Приточно-вытяжная система вентиляции с теплообменом: принцип работы, плюсы и минусы

В зимний период свежий воздух необходимо подогревать для поддержания комфортной атмосферы в помещениях. Чтобы снизить затраты на электроэнергию, можно использовать приточно-вытяжную вентиляцию с системой рекуперации тепла.

Разбираясь в принципах её работы, можно существенно сократить теплопотери, сохраняя при этом нужный объем свежего воздуха. Давайте более детально рассмотрим эту тему.

Энергетическая эффективность вентиляционных систем

В переходные сезоны, такие как осень и весна, при проветривании помещений возникает серьезная проблема из-за значительного температурного контраста между входящим и внутренним воздухом. Холодный воздух опускается вниз, создавая дискомфорт в жилых и коммерческих зонах, а также нежелательный температурный градиент на складах.

Один из распространенных способов решения этой проблемы — установка калорифера в системе приточной вентиляции, который отвечает за нагрев воздушного потока. Однако такая система требует значительных энергетических затрат, поскольку большая часть теплого воздуха уходит на улицу, что приводит к заметным потерям тепла.

Выходящий воздух с высокой влажностью свидетельствует о значительных утечках тепла, которое можно было бы использовать для обогрева поступающего потока.

При близком расположении каналов для притока и вытяжки воздуха возможно частичное перераспределение тепла от выходящего потока к входящему, что позволит снизить электрические затраты на работу калорифера, а в некоторых случаях даже обойтись без него. Для реализации теплообмена между потоками различной температуры используется устройство, называемое рекуператором.

В летний период, когда температура воздуха на улице превышает комнатную, рекуператор может быть также использован для охлаждения входящего потока.

Конструкция блока с рекуператором

Структура систем приточно-вытяжной вентиляции с рекуператором обычно достаточно проста, что позволяет производить их поэлементную покупку и установку самостоятельно. Если же сборка вызывает трудности, можно приобрести готовые модели, либо заказывать индивидуальные сборные конструкции.

Стандартная схема работы приточно-вытяжной вентиляционной системы с рекуператором может быть дополнена различными компонентами по желанию пользователя.

Ключевые элементы и их характеристики

Корпус системы, оснащенный теплоизоляцией и защитой от шума, чаще всего изготавливается из листовой стали. При настенном монтаже он должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать давление во время уплотнения и предотвращать вибрацию от работы вентиляторов.

Если приток и отвод воздуха происходят в разных помещениях, к корпусу подключается система воздуховодов, оснащенная клапанами и заслонками для управления потоками.

Когда воздуховоды отсутствуют, приточное отверстие изнутри можно оснастить решеткой или диффузором для оптимального распределения воздушного потока. Для притока с улицы устанавливается воздухозаборная решетка, предотвращающая попадание в систему птиц, крупных насекомых и мусора.

Движение воздуха обеспечивают два вентилятора, работающие по осевому или центробежному принципу. Однако с установкой рекуператора обеспечить естественную циркуляцию воздуха нельзя из-за созданного аэродинамического сопротивления.

При наличии рекуператора также устанавливаются фильтры тонкой очистки на входах обоих потоков. Это нужно для снижения засоренности теплообменника пылью и жиром. В противном случае будет необходимо чаще производить профилактические работы для нормального функционирования системы.

Фильтры необходимо периодически заменять или очищать, так как увеличение сопротивления воздуху может привести к выходу вентиляторов из строя.

Один или несколько рекуператоров занимают центральную часть устройства вентиляции и устанавливаются между потоками.

В условиях серьезных морозов и недостаточной эффективности рекуператора для нагрева входящего воздуха может быть дополнительно установлен калорифер. При необходимости также устанавливаются увлажнители, ионизаторы и другие устройства для поддержания оптимального микроклимата в помещениях.

Современные модели могут включать электронные блоки управления, а более сложные версии обладают возможностью программирования режимов работы в зависимости от физических условий воздуха. Внешние панели имеют привлекательный дизайн, что позволяет им органично вписываться в любой интерьер.

Решение проблемы с конденсатом

Охлаждение воздуха, поступающего из помещения, может вести к накоплению влаги и образованию конденсата. Если скорость потока высокая, большая его часть выходит наружу, не успев накопиться в рекуператоре. При медленном движении воздуха конденсата может скапливаться слишком много внутри устройства. Поэтому важно предусмотреть сбор влаги и её вывод за пределы блока приточно-вытяжной вентиляции.

Простое устройство для сбора и отвода конденсата представляет собой поддон, установленный под рекуператором с наклоном к сливному отверстию.

Слив влаги осуществляется в закрытую емкость, которая располагается в помещении, чтобы избежать замерзания отводящих каналов при отрицательных температурах. Необходимо экспериментально определить объем конденсата, так как универсального алгоритма для этого нет.

Использовать повторно конденсат для увлажнения воздуха нежелательно, так как вода может накапливать множество загрязнителей, таких как запахи и пот.

Снижение объема конденсата и минимализация связанных с ним проблем возможно с помощью создания отдельных вытяжных систем для ванной и кухни, где уровень влажности наиболее высок. Если имеется несколько вытяжных систем, важно ограничить воздухообмен между технической и жилой зонами, установив обратные клапаны.

Охлаждение выходящего воздуха до отрицательных температур может привести к образованию наледи в рекуператоре, что уменьшит сечение потока и, как следствие, объем или полное прекращение вентиляции.

Для периодического или разового размораживания рекуператора устанавливают байпас — обходной канал для приточного воздуха. При прохождении потока по обходим каналу останавливается теплообмен, нагревается теплообменник и вода из наледи переходит в жидкое состояние. Далее она может стекать в емкость для сбора конденсата или испаряться наружу.

Принцип работы байпаса достаточно прост, и поэтому его стоит предусмотреть для предотвращения наледи. Другие способы разморозки могут быть сложными и долгими.

Во время прохождения воздуха через байпас не происходит нагрева поступающего потока с помощью рекуператора, поэтому необходимо автоматически включать калорифер.

Особенности различных видов рекуператоров

Существует несколько конструктивных решений для организации теплообмена между холодным и нагретым потоками воздуха. Каждое из них отличается своими особенностями, которые определяют их назначение.

Пластинчатый рекуператор с перекрестной проходимостью

Конструкция пластинчатого рекуператора состоит из тонкостенных панелей, соединенных таким образом, что они чередуют прохождение теплого и холодного потоков под углом 90 градусов. Одной из модификаций является устройство с ребрами для увеличения теплообмена, ведь такая модель обладает более высоким энергопередающим коэффициентом.

Алгоритм чередования потоков осуществляется за счет сгиба краев панелей и герметизации соединений с использованием полиэфирной смолы.

Панели для теплообмена могут быть изготовлены из разных материалов:

• медь, латунь и алюминиевые сплавы, которые отличаются хорошей теплопроводностью и устойчивы к коррозии;
• пластик из полимерного материала с высокой степенью теплопроводности, обладающий легким весом;
• целлюлоза, которая позволяет прохождению конденсата через панель обратно в помещение.

Недостатком является риск образования конденсата при низких температурах, поскольку близкое расположение панелей может существенно повышать аэродинамическое сопротивление. Если панели обмерзают, необходимо остановить поступление воздуха для их разморозки.

Преимущества пластинчатых рекуператоров заключаются в следующем:

• малая стоимость;
• долговечность;
• долгий период между обслуживаниями и простота их проведения;
• компактные размеры и небольшой вес.

Этот тип рекуператоров чаще всего используется в жилых и офисных помещениях, а также в некоторых производственных процессах, например, для оптимизации сгорания топлива в печах.

Роторные или барабанные рекуператоры

Работа роторного рекуператора основана на вращении накопителя тепла, внутри которого располагаются гофрированные металлические слои с высокой теплоемкостью. При взаимодействии с потоком выходящего воздуха происходит нагрев сектора барабана, который затем передает тепло поступающему воздуху.

Крупноячеистый теплообменник роторного рекуператора подвержен засорению, поэтому особенно важно следить за качеством работы фильтров тонкой очистки.

Основные преимущества роторных рекуператоров следующие:

• высокий коэффициент полезного действия по сравнению с другими типами;
• возврат значительного объема влажности, который оседает в виде конденсата на барабане и снова испаряется при взаимодействии с входящим сухим воздухом.

Такой тип рекуператора менее распространен для жилых зданий, особенно в квартирах или частных домах. Чаще всего его используют в крупных котельных для возвращения тепла к печам или в больших производственных и торговых помещениях.

Тем не менее, у такого устройства имеются серьезные недостатки:

• сложная конструкция с движущими частями, включая электромотор, барабан и ременной привод, требующая постоянного технического обслуживания;
• высокий уровень шума.

Также можно встретить термин «регенеративный теплообменник» в отношении данных устройств, что более точно, чем «рекуператор». Это объясняется тем, что небольшая часть выходящего воздуха может возвращаться обратно из-за неплотного прилегания барабана.

Это ограничивает использование таких устройств в некоторых ситуациях. Например, загрязненный воздух от отопительных котлов не может использоваться в качестве теплоносителя.

Система на основе трубок и кожуха

Рекуператор трубчатого типа состоит из тонкостенных труб, расположенных в утепленном кожухе, по которым поступает наружный воздух. Теплый воздух из помещения выводится по кожуху, обогревая входящий поток.

Вывод теплого воздуха должен проходить именно по внешнему кожуху, так как удалить конденсат из трубок невозможно.

К основным достоинствам трубчатых рекуператоров относятся:

• высокий КПД благодаря принципу противоточного теплообмена;
• простота конструкции и отсутствие движущихся частей, что обеспечивает низкий уровень шума и редкую необходимость в обслуживании;
• долговечность;
• самое малое сечение по сравнению с другими устройствами рекуперации.

Трубки для этого типа конструкции могут быть из легкого металла или, реже, полимеров. Эти материалы не впитывают влагу, но при значительной разнице температур между потоками конденсат может активно образовываться в кожухе, требуя специальных решений для его удаления. Еще один минус — металлические трубки имеют вес, несмотря на небольшие размеры.

Простота конструкции трубчатого рекуператора делает его популярным для самостийного изготовления. В качестве внешнего кожуха нередко используют пластиковые трубы, утепленные пенополиуретаном.

Системы с промежуточным теплоносителем

Иногда подводящие и отводящие воздуховоды находятся на различном расстоянии друг от друга. Это может быть вызвано технологическими нюансами здания или санитарными нормами, требующими четкого разделения воздушных потоков.

В таких ситуациях необходимо использовать промежуточный теплоноситель, который циркулирует между воздуховодами по изолированному трубопроводу. В качестве теплоносителя могут применяться вода или водно-гликолевый раствор, циркуляция которого обеспечивается благодаря работе теплового насоса.

Рекуператор с промежуточным теплоносителем представляет собой объемное и дорогостоящее устройство, применение которого целесообразно в больших помещениях.

Если есть возможность выбрать другой тип рекуператора, лучше избегать применения системы с промежуточным теплоносителем, так как она обладает следующими значительными недочетами:

• низкий КПД по сравнению с другими вариантами, поэтому для небольших помещений с малым расходом воздуха такие устройства не используются;
• значительные размеры и вес всей системы;
• необходимость установки дополнительного электрического насоса для перекачки жидкости;
• повышенный уровень шума от работы насоса.

Существует альтернатива такой системы, когда вместо принудительной циркуляции теплоноситель с низкой температурой замерзания, например, фреон, используется. В этом случае возможно естественное движение, но только если подводящий воздуховод расположен выше отводящего.

Эта система не требует дополнительных затрат электроэнергии, но работает на обогрев только при значительной разнице температур. Также необходима тщательная настройка точки изменения состояния агрегата теплообменной жидкости, которую можно достичь изменением давления или составом жидкости.

Ключевые технические характеристики

Зная нужную производительность вентиляционной системы и КПД теплообмена рекуператора, можно легко вычислить экономию на обогреве воздуха для конкретного помещения при заданных климатических условиях. Сравнив потенциальную выгоду с затратами на покупку и эксплуатацию системы, можно обоснованно решить, выбрать рекуператор или традиционный калорифер.

Производители оборудования, как правило, предлагают модели, где вентиляционные блоки с похожими функциями различаются только объемом воздухообмена. Для жилых помещений этот параметр следует рассчитывать согласно стандартам, указанным в таблице 9.1. СП 54.13330.2016.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия рекуператора отражает эффективность теплообмена и рассчитывается по следующей формуле:

• Т_п – температура поступающего воздуха в помещение;
• Т_н – температура наружного воздуха;
• Т_в – температура воздуха в помещении.

Максимальное значение КПД при нормальной скорости потока и определенных температурных условиях указано в технической документации устройства. Реальное значение будет немного ниже.

При самостоятельной сборке пластинчатого или трубчатого рекуператора для достижения максимальной эффективности теплообмена следует придерживаться таких рекомендаций:

• Оптимальный теплообмен обеспечивают противоточные устройства, затем перекрестноточные и наименьший – с однонаправленным движением обоих потоков;
• Эффективность теплообмена зависит от материала и толщины стенок, разделяющих потоки, а также от времени нахождения воздуха внутри устройства.

Зная КПД рекуператора, можно рассчитать его энергоэффективность при различных температурах наружного и внутреннего воздуха:

Е (Вт) = 0,36 х Р х К х (Т_в – Т_н)

где Р (м³/ч) – расход воздуха.

Расчет эффективности рекуператора в денежном выражении и сравнение с затратами на его приобретение и установку для двухэтажного коттеджа общей площадью 270 м² демонстрирует целесообразность установки такой системы.

Стоимость рекуператоров с высоким КПД, как правило, значительна, они имеют сложную конструкцию и большие размеры. В некоторых случаях можно решить эти проблемы установкой нескольких более простых устройств, чтобы воздух проходил через них последовательно.

Производительность вентиляционного устройства

Объем пропускаемого воздуха определяется статическим давлением, что зависит от мощности вентилятора и элементов, создающих аэродинамическое сопротивление. Чаще всего точный расчет невозможен из-за сложности математической модели, поэтому для типовых моноблочных конструкций проводят экспериментальные испытания, а для индивидуальных решений подбирают компоненты.

При выборе мощности вентилятора необходимо учитывать пропускную способность устанавливаемых рекуператоров, которая указана в технической документации как рекомендованная скорость потока или объем воздуха, проходящего через устройство за единицу времени. Обычно допустимая скорость воздуха внутри устройства не превышает 2 м/с.

В противном случае на высоких скоростях в узких участках рекуператора наблюдается резкое увеличение аэродинамического сопротивления. Это приводит к повышенным расходам электроэнергии, неэффективному прогреву внешнего воздуха и сокращению срока службы вентиляторов.

График зависимости потерь давления от скорости потока воздуха для нескольких моделей высокопроизводительных рекуператоров показывает нелинейный рост сопротивления, поэтому необходимо соблюдать указанные в технической документации требования по объему воздухообмена.

Изменение направления потока воздуха вызывает дополнительное аэродинамическое сопротивление. Поэтому, проектируя воздуховоды внутри помещения, стоит минимизировать количество поворотов труб на 90 градусов. Диффузоры для рассеивания воздуха тоже увеличивают сопротивление, поэтому рекомендуется избегать сложных конструкций.

Загрязненные фильтры и решетки значительно препятствуют движению воздуха, поэтому их следует регулярно очищать или заменять. Одним из эффективных способов контроля загрязненности является установка датчиков, отслеживающих перепад давления на участках до и после фильтров.

Заключение и полезные видео по теме

Принципы работы роторного и пластинчатого рекуператоров:

Замеры КПД рекуператора пластинчатого типа:

Системы вентиляции для бытовых и промышленных нужд с интегрированным рекуператором продемонстрировали свою эффективность в сохраняемом тепле внутри помещений. В настоящее время существует множество предложений по продаже и установке таких устройств, как готовых, так и под индивидуальные заказы. Возможен самостоятельный расчет нужных параметров и осуществление монтажа.

Если у вас возникли вопросы или вы обнаружили ошибки в нашем контенте во время его изучения, не стесняйтесь делиться своими замечаниями в разделе комментариев, который находится ниже.