для большинства регионов России продолжительность отопительного периода превышает 180 – 200 суток, а средняя температура за этот период ниже – 2,0°С [2].
Особенностью работы системы приточно-вытяжной вентиляции в отопительный период является необходимость нагрева подаваемого в помещение воздуха.
Очевидно, что подача свежего воздуха без нагрева в помещении невозможно. Это приведет к созданию внутри неблагоприятных условий для жизнедеятельности человека, в первую очередь нарушит его тепловой комфорт.
Поэтому в отопительный период система вентиляции должна обеспечить не только требуемый воздухообмен, но поддержание требуемой температуры приточного воздуха, которая лежит в диапазоне 18–22°С [3].
Обеспечить требуемую температуру приточного воздуха можно разными способами: подогрев приточного воздуха, частичная рециркуляция (возврат) удаляемого (вытяжного) воздуха, использование установки приточно-вытяжной вентиляции с пластинчатым рекуператором или роторным регенератором теплоты удаляемого воздуха.
Самым простым способом обеспечения требуемой температуры приточного воздуха это его нагрев в установке приточной вентиляции при помощи электрического или водяного калорифера (рисунок 1).
Но этот способ является самым дорогим, т.к. уже нагретый вытяжной воздух помещения, который не может быть использован для дыхания человека, удаляется из помещения. В современных системах этого стараются избегать и реализуют системы с рекуперацией теплоты.
Для иллюстрации затрат на электрический нагрев приточного воздуха, проведем простейший расчет.
Задача – необходимо нагреть 100 м3/ч (0,0319 кг/c) воздуха с температуры -10°С до 20°С;
Решение:
Q=Gcp(t1- t0) (1)
Где:
G – массовый расход воздуха, кг/с;
cp - удельная теплоемкость воздуха при средней температуре в процессе, (1005 – Дж/кгК);
t1 – температура до которой надо нагреть, (20°С);
t0 – температура от которой надо нагреть, (-10°С).
Начальная температура была взята, как самая осредненная температура наружного воздуха в отопительный период, по европейской территории России. Реальные значения наружной температуры могут достигать -20°С - -30°С.
Формула 1, является одним из следствий первого закона термодинамики и постоянно применяется в инженерных расчетах. Различные вариации данной формулы с различными поправками присутствуют во многих нормативах.
Задача – необходимо нагреть 100 м3/ч (0,0319 кг/c) воздуха с температуры -10°С до 20°С;
Решение:
Q=Gcp(t1- t0) (1)
Где:
G – массовый расход воздуха, кг/с;
cp - удельная теплоемкость воздуха при средней температуре в процессе, (1005 – Дж/кгК);
t1 – температура до которой надо нагреть, (20°С);
t0 – температура от которой надо нагреть, (-10°С).
Начальная температура была взята, как самая осредненная температура наружного воздуха в отопительный период, по европейской территории России. Реальные значения наружной температуры могут достигать -20°С - -30°С.
Формула 1, является одним из следствий первого закона термодинамики и постоянно применяется в инженерных расчетах. Различные вариации данной формулы с различными поправками присутствуют во многих нормативах.
Таким образом получаем:
Q=963 Вт (почти 1 кВт электрической мощности).
При постоянном потреблении, на одну квартиру с потребностью в вентиляции 200 м3/ч (2-х комнатная квартира), будет уходить энергии: 23,112 кВт*ч в сутки или по нынешним тарифам (5,5 руб/кВт *ч): 127 руб/сут или 22 000руб. за отопительный период.
Q=963 Вт (почти 1 кВт электрической мощности).
При постоянном потреблении, на одну квартиру с потребностью в вентиляции 200 м3/ч (2-х комнатная квартира), будет уходить энергии: 23,112 кВт*ч в сутки или по нынешним тарифам (5,5 руб/кВт *ч): 127 руб/сут или 22 000руб. за отопительный период.
Рекуперация – возвращение части энергии для повторного использования в том же технологическом процессе. В нашем случае речь идет о передаче тепла вытяжного воздуха, приточному.
Для рекуперации теплоты используются пластинчатые рекуператоры или роторные регенераторы.
Основная идея установки таких аппаратов – это утилизация (возврат) части тепловой энергии из удаляемого воздуха, которая была подведена к приточному.
Теперь несколько слов о принципах действия этих аппаратов:
- В пластинчатом рекуператоре встречаются два потока воздуха: холодный приточный и теплый вытяжной, происходит процесс теплопередачи через разделяющие потоки стенки в аппарате, поэтому вытяжной воздух охлаждается, а приточный нагревается. Этот процесс и называется рекуперацией теплоты. КПД пластинчатых рекуператоров теплоты достигают 75%
- В пластинчатом рекуператоре встречаются два потока воздуха: холодный приточный и теплый вытяжной, происходит процесс теплопередачи через разделяющие потоки стенки в аппарате, поэтому вытяжной воздух охлаждается, а приточный нагревается. Этот процесс и называется рекуперацией теплоты. КПД пластинчатых рекуператоров теплоты достигают 75%
- При использовании установки с роторным регенератором теплоты теплый вытяжной поступает в верхнюю часть аппарата (Рисунок 3) и нагревает насадку, которая выполнена в виде шайбы из гофрированного алюминия. Через какое-то время нагретая часть перемещается в нижнюю часть аппарата, где протекает холодный приточный воздух. Насадка нагревает приточный воздух, далее процесс повторяется. КПД роторного регенератора достигает 90 %.
Соответственно затраты энергии на нагрев воздуха уменьшаться на 70 – 90% при использовании систем тепловой утилизации (рекуперации) и составят 4 000 – 5 000руб. за отопительный период, вместо 22000руб.
А в случае «теплой» зимы (если температура не будет опускаться ниже -10°С, и вовсе может не потребоваться догрев воздуха.
А в случае «теплой» зимы (если температура не будет опускаться ниже -10°С, и вовсе может не потребоваться догрев воздуха.
ВАЖНО! При использовании систем рекуперации, экономится также энергия на отопление, в случае наличия системы регулировки и поддержания температуры в помещении. Так как при естественной вентиляции, поступающий уличный воздух нагревается системой отопления и затраты энергии на его нагрев составят не на много (всего на 15 – 20%) ниже, чем при принудительной вентиляции, и то за счет недостатка поступления свежего воздуха.
Заключение
- Работа приточно-вытяжной вентиляции в холодный период года требует существенных финансовых затрат, т.к. потребляется энергия на нагрев приточного воздуха;
- Для экономии рекомендуется использовать установки с рекуперацией теплоты;
- Наибольший КПД в установках приточно-вытяжной вентиляции соответствует роторным регенераторам теплоты;
- Системы рекуперации теплоты вытяжного воздуха позволяют экономить до 90% энергии на нагрев воздуха поступающего в помещение.
Статья подготовлена НИИ «ЭТМ» при консультации специалистов НИУ «МЭИ»
Литература
- Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок. – М.: НЦ ЭНАС, 2015. – 208 с.
- СП 131.13330.2020 Строительная климатология. – М.: Минстрой России, 2020.
- ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. – М.: Стандартинформ, 2015.