Тепловая рекуперация в вентиляционных системах: принцип функционирования и различные решения
Установка вентиляции подразумевает не только вывод отработанного воздуха из помещений, но и потерю значительной части тепловой энергии. Особенно это заметно в зимний период, когда счета за коммунальные услуги возрастает.
Оптимизировать расходы на отопление без ухудшения качества воздухообмена можно путем применения систем тепловой рекуперации в централизованных и локальных вентиляционных установках. Для этого используются различные виды теплообменников, известных как рекуператоры.
В данной статье рассматриваются типы рекуператоров, их конструктивные особенности, способы работы, а также преимущества и недостатки, что поможет вам сделать правильный выбор при организации вентиляционной системы.
Что такое рекуперация: как работает теплообменник
Латинское слово «рекуперация» переводится как возмещение или возврат. В контексте теплообменных процессов, данное понятие означает частичное восстановление энергии, потерянной в ходе технологического процесса, для её последующего использования.
В системах вентиляции рекуперация применяется для снижения потерь тепла.
Аналогичным образом осуществляется охлаждение в жаркие дни: теплый воздух, поступающий в помещение, отдает тепло уходящему и таким образом остывает.
Рекуперация тепла в вентиляционных системах позволяет значительно снизить расходы на их эксплуатацию, одновременно обеспечивая необходимый уровень воздухообмена.
Установка рекуператоров имеет смысл в механизированных вентиляционных системах, где воздух двигатся под воздействием принудительной тяги.
Чаще всего рекуператоры монтируют на чердаках или в отдельных служебных помещениях, чтобы предотвратить шум от работающего оборудования, который может мешать жильцам, посетителям спортивных объектов и работникам производств.
Очищенный поток воздуха с добавлением свежей порции подается в помещения через вентиляционные решетки воздуховодов.
При обустройстве производственных зон с вентиляцией, которая сохраняет тепло и подмешивает свежий воздух, оборудование располагается на чердаке, а воздуховоды подвешиваются под потолком.
Кроме повторного использования тепла, системы вентиляции также обеспечивают фильтрацию воздуха, убирая из него пыль и вредные вещества.
Современные рекуператоры оснащены устройствами, позволяющими снижать энергозатраты, что существенно уменьшает потребление электроэнергии.
Попытки рекуперации тепла – рациональный шаг для механических вентиляционных установок, но она лишь дополняет основную систему. В зимний период монтаж нагревателя для основного объема воздуха остается необходимым.
Процесс регенерации тепла происходит в рекуперационном теплообменнике. В его конструкции предусмотрены элементы для теплообмена и вентиляторы для перемещения потоков воздуха в противоположных направлениях. Для контроля процесса и оценивания качества подачи воздуха применяется автоматизированная система.
Данное устройство спроектировано так, чтобы потоки свежего и вытягиваемого воздуха располагались в отдельных отсеках, что предотвращает их смешивание – теплообмен осуществляется через стенки теплообменника.
Понять суть работы рекуперации поможет схема циркуляции воздуха.
Влажные помещения (такие как ванная, туалет или кухня) отводят отработанный воздух через вытяжные системы. Перед тем как выйти наружу, этот воздух проходит через рекуператор, отдавая часть своего тепла. Входящий свежий воздух движется навстречу, нагревается и поступает в жилые зоны.
Причины применения рекуператоров в вентиляции
Для оценки целесообразности установки рекуперативной вентиляции следует сравнить её преимущества с возможными недостатками.
Вытягиваемый воздух, теряя часть своего тепла, нагревает свежие потоки, поступающие в помещение. Это позволяет сократить теплопотери до 70%.
Необходимость рекуперации наиболее актуальна для зданий с механизированной вытяжкой. Такие постройки, как правило, имеют низкую инерцию и построены с использованием современных теплоизоляционных технологий (домов из сэндвич-панелей, пеноблоков и газосиликатных плит).
В таких зданиях стены недостаточно хорошо удерживают тепло, тем более естественная циркуляция воздуха оказывается неэффективной.
Однако проблемы с воздухом наблюдаются и в старых зданиях из кирпича и бетона. Пластиковые окна с хорошей звуко- и теплоизоляцией блокируют естественный воздухообмен: свежий воздух практически не поступает, а тяга в вентиляционных каналах может полностью прекратиться.
Для решения данной проблемы следует устанавливать принудительные системы вентиляции. Хотя они помогают восстановить воздухообмен, они также могут увеличить теплопотери до 60%. И здесь становится необходимым введение тепловой рекуперации.
Эффективность процесса измеряется в процентах, показывая, какую долю тепла вытяжной поток передает для обогрева свежего воздуха.
Основные показатели эффективности рекуперации тепла:
- 0% – окно открыто: теплый воздух уходит в атмосферу, а холодный дает прежнюю температуру внутри;
- 100% – приточный воздух нагревается до температуры вытяжного потока – невозможно реализовать на практике;
- 30-90% – допустимые значения; рекуперация с уровнем эффективности 60% считается хорошей, а свыше 80% – отличной.
Эффективность системы зависит от типа рекуператора, размеров помещений и объема воздуха. Таким образом, применение рекуперативной вентиляции, даже с показателями в 30%, окажется экономически оправданным по сравнению с её отсутствием. К тому же, регенерация тепла способствует улучшению общего микроклимата в помещениях.
Недостатки использования теплообменников:
- Энергетическая зависимость. Инвестиции в климатическое оборудование оправданы лишь в том случае, если экономия электроэнергии будет значительно превышать её потребление после установки рекуператора.
- Конденсат. При температурных перепадах на стенках теплообменника может накапливаться влага. В зимнее время это может привести к образованию льда, что, в свою очередь, снижает КПД или даже может привести к поломке устройства.
- Шумная работа. Некоторые модели могут шуметь во время работы. Хотя это может быть приемлемо днем, ночью шум может вызывать неприятности. Однако существуют рекуператоры с улучшенной звукоизоляцией, работающие значительно тише.
Высокие начальные затраты зачастую являются основным препятствием перед переходом на энергоэффективные вентиляционные системы.
Вложение средств в систему, которая сможет окупиться в течение 5-8 лет, будет оправданным. Также стоит учитывать, что на обслуживание оборудования могут потребоваться дополнительные средства, например, для периодической замены вентиляторов.
Разнообразие теплообменников
Конструкция рекуператора определяет поток теплоносителя, эффективность всей системы вентиляции, уровень энергопотребления и стоимость оборудования. Существует пять типов теплообменников: пластинчатые, роторные, с тепловыми трубками, камерные устройства и модели с промежуточным теплоносителем.
Пластинчатый рекуператор – простота конструкции
Основой теплообменного устройства является герметичная камера с множеством параллельных воздуховодов, разделённых перегородками, изготовленными из стальных или алюминиевых теплопроводящих пластин.
Гофрированные пластины (от 60 до 70 штук) сгруппированы в блоке так, что каналы располагаются перпендикулярно друг другу, создавая турбулентность, которая улучшает процесс теплообмена.
Потоки газов движутся навстречу друг другу, пересекаются в кассете рекуператора, но не смешиваются. Теплообмен осуществляется смертью за счет одновременного охлаждения и нагрева пластин с разных сторон.
Преимущества перекрестного теплообменника:
- простота установки и настройки;
- отсутствие смешивания воздушных потоков;
- доступная цена и компактные размеры;
- отсутствие движущихся частей.
Эффективность пластинчатых рекуператоров колеблется в пределах 40-70%.
Недостатком такой модели является вероятность скопления конденсата в вытяжном канале, что в зимние месяцы может привести к образованию наледи. Для размораживания агрегата воздух, поступающий извне, направляется мимо теплообменника, а теплый выходящий поток помогает растопить лед на пластинках.
В режиме размораживания потеря энергии неизбежна, поскольку для нагрева поступающего воздуха могут требоваться калориферы мощностью до 5 кВт. Средний КПД в этом случае может упасть на 20%.
Существует два решения для данной проблемы:
- Предварительный подогрев поступающего воздуха до температуры, при которой образование наледи исключено.
- Использование рекуператора с влагопопоражающими пластинами из гигроскопической целлюлозы, которые впитывают влагу из отработанного воздуха и передают её новому потоку.
При выборе перекрестного теплообменника стоит учитывать эксплуатационные характеристики пластин.
Их параметры зависят от выбора материала, из которого они изготовлены:
- Алюминиевая фольга имеет низкую цену, однако её эффективность зимой ограничена. Она не рекомендуется для использования в жилых помещениях, так как может пересушивать воздух. Оптимальными считаются модификации с алюминиевой наполнителем для бань и бассейнов.
- Пластиковые перегородки стоят аналогично металлическим, но обладают значительно большей эффективностью.
- Целлюлозный теплообменник способен предотвратить обмерзание и удерживать необходимое содержание влаги в помещении.
Гигроцеллюлозный рекуператор является самым дешевым и подходящим вариантом для вентиляции в жилых домах.
Роторный рекуператор – повышенная эффективность системы
Теплообменное устройство выполнено в форме цилиндра с гофрированными металлическими слоями внутри. Во время вращения барабана в его секции поступают по очереди теплые и холодные воздушные потоки.
Конструкция роторного рекуператора включает в себя вал и два воздухопровода. В одном канале ротора производится нагрев отработанного воздуха, а затем тепло передается холодному воздуху в соседнем канале (+).
Эффективность теплообмена зависит от скорости вращения ротора, что позволяет регулировать его производительность.
Достоинства роторного рекуператора следующие:
- возврат тепла до 65-90%;
- экономичное потребление электроэнергии;
- частичная компенсация влажности – возможность обойтись без увлажнителей;
- срок окупаемости — до 4-х лет.
Несмотря на высокую эффективность, роторные теплообменники не занимают лидирующие позиции среди аналогичных установок.
Недостатки вентиляционной системы:
- Загрязнение приточного воздуха. Через микроканалы происходит перемешивание вытяжного и приточного воздуха, в результате чего 3-8% отработанного воздуха возвращается обратно. Барабан также может переносить запахи от исходящего потока.
- Сложная конструкция. Вращающиеся элементы требуют регулярного обслуживания и замены. Работающие части порой издают шумы и вибрацию.
- Высокие затраты. Роторные модели стоят дороже, чем пластинчатые, что обусловлено использованием сложной механики.
- Громоздкость. Установка требует достаточно пространства для монтажа.
Из-за своих размеров роторные установки чаще всего применяются в промышленных условиях.
Чтобы минимизировать смешивание потоков, роторные рекуператоры могут комплектоваться промежуточными секциями, где микроканалы продуваются свежим воздухом перед возвращением в вытяжной поток. Однако это накладывает ограничение на эффективность (+).
Связанные теплообменники – модель с гликолем
Рекуператоры с промежуточным теплоносителем зачастую называют связанными теплообменниками или гликолевыми установками. Это одна из самых универсальных систем для теплоутилизации. Один теплообменник подключается к приточному каналу, другой – к вытяжному.
Система включает в себя: насос контурной циркуляции, расширительный бак, воздушный клапан, контроллер, датчики температуры, предохранительный клапан и индикатор давления (+).
Принцип работы. Гликолевый раствор циркулирует между теплообменниками. Температура теплоносителя повышается за счет теплого вытяжного потока, после чего тепловая энергия передается свежему воздуху. Замкнутая система предотвращает смешивание встречных воздушных потоков.
Особенности работы теплообменников с теплоносителем:
- КПД – 45-55%;
- регулировка мощности насоса – выбор скорости движения антифриза;
- возможность отдаленного расположения воздуховодов (до 800 м);
- монтаж может быть выполнен вертикально или горизонтально;
- при сильном морозе поверхность вытяжного теплообменника может покрыться льдом; использование антифриза позволяет функционировать рекуператору даже при отрицательных температурах;
- срок окупаемости системы – до 2-х лет;
- возможность комбинирования одного вытяжного и нескольких приточных потоков или наоборот.
Объем удаляемого и поступающего воздуха должен быть в примерно одинаковых пропорциях. Такие рекуператоры часто применяются, если приточный воздух токсичен или сильно загрязнен, и смешение потоков недопустимо.
Камерный узел – универсальность использования
По своей конструкции, камерный теплообменник представляет собой закрытую коробку с разделителем, который движется внутри. Положение заслонки определяет режим работы рекуператора.
Отвод проходит через один канал, в то время как приток идет во второй отсек. В теплообменнике теплый воздух нагревает стенки первого канала, а затем заслонка перемещается, изменяя направление потока.
Таким образом, приточный поток проходит вдоль теплых стенок первого воздуховода, а отработанный воздух нагревает стенки второго канала. Затем заслонка вновь возвращается на место, и цикл повторяется.
Преимущества камерного теплообменника:
- КПД – 80-90%;
- в сочетании с хорошей теплоизоляцией эксплуатационные затраты на отопление минимальны;
- легкий монтаж – часто требуется помощь специалистов только на этапе выбора параметров системы;
- поддержание необходимого уровня влажности;
- проблема обмерзания полностью исключена.
Камерный рекуператор станет отличным вариантом для регионов, где в течение года наблюдаются серьезные перепады температур между помещением и внешней средой.
К недостаткам камерного узла относятся:
- необходимость периодического технического обслуживания подвижных элементов;
- доля смешивания встречных воздушных потоков – запахи и примеси могут попадать обратно в здание.
Для снижения имеется возможность оснащения системы фильтрующим элементом. Это приведет к очищению воздуха, но эффективность рекуператора, соответственно, снизится.
Тепловые трубки – замкнутая система обмена теплом
Рекуператор включает в себя множество трубочек, изготовленных из меди или алюминия, заполненных легко испаряющимся веществом, как, например, фреон. Принцип работы этого теплообменника основан на физических изменениях состояния вещества при нагреве.
Термотрубка устанавливается в вертикальном положении, причем ее нижняя часть располагается в вытяжном канале, а верхняя – в приточном воздуховоде. Поступающие потоки обвивают конец трубки – фреон подогревается, превращается в газ и в итоге испаряется (+).
Газ поднимается вверх и передает тепло приточному воздуху, после чего фреон конденсируется и стекает вниз по рекуператору. Этот процесс цикличен.
Технические и эксплуатационные параметры трубчатого теплообменника:
- эффективность установки – до 65%;
- бесшумная работа из-за отсутствия движущихся компонентов;
- простота конструкции и легкость в обслуживании;
- компактные размеры и легкий вес;
- независимость от электроэнергии — теплоноситель движется естественным образом;
Ключевым преимуществом является то, что потоки притока и вытяжки не смешиваются между собой.
К недостаткам трубчатых теплообменников можно отнести:
- высокая эффективность достигается при узком диапазоне температур – при резком нагреве происходит полное испарение фреона, а при недостаточном — замедляется процесс парообразования;
- небольшая прочность трубок — изменение формы или утечка могут привести к снижению работоспособности устройства.
Трубчатые рекуператоры часто используются в частном строительстве, а также в административных и офисных зданиях и на малых промышленных объектах.
Способы реализации рекуперативной вентиляции
Рекуперацию можно выполнять одним из двух методов: централизованно и децентрализованно. В первом случае через теплообменник проходят все вентиляционные потоки помещения, во втором – только из одной комнаты.
Централизованный комплекс – система притока и вытяжки
Централизованная система устанавливается на этапе строительства или капитальной реконструкции вентсистемы.
Выбирается принудительная приточно-вытяжная установка (ПВУ) с интегрированным рекуператором. Основной критерий — общая производительность для всего объема воздуха в здании (+).
ПВУ с рекуператором обеспечивают хороший воздухообмен даже в домах с герметичными окнами. При этом воздушные потоки равномерно распределяются и не вызывают сквозняков.
Компактные приточно-вытяжные установки моноблочного типа оснащены:
- вентиляторами – постоянная подача свежего воздуха и удаление углекислого газа;
- нагревателями – предварительный обогрев приточного воздуха;
- фильтрами – которые задерживают пыль и мелкие частицы;
- рекуператором — могут быть различных типов.
Функции некоторых ПВУ могут быть расширены таймером задержки, регуляторами мощности, датчиками уровня влажности и прочими устройствами.
Корпуса моноблочных моделей покрыты звукоизолирующими материалами, что делает работу ПВУ практически бесшумной. Доступны вертикальные, горизонтальные и подвесные исполнения вентустановок.
Хорошо зарекомендовали себя рекуперационные моноблочные ПВУ таких производителей: «Вентс» (Украина), Dantherm (Дания), «Daikin» (Япония), «Dantex» (Англия).
Локальные агрегаты – дополнение к существующим системам вентиляции
Для восстановления нормальной циркуляции воздуха в уже используемом помещении прекрасно подойдут децентрализованные приточные устройства с функцией тепловой рекуперации.
Эти системы могут быть интегрированы в фасад здания или установлены через окна. Их основная функция заключается в улучшении приточной вентиляции внутри жилища.
Локальные рекуператоры оснащены вентилятором и пластинчатым теплообменником. «Рукав» устройства обёрнут в звукопоглощающий материал. Блок управления этих компактных вентиляционных установок размещается на внутренней стене.
Ключевые характеристики децентрализованных вентиляционных систем с функцией рекуперации:
- Коэффициент полезного действия (КПД) – от 60 до 96%;
- ограниченная производительность – такие устройства предназначены для обеспечения воздухообмена в пространствах площадью до 20–35 кв. м;
- доступная цена и разнообразие моделей, включая стандартные стеновые клапаны и автоматизированные устройства с многоступенчатыми фильтрами и настройками влажности;
- легкость установки – для монтажа не требуется прокладка воздуховодов, пользователь может самостоятельно установить стеновой клапан.
Известные производители локальных рекуператоров: Prana (Украина), O.Erre (Италия), Blizzard (Германия), Вентс (Украина), Aerovital (Германия).
Ключевые аспекты при выборе стенового приточника: допустимая толщина стены, производительность устройства, КПД рекуператора, диаметр воздуховода и температура поступающего воздуха.
Заключение и полезное видео по теме
Сравнение работы естественной вентиляции и принудительной системы с функцией рекуперации:
Принцип работы централизованного рекуператора, расчет его КПД:
Структура и принцип действия децентрализованного теплообменника на примере стенового клапана Prana:
При работе вентиляционной системы из помещения уходит примерно 25-35% тепла. Чтобы снизить потери и повысить эффективность теплоутилизации, используются рекуператоры. Эти устройства позволяют использовать тепло отработанного воздуха для нагрева нового потока.
Если у вас есть что добавить или возникли вопросы по работе различных вентиляционных рекуператоров, пожалуйста, оставляйте комментарии под статьей и делитесь своим опытом использования этих устройств. Форма для обратной связи находится внизу страницы.
