Утилизаторы теплоты вытяжного воздуха как перспективное энергосберегающее мероприятие. Особенности и порядок расчета вытяжной и приточной вентиляции Перспективное направление развития утилизаторов тепла

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине"Тепло-массообменное оборудование предприятий"

(к учебному плану 200__г)

Занятие № 26. Теплообменники – утилизаторы. Конструкции, принцип действия

Разработал: к.т.н., доцент Костылева Е.Е.

Обсуждена на заседании кафедры

протокол № _____

от "_____" ___________2008 г.

Казань - 2008 г.

Занятие № 26 . Теплообменники – утилизаторы. Конструкции, принцип действия

Учебные цели:

1. Изучить конструкции и принцип различных теплообменников утилизаторов

Вид занятия: лекция

Время проведения : 2 часа

Место проведения : ауд. ________

Литература:

1. Электронные ресурсы Internet.

Учебно-материальное обеспечение:

Плакаты, иллюстрирующие учебный материал.

Структура лекции и расчет времени:

Одним из источников вторичных энергоресурсов в здании является тепловая энергия воздуха, удаляемого в атмосферу. Расход тепловой энергии на подогрев поступающего воздуха составляет 40...80% теплопотребления, большая ее часть может быть сэкономлена в случае применения так называемых теплообменников-утилизаторов.

Существуют различные типы теплообменников-утилизаторов.

Рекуперативные пластинчатые теплообменники выполняются в виде пакета пластин, установленных таким образом, что они образуют два смежных канала, по одному из которых движется удаляемый, а по другому - приточный наружный воздух. При изготовлении пластинчатых теплообменников такой конструкции с большой производительностью по воздуху возникают значительные технологические трудности, поэтому разработаны конструкции кожухотрубных теплообменников-утилизаторов ТКТ, представляющих собой пучок труб, расположенных в шахматном порядке и заключенных в кожух. Удаляемый воздух движется в межтрубном пространстве, наружный - внутри трубок. Движение потоков перекрестное.

Рис. 1 Теплообменники- утилизаторы:
а - пластинчатый утилизатор; б - утилизатор ТКТ;в - вращающийся; г - рекуперативный;
1 - корпус; 2 - приточный воздух; 3 - ротор; 4 - сектор продувной; 5 - вытяжной воздух; 6 - привод.

С целью предохранения от обледенения теплообменники снабжены дополнительной линией по ходу наружного воздуха, через которую при температуре стенок трубного пучка ниже критической (-20°С) перепускается часть холодного наружного воздуха.

Установки утилизации тепла вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем могут применяться системах механической приточно-вытяжной вентиляции, а также в системах кондиционирования воздуха. Установка состоит из расположенного в приточном и вытяжном каналах воздухонагревателя, соединенного замкнутым циркуляционным контуром, заполненным промежуточным носителем. Циркуляция теплоносителя осуществляется посредством насосов. Удаляемый воздух, охлаждаясь в воздухонагревателе вытяжного канала, передает тепло промежуточному теплоносителю, нагревающему приточный воздух. При охлаждении вытяжного воздуха ниже температуры точки росы на части теплообменной поверхности воздухонагревателей вытяжного канала происходит конденсация водяного пара, что приводит к возможности образования наледи при отрицательных начальных температурах приточного воздуха.

Установки утилизации тепла с промежуточным теплоносителем могут работать либо в режиме, допускающем образование наледи на теплообменной поверхности вытяжного воздухонагревателя в течение суток при последующем отключении и оттаивании, либо, если отключение установки недопустимо, при применении одного из следующих мероприятий по защите воздухонагревателя вытяжного канала от образования наледи:

• предварительного нагрева приточного воздуха до положительной температуры;
• создание байпаса по теплоносителю или приточному воздуху;
• увеличения расхода теплоносителя в циркуляционном контуре;
• подогрева промежуточного теплоносителя.

Выбор типа регенеративного теплообменника производят в зависимости от расчетных параметров удаляемого и приточного воздуха и влаговыделений внутри помещения. Регенеративные теплообменники могут устанавливаться в зданиях различного назначения в системах механической приточно-вытяжной вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования воздуха. Установка регенеративного теплообменника должна обеспечивать противоточное движение воздушных потоков.

Систему вентиляции и кондиционирования воздуха с регенеративным теплообменником необходимо оснастить средствами контроля и автоматического регулирования, которые должны обеспечивать режимы работы с периодическим оттаиванием инея или предотвращением инееобразования, а также поддерживать требуемые параметры приточного воздуха. Для предупреждения инееобразования по приточному воздуху:

• устраивают обводной канал;
• предварительно подогревают приточный воздух;
• изменяют частоту вращения насадки регенератора.

В системах с положительными начальными температурами приточного воздуха при утилизации тепла нет опасности замерзания конденсата на поверхности теплообменника в вытяжном канале. В системах с отрицательными начальными температурами приточного воздуха необходимо применять схемы утилизации, обеспечивающие защиту от обмерзания поверхности воздухонагревателей в вытяжном канале.

2. РАБОТА ТЕПЛООБМЕННИКА – УТИЛИЗАТОРА В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Теплообменники-утилизаторы могутт быть использованы в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для утилизации теплоты удаляемого из помещения вытяжного воздуха.

Потоки приточного и вытяжного воздуха подводят через соответствующие входные патрубки в перекрестноточные каналы теплообменного блока, выполненного, например, в виде пакета алюминиевых пластин. При движении потоков по каналам происходит передача теплоты через стенки от более теплого вытяжного воздуха к более холодному, приточному. Затем эти потоки выводят из теплообменника через соответствующие выходные патрубки.

По мере прохождения через теплообменник температура приточного воздуха снижается. При низкой температуре наружного воздуха она может достигнуть температуры точки росы, что ведёт к выпадению капельной влаги (конденсата) на поверхности, ограничивающие каналы теплообменника. При отрицательной температуре этих поверхностей конденсат превращается в иней или лёд, что естественно нарушает работу теплообменника. Для предотвращения образования инея или льда или их удаления в процессе работы данного теплообменника измеряют температуру в самом холодном углу теплообменника или (как вариант) разность давлений в канале вытяжного воздуха до и после теплообменного блока. При достижении предельного, заранее заданного значения измеряемым параметром теплообменный блок поворачивается на 180" вокруг своей центральной оси. Таким образом обеспечивается снижение аэродинамического сопротивления, затрат времени на предотвращение образования инея или его удаление и использование при этом всей теплообменной поверхности.

Задача заключается в снижении аэродинамического сопротивления потоку приточного воздуха, использование для процесса теплообмена всей поверхности теплообменника при проведении процесса предотвращения образования инея или его удаления, а также уменьшение затрат времени на проведение указанного процесса.

Достижению указанного технического результата способствует то, что параметром, по которому судят о возможности образования или наличии инея на поверхности холодной зоны теплообменника, служит либо температура его поверхности в самом холодном углу, либо разность давлений в канале вытяжного воздуха до и после теплообменного блока.

Предотвращение образования инея посредством нагрева поверхности подводимым в каналы с их выходной стороны при помощи поворота теплообменника на угол 180 о потоком вытяжного воздуха (при достижении измеряемым параметром предельного значения) обеспечивает постоянное аэродинамическое сопротивление потоку приточного воздуха, а также использование для теплообмена всей поверхности теплообменника в течение всего времени его работы.

Использование теплообменника-утилизатора дает заметную экономию средств на отопление помещений и снижает потери тепла, неотвратимо существующие при вентиляции и кондиционировании. А за счёт принципиально нового подхода к предупреждению образования конденсата с последующим появлением инея или льда, их полному удалению, значительно повышается эффективность работы данного утилизатора, что выгодно отличает его от других средств утилизации тепла вытяжного воздуха.

3. ТЕПЛООБМЕННИКИ-УТИЛИЗАТОРЫ ИЗ ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ

Мечтаете, чтобы в доме был здоровый микроклимат и ни в одной комнате не пахло затхлостью и сыростью? Чтобы дом был по-настоящему комфортным, еще на стадии проектирования необходимо провести грамотный расчет вентиляции.

Если во время строительства дома упустить этот важный момент, в дальнейшем придется решать целый ряд проблем: от удаления плесени в ванной комнате до нового ремонта и установки системы воздуховодов. Согласитесь, не слишком приятно видеть на кухне на подоконнике или в углах детской комнаты рассадники черной плесени, да и заново погружаться в ремонтные работы.

В представленной нами статье собраны полезные материалы по расчету систем вентилирования, справочные таблицы. Приведены формулы, наглядные иллюстрации и реальный пример для помещений различного назначения и определенной площади, продемонстрированный в видеосюжете.

При правильных расчетах и грамотном монтаже вентилирование дома осуществляется в подходящем режиме. Это означает, что воздух в жилых помещениях будет свежий, с нормальной влажностью и без неприятных запахов.

Если же наблюдается обратная картина, например, постоянная духота, в ванной комнате или другие негативные явления, то нужно проверить состояние вентиляционной системы.

Галерея изображений

Выводы и полезное видео по теме

Ролик #1. Полезные сведения по принципам работы системы вентилирования:

Ролик #2. Вместе с отработанным воздухом жилище покидает и тепло. Здесь наглядно продемонстрированы расчеты тепловых потерь, связанных с работой системы вентиляции:

Правильный расчет вентиляции - основа ее благополучного функционирования и залог благоприятного микроклимата в доме или квартире . Знание основных параметров, на которых базируются такие вычисления, позволит не только правильно спроектировать систему вентилирования во время строительства, но и откорректировать ее состояние, если обстоятельства изменятся.

В данной статье мы предлагаем рассмотреть пример использования современных утилизаторов тепла (рекуператоров) в вентиляционных установках, в частности роторных.

Основные применяемые типы роторных утилизаторов (рекуператоров) в вентиляционных установках:

а) конденсационный ротор – утилизирует преимущественно явное тепло. Перенос влаги осуществляется, если вытяжной воздух охлаждается на роторе до температуры ниже «точки росы».
б) энтальпийный ротор – имеет гигроскопическое покрытие фольги, способствующее переносу влаги. Таким образом, утилизируется полное тепло.
Рассмотрим систему вентиляции, в которой будут работать оба типа утилизатора (рекуператора).

Примем, что объектом расчета является группа помещений в неком здании, например, в Сочи или Баку, расчет произведем только на теплый период:

Параметры наружного воздуха:
температура наружного воздуха в теплый период, с обеспеченностью 0,98 – 32°С;
энтальпия наружного воздуха в теплый период года – 69 кДж/кг;
Параметры внутреннего воздуха:
температура внутреннего воздуха – 21°С;
относительная влажность внутреннего воздуха – 40-60%.

Требуемый расход воздуха на ассимиляцию вредностей в этой группе помещений составляет 35000 м³/ч. Луч процесса помещения – 6800 кДж/кг.
Схема воздухораспределения в помещениях – «снизу-вверх» низкоскоростными воздухораспределителями. В связи с этим (расчет прикладывать не будем, т.к. он объёмен и выходит за рамки темы статьи, всё необходимое у нас есть), параметры приточного и удаляемого воздуха следующие:

1. Приточный:
температура – 20°С;
относительная влажность – 42%.
2. Удаляемый:
температура – 25°С;
относительная влажность – 37%

Построим процесс на I-d диаграмме (рис. 1).
Сначала обозначим точку с параметрами внутреннего воздуха (В), затем проведём через неё луч процесса (обратим внимание, что для данного оформления диаграмм, начальной точкой луча являются параметры t=0°C, d=0 г/кг, а направление указывается рассчитанным значением (6800 кДж/кг) указанным на кромке, далее полученный луч переносится на параметры внутреннего воздуха, сохраняя угол наклона).
Теперь, зная температуры приточного и вытяжного воздуха, мы определяем их точки, находя пересечения изотерм с лучом процесса соответственно. Процесс строим от обратного, для того, чтобы получить заданные параметры приточного воздуха опускаем отрезок – нагрев – по линии постоянного влагосодержания до кривой относительной влажности φ=95% (отрезок П-П1).
Подбираем конденсационный ротор, утилизирующий тепло удаляемого воздуха на нагрев П-П1. Получаем коэффициент полезного действия (считается по температуре) ротора порядка 78% и рассчитываем температуру удаляемого воздуха У1. Теперь, подберём энтальпийный ротор, работающий на охлаждение наружного воздуха (Н) полученными параметрами У1.
Получаем, коэффициент полезного действия (считается по энтальпии) порядка 81%, параметры обработанного воздуха на притоке Н1, и на вытяжке У2. Зная параметры Н1 и П1, можно подобрать воздухоохладитель, мощностью 332 500 Вт.

Рис. 1 – Процесс обработки воздуха для системы 1

Изобразим вентиляционную установку схематично с рекуператорами (рис. 2).

Рис. 2 – Схема вентиляционной установки с рекуператором 1

Теперь, для сравнения, подберём другую систему, на те же параметры, но другой комплектации, а именно: установим один конденсационный ротор.

Теперь (рис. 3) нагрев П-П1 осуществляется электрическим воздухонагревателем, а конденсационный ротор обеспечит следующее: эффективность порядка 83%, температура обработанного приточного воздуха (Н1) – 26°С. Подберём воздухоохладитель на требуемую мощность 478 340 Вт.

Рис. 3 – Процесс обработки воздуха для системы 2

Нужно отметить, что для системы 1 требуется меньше мощности на охлаждение и, в добавок к этому, не требуется дополнительных затрат энергоносителя (в данном случае – переменный ток) для второго подогрева воздуха. Сделаем сравнительную таблицу:

Сравниваемые позиции	Система 1 (с двумя утилизаторами)	Система 2 (с одним утилизатором)	Разница
Потребление электродвигателя ротора	320+320 Вт	320 Вт	320 Вт
Требуемая холодильная мощность	332 500 Вт	478 340 Вт	145 840 Вт
Потребляемая мощность на второй подогрев	0 Вт	151 670 Вт	151 670 Вт
Потребляемая мощность электродвигателей вентиляторов	11+11 кВт	11+11 кВт	0

Резюмируя

Мы наглядно видим различия работы конденсационного и энтальпийного роторов, экономию энергозатрат, связанных с этим. Однако, стоит отметить, что принцип системы 1 может быть организован только для южных, жарких городов, т.к. при рекуперации тепла в холодный период, показатели энтальпийного ротора не сильно отличаются от конденсационного.

Производство вентиляционных установок с роторными рекуператорами

Компания "Аиркат Климатехник" много лет успешно осуществляет разработку, проектирование, производство и инсталляции приточно-вытяжных установок с роторными рекуператорами. Мы предлагаем современные и нестандартные технические решения, которые работают даже при самом сложном алгоритме эксплуатации и экстремальных условиях.

Для того, чтобы получить предложение на систему вентиляции или кондиционирования, просто обратитесь в любой из

2006-02-08

Необходимость энергосбережения при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий любого назначения не подлежит сомнению и связана в первую очередь с исчерпанием запасов органического топлива и, как следствие, его непрерывным удорожанием. Особое внимание при этом необходимо уделять сокращению затрат теплоты именно на системы вентиляции и кондиционирования воздуха, поскольку доля этих расходов в общем энергетическом балансе может быть даже выше, чем трансмиссионные теплопотери, в первую очередь в общественных и промышленных зданиях и после повышения теплозащиты наружных ограждений .

Одно из наиболее перспективных, малозатратных и быстроокупаемых энергосберегающих мероприятий в системах механической вентиляции и кондиционирования — это утилизация теплоты вытяжного воздуха для частичного подогрева притока в холодный период года. Для осуществления теплоутилизации используются аппараты различных конструкций, в т.ч. пластинчатые перекрестноточные рекуперативные теплообменники и регенераторы с вращающимся ротором, а также устройства с так называемыми тепловыми трубами (термосифоны).

Однако можно показать, что в условиях сложившегося в РФ уровня цен на вентиляционное оборудование и, главным образом, ввиду практического отсутствия собственного производства перечисленных типов устройств, с техникоэкономической точки зрения целесообразно рассматривать утилизацию теплоты только на базе аппаратов с промежуточным теплоносителем. Такая конструкция, как известно, обладает целым рядом преимуществ .

Во-первых, для ее реализации используется серийное оборудование, поскольку здесь приточная установка дополняется только калорифером-утилизатором, а вытяжная — охладителем-утилизатором, которые конструктивно аналогичны обычным калориферам и охладителям. Это особенно существенно, поскольку в РФ имеется ряд предприятий, ведущих собственное производство рассматриваемых изделий, в т.ч. такие крупные, как ООО «Веза ».

Кроме того, теплоутилизационное оборудование данного типа очень компактно, а соединение приточного и вытяжного агрегатов только через циркуляционный контур с промежуточным теплоносителем позволяет выбирать место для их размещения практически независимо друг от друга. В качестве теплоносителя обычно используются низкозамерзающие жидкости типа антифризов, причем небольшой объем циркуляционного контура позволяет пренебречь затратами на антифриз, а герметичность контура и нелетучесть антифриза делают второстепенным вопрос о его токсичности.

Наконец, отсутствие непосредственного контакта потоков подаваемого и удаляемого воздуха не накладывает ограничений на чистоту вытяжки, что практически безгранично расширяет группу зданий и помещений, где можно применять теплоутилизацию. В качестве недостатка обычно указывают не слишком высокую температурную эффективность, не превышающую 50-55% .

Но это как раз тот случай, когда вопрос о целесообразности использования теплоутилизации должен решаться технико-экономическим расчетом, о чем мы и будем говорить далее в нашей статье. Можно показать, что срок окупаемости дополнительных капитальных затрат по устройству теплоутилизации с промежуточным теплоносителем не превышает трех-четырех лет.

Это особенно существенно в условиях нестабильной рыночной экономики с заметно меняющимся уровнем цен на оборудование и тарифов на энергетические ресурсы, что не позволяет применять капиталоемкие инженерные решения. Однако остается открытым вопрос об экономически наиболее целесообразной температурной эффективности такого теплоутилизационного оборудования k эф, т.е. доли теплоты, затрачиваемой на подогрев притока за счет теплоты вытяжного воздуха, по отношению к общей тепловой нагрузке. Обычно используемые значения данного параметра лежат в диапазоне от 0,4 до 0,5. Сейчас мы покажем, на каком основании приняты указанные значения.

Эта проблема будет рассмотрена на примере приточно-вытяжной вентиляционной установки производительностью 10 000 м 3 /ч, использующей оборудование ООО «Веза». Данная задача является оптимизационной, поскольку сводится к выявлению значения k эф, обеспечивающего минимум совокупных дисконтированных затрат СДЗ на устройство и эксплуатацию вентиляционного оборудования.

Расчет следует вести при условии использования заемных средств на сооружение вентустановок и приведения СДЗ к концу рассматриваемого временного интервала Т по следующей формуле :

где К — общие капитальные затраты, руб; Э — суммарные годовые эксплуатационные издержки, руб/год; p — норма дисконта, %. При вычислениях ее можно принимать равной ставке рефинансирования ЦБ РФ. С 15 января 2004 г. эта величина равна 14% годовых. В данном случае удается исследовать задачу в достаточно полном объеме сравнительно элементарными средствами, поскольку все составляющие затрат легко учитываются и достаточно просто вычисляются.

Впервые решение этой задачи было опубликовано автором в работе для уровня цен и тарифов, действовавших на тот момент. Однако, как легко будет убедиться, при пересчете на более поздние данные основные выводы сохраняют свою силу. Одновременно мы покажем, как следует осуществлять сам технико-экономический расчет при необходимости выбора оптимального варианта инженерного решения, поскольку все другие задачи будут отличаться только определением величины К.

Но это легко делается по каталогам и прайслистам предприятий-производителей соответствующего оборудования. В нашем примере капитальные затраты определялись по данным компании «Веза», исходя из производительности и принятого набора секций приточной и вытяжной установок: передняя панель с одним вертикальным клапаном,фильтр ячейковый класса G3, вентиляторный блок; кроме того, в приточной установке также дополнительно воздухонагреватель системы теплоутилизации и догревающий калорифер с теплоснабжением от теплосети, а в вытяжной — воздухоохладитель системы теплоутилизации, а также циркуляционный насос.Схема такой установки показана на рис. 1. Расходы на монтаж и наладку вентиляционных агрегатов принимались в размере 50% от основных капиталовложений.

Затраты на теплоутилизационное оборудование и догревающий калорифер вычислялись по результатам расчетов на ЭВМ по программам компании «Веза» в зависимости от эффективности утилизатора. При этом с ростом эффективности величина К растет, поскольку число рядов трубок теплообменников системы утилизации увеличивается быстрее (для k эф = = 0,52 — до 12 в каждой установке), чемсокращается число рядов догревающего калорифера (с 3 до 1 в тех же условиях).

Эксплуатационные издержки складываются из годовых затрат соответственно на тепловую и электрическую энергию и амортизационные отчисления. При их расчете продолжительность работы установки в течение суток в расчетах принималась равной 12 ч, температура воздуха за догревающим калорифером +18°С, а после теплоутилизатора — в зависимости от k эф через среднюю наружную температуру за отопительный период и температуру вытяжного воздуха.

Последняя по умолчанию равна +24,7°С (программа подбора теплоутилизаторов ООО «Веза»). Тариф на тепловую энергию принимался по данным ОАО «Мосэнерго» на середину 2004 г. в размере 325 руб/Гкал (для бюджетных потребителей). Очевидно, что с ростом k эф величина затрат на тепловую энергию уменьшается, что, вообще говоря, и является целью теплоутилизации.

Затраты на электроэнергию рассчитываются через электрическую мощность, требуемую для привода циркуляционного насоса системы теплоутилизации и вентиляторов приточной и вытяжной установок. Эта мощность определяется, исходя из потерь давления в циркуляционном контуре, плотности и расхода промежуточного теплоносителя, а также аэродинамического сопротивления вентиляционных установок и сетей. Все перечисленные величины, кроме плотности теплоносителя, принятой равной 1200 кг/м 3 , вычисляются по программам подбора теплоутилизационного и вентиляционного оборудования ООО «Веза». Кроме того, в выражениях для мощности участвуют также коэффициенты полезного действия применяемых насосов и вентиляторов.

В расчетах использовались средние значения: 0,35 для насосов типа GRUNDFOS с мокрым ротором и 0,7 для вентиляторов типа RDН. Тариф на электроэнергию учитывался по данным ОАО «Мосэнерго» на середину 2004 г. в размере 1,17 руб/(кВт ֹч). При увеличении k эф уровень затрат на электроэнергию возрастает, поскольку с ростом числа рядов утилизационных теплообменников повышается их сопротивление потоку воздуха, а также потери давления в циркуляционном контуре промежуточного теплоносителя.

Однако в целом данная составляющая расходов существенно меньше затрат на тепловую энергию. Амортизационные отчисления также возрастают с увеличением k эф постольку, поскольку при этом увеличиваются капитальные затраты. Расчет этих отчислений проводится исходя из обеспечения затрат на полное восстановление, капитальный и текущий ремонт оборудования, с учетом расчетного срока службы оборудования ТАМ, принятого при вычислениях равным 15 годам.

В целом, однако, суммарные эксплуатационные затраты с ростом эффективности утилизации уменьшаются. Поэтому возможно существование минимума СДЗ при том или ином уровне k эф и фиксированном значении Т. Результаты соответствующих расчетов показаны на рис. 2. На графиках легко можно видеть, что минимум на кривой СДЗ появляется практически при любом горизонте расчета, который по смыслу задачи равен требуемому сроку окупаемости.

Это означает, что при существующих ценах на оборудование и тарифах на энергетические ресурсы любые, даже самые незначительные капиталовложения в теплоутилизацию окупаются, и достаточно быстро. Поэтому утилизация теплоты с промежуточным теплоносителем оправдана практически всегда. С ростом предполагаемого срока окупаемости минимум на кривой СДЗ быстро смещается в область более высокой эффективности, достигая 0,47 при Т = Т АМ = 15 лет.

Понятно, что оптимальным значением k эф для принятого срока окупаемости будет то, при котором наблюдается минимум СДЗ. График зависимости такого оптимального значения k эф от Т приведен на рис. 3. Поскольку более длительный срок окупаемости, превышающий расчетный срок службы оборудования, вряд ли оправдан, следует, видимо, остановиться на уровне k эф = 0,4-0,5, тем более что при дальнейшем росте Т увеличение оптимальной эффективности резко замедляется.

Кроме того, следует учесть, что рассматриваемый способ теплоутилизации при любой поверхности теплообмена и расходе теплоносителя вообще принципиально не может обеспечить величину k эф выше 0,52-0,55, что и подтверждается расчетом по программе компании «Веза». Если принять тариф на тепловую энергию как для коммерческих потребителей в размере 547 руб/Гкал, снижение годовых издержек за счет теплоутилизации будет выше, поэтому график на рис. 3 показывает верхний предел возможного срока окупаемости.

Таким образом, указанный диапазон значений k эф от 0,4 до 0,5 находит полное технико-экономическое обоснование. Поэтому основной практической рекомендацией по итогам приведенного исследования является возможно более широкое использование утилизации теплоты вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем в любых зданиях, где предусматривается механическая приточно-вытяжная вентиляция и кондиционирование воздуха, с выбором коэффициента температурной эффективности, близкого к максимально возможному для данного типа установок. Другой рекомендацией является обязательный для рыночной экономики учет дисконтирования капитальных и эксплуатационных затрат при технико-экономическом сравнении вариантов инженерных решений по формуле (1).

При этом, если сравниваются только два варианта, как это чаще всего и бывает, удобно сравнивать только дополнительные затраты и считать, что в первом случае К = 0, а во втором, наоборот, Э = 0, а К равно дополнительным вложениям в мероприятия, целесообразность которых обосновывается. Тогда вместо Э в первом варианте нужно использовать разность годовых издержек по вариантам. После этого строятся графики зависимости СДЗ от Т, и в точке их пересечения определяется расчетный срок окупаемости.

Если он оказывается выше Т АМ, или графики вообще не пересекаются, мероприятия экономически необоснованы. Полученные результаты имеют весьма общий характер, поскольку зависимость изменения капитальных затрат от степени утилизации теплоты при существующей ситуации на рынке мало связана с конкретным производителем вентиляционного оборудования, а основное влияние на эксплуатационные издержки вообще оказывают только затраты тепловой и электрической энергии.

Поэтому предлагаемые рекомендации могут быть использованы при принятии экономически обоснованных решений по энергосбережению в любых системах механической вентиляции и кондиционирования воздуха. Кроме того, данные результаты имеют простой и инженерный вид и легко допускают уточнение при изменении действующих цен и тарифов.

Необходимо также заметить, что получающийся в приведенных расчетах срок окупаемости, в зависимости от принятого k эф достигающий величины 15 лет, т.е. вплоть до ТАМ, является в некотором отношении предельным, возникающим при учете всех капитальных затрат. Если же учитывать только дополнительные капиталовложения непосредственно в теплоутилизацию, срок окупаемости действительно сокращается до 3-4 лет, как и было указано выше.

Следовательно, утилизация теплоты вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем действительно является малозатратным и быстроокупаемым мероприятием и заслуживает самого широкого применения в условиях рыночной экономики.

1. О.Д. Самарин. О нормировании тепловой защиты зданий. Журнал «С.О.К.», №6/2004.
2. О.Я. Кокорин. Современные системы кондиционирования воздуха.- М.: «Физматлит», 2003.
3. В.Г. Гагарин. О недостаточной обоснованности повышенных требований к теплозащите наружных стен зданий. (Изменения №3 СНиП II-3–79). Сб. докл. 3-й конф. РНТОС 23–25 апреля 1998 г.
4. О.Д. Самарин. Экономически целесообразная эффективность теплоутилизаторов с промежуточным теплоносителем. Монтажные и специальные работы в строительстве, №1/2003.
5. СНиП 23-01–99* «Строительная климатология».- М:ГУП ЦПП, 2004.

Затраты теплоты на подогрев санитарной нормы приточного наружного воздуха при современных методах теплозащиты ограждающих конструкций составляют в жилых домах до 80 % тепловой нагрузки на отопительные приборы, а в общественно-административных зданиях - более 90%. Поэтому энергосберегающие системы отопления в современных конструкциях зданий могут быть созданы только при условии

утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха.

Также успешен опыт применения в административном здании в Москве установки утилизации с насосной циркуляцией промежуточного теплоносителя - антифриза.

При расположении приточных и вытяжных агрегатов на расстоянии более 30 м друг от друга система утилизации с насосной циркуляцией антифриза является наиболее рациональной и экономичной. В случае расположения их рядом возможно еще более эффективное решение. Так в климатических районах с мягкими зимами, когда температура наружного воздуха не опускаются ниже -7 °С, широко применяются пластинчатые теплоутилизаторы.

На рис. 1 показана конструктивная схема пластинчатого рекуперативного (теплоотдача осуществляется через разделительную стенку) теплоутилизационного теплообменника. Здесь показан (рис. 1, а) «воздухо-воздушный» теплоутилизатор, собранный из пластинчатых каналов, которые могут изготавливаться из тонкой листовой оцинкованной стали, алюминия и др.

Рисунок 1. а - пластинчатые каналы, в которых сверху над разделительными стенками каналов поступает вытяжной воздух L y , а горизонтально-приточный наружный воздух L п.н; б - трубчатые каналы, в которых сверху в трубках проходит вытяжной воздух L y , а горизонтально в межтрубном пространстве проходит приточный наружный воздух L п.н

Пластинчатые каналы заключаются в кожух, имеющий фланцы для присоединения к приточным и вытяжным воздуховодам.

На рис. 1, б показан «воздухо-воздушный» теплообменник из трубчатых элементов, которые могут быть также изготовлены из алюминия, оцинкованной стали, пластмассы, стекла и др. Трубы закрепляются в верхние и нижние трубные решетки, что формирует каналы для прохода вытяжного воздуха. Боковые стенки и трубные решетки образуют каркас теплообменника, с открытыми фасадными сечениями, которые присоединяются к воздуховоду поступления приточного наружного воздуха L п.н.

Благодаря развитой поверхности каналов и устройства в них турбулизирующих воздух насадок в таких «воздухо-воздушных» теплообменниках достигается высокая теплотехническая эффективность θ t п.н (до 0,75), и это является главным достоинством таких аппаратов.

Недостатком этих рекуператоров является необходимость предподогрева приточного наружного воздуха в электрокалориферах до температуры не ниже -7 °С (во избежание замерзания конденсата на стороне влажного вытяжного воздуха).

На рис. 2 показана конструктивная схема приточно-вытяжного агрегата с пластинчатым утилизатором теплоты вытяжного воздуха L у на нагрев приточного наружного воздуха L п.н. Приточный и вытяжной агрегаты выполняются в едином корпусе. Первыми на входе приточного наружного L п.н и удаляемого вытяжного L у воздуха установлены фильтры 1 и 4. Оба очищенных потока воздуха от работы приточного 5 и вытяжного 6 вентиляторов проходят через пластинчатый теплоутилизатор 2, где энергия отепленного вытяжного воздуха L у передается холодному приточному L п.н.

Рисунок 2. Конструктивная схема приточного и вытяжного агрегатов с пластинчатым утилизатором, имеющим обводной воздушный канал по приточному наружному воздуху: 1 - воздушный фильтр в приточном агрегате; 2 - пластинчатый утилизационный теплообменник; 3 - фланец присоединения воздушного тракта поступления вытяжного воздуха; 4 - фильтр карманный для очистки вытяжного воздуха L у; 5 - приточный вентилятор с электродвигателем на одной раме; 6 - вытяжной вентилятор с электродвигателем на одной раме; 7 - поддон сбора из каналов прохождения вытяжного воздуха сконденсированной влаги; 8 - трубопровод отвода конденсата; 9 - обводной воздушный канал для прохода приточного воздуха L п.н; 10 - автоматический привод воздушных клапанов в обводном канале; 11 - калорифер догрева приточного наружного воздуха, питаемый горячей водой

Как правило, вытяжной воздух имеет повышенное влагосодержание и температуру точки росы не ниже +4 °С. При поступлении в каналы теплоутилизатора 2 холодного наружного воздуха с температурой ниже +4 °С на разделительных стенках установится температура, при которой на части поверхности каналов со стороны движения удаляемого вытяжного воздуха будет происходить конденсация водяных паров.

Образовавшийся конденсат под воздействием потока воздуха L у, будет интенсивно стекать в поддон 7, откуда по присоединенному к патрубку 8 трубопроводу отводится в канализацию (или бак-накопитель).

Для пластинчатого утилизатора характерно следующее уравнение теплового баланса переданной теплоты к наружному приточному воздуху:

где Q ту - утилизируемая приточным воздухом теплоэнергия; L у, L п.н - расходы отепленного вытяжного и наружного приточного воздуха, м 3 /ч; ρ у, ρ п.н - удельные плотности отепленного вытяжного и наружного приточного воздуха, кг/м 3 ; I y 1 и I y 2 - начальная и конечная энтальпия отепленного вытяжного воздуха, кДж/кг; t н1 и t н2 , с р - начальные и конечные температуры, °С, и теплоемкость, кДж/(кг · °С), наружного приточного воздуха.

При низких начальных температурах наружного воздуха t н.х ≈ t н1 на разделительных стенках каналов выпадающий из вытяжного воздуха конденсат не успевает стекать в поддон 7, а замерзает на стенках, что приводит к сужению проходного сечения и увеличивает аэродинамическое сопротивление проходу вытяжного воздуха. Это увеличение аэродинамического сопротивления воспринимается датчиком, который передает команду на привод 10 на открытие воздушных клапанов в обводном канале (байпасе) 9.

Испытания пластинчатых утилизаторов в климате России показали, что при снижении температуры наружного воздуха до t н.х ≈ t н1 ≈ -15 °С, воздушные клапаны в байпасе 9 полностью открыты и весь приточный наружный воздух L п.н проходит, минуя пластинчатые каналы теплоутилизатора 2.

Нагрев приточного наружного воздуха L п.н от t н.х до t п.н осуществляется в калорифере 11, питаемом горячей водой из центрального источника теплоснабжения. В этом режиме Q ту, вычисляемое по уравнению (9.10), равно нулю, так как через присоединенный теплоутилизатор 2 проходит только вытяжной воздух и I y 1 ≈ I y 2 , т.е. утилизация теплоты отсутствует.

Вторым методом предотвращения замерзания конденсата в каналах теплообменника 2 является электрический предподогрев приточного наружного воздуха от t н.х до t н1 = -7 °С. В расчетных условиях холодного периода года в климате Москвы холодный приточный наружный воздух в электрокалорифере нужно нагревать на ∆t т.эл = t н1 - t н.х = -7 + 26 = 19 °С. Нагрев приточного наружного воздуха при θ t п.н = 0,7 и t у1 = 24 °С составит t п.н = 0,7 · (24 + 7) - 7 = 14,7 °С или ∆t т.у = 14,7 + 7 = 21,7 °С.

Расчет показывает, что в этом режиме нагрев в теплоутилизаторе и в калорифере практически одинаков. Использование байпаса или электрического предподогрева значительно снижает теплотехническую эффективность пластинчатых теплообменников в системах приточно-вытяжной вентиляции в климате России.

Для устранения этого недостатка отечественными специалистами разработан оригинальный метод быстрого периодического размораживания пластинчатых теплоутилизаторов путем подогрева удаляемого вытяжного воздуха, обеспечивающий надежную и энергоэффективную круглогодовую работу агрегатов.

На рис. 3 показана принципиальная схема установки утилизации теплоты вытяжного воздуха X на нагрев приточного наружного воздуха L п.н с быстрым устранением обмерзания каналов 2 для улучшения прохода удаляемого воздуха через пластинчатый теплоутилизатор 1.

Воздуховодами 3 теплоутилизатор 1 соединен с трактом прохождения приточного наружного воздуха L п.н, а воздуховодами 4 с трактом прохождения удаляемого вытяжного воздуха L у.

Рисунок 3. Принципиальная схема применения пластинчатого теплоутилизатора в климате России: 1 - пластинчатый теплоутилизатор; 2 - пластинчатые каналы для прохода холодного приточного наружного воздуха L п.н и теплого вытяжного удаляемого воздуха L у; 3 - присоединительные воздуховоды прохода приточного наружного воздуха L п.н; 4 - присоединительные воздуховоды прохода удаляемого вытяжного воздуха L у; 5 - калорифер в потоке удаляемого воздуха L у на входе в каналы 2 пластинчатого теплообменника 1,6- автоматический клапан на трубопроводе подачи горячей воды G w г; 7 - электрическая связь; 8 - датчик контроля сопротивления воздушного потока в каналах 2 для прохода вытяжного воздуха L у; 9 - отвод конденсата

При низких температурах приточного наружного воздуха (t н1 = t н. x ≤ 7 °С) через стенки пластинчатых каналов 2 теплота от вытяжного воздуха передается полностью теплоте, отвечающей уравнению теплового баланса [см. формулу (1)]. Снижение температуры вытяжного воздуха происходит с обильной конденсацией влаги на стенках пластинчатых каналов. Часть конденсата успевает стечь из каналов 2 и по трубопроводу 9 удаляется в канализацию (или бак-накопитель). Однако большая часть конденсата замерзает на стенках каналов 2. Это вызывает возрастание перепада давления ∆Р у в потоке удаляемого воздуха, замеряемого датчиком 8.

При возрастании ∆Р у до настроенной величины от датчика 8 через проводную связь 7 последует команда на открытие автоматического клапана 6 на трубопроводе подачи горячей воды G w г в трубки калорифера 5, установленного в воздуховоде 4 поступления удаляемого вытяжного воздуха в пластинчатый утилизатор 1. При открытом автоматическом клапане 6 в трубки калорифера 5 поступит горячая вода G w г, что вызовет повышение температуры удаляемого воздуха t y 1 до 45-60 °С.

При прохождении по каналам 2 удаляемого воздуха с высокой температурой произойдет быстрое оттаивание со стенок каналов наледей и образующийся конденсат по трубопроводу 9 стечет в канализацию (или в бак-накопитель конденсата).

После оттайки наледей перепад давлений в каналах 2 понизится и датчик 8 через связь 7 подаст команду на закрытие клапана 6 и подача горячей воды в калорифер 5 прекратится.

Рассмотрим процесс утилизации теплоты на I-d диаграмме, представленный на рис. 4.

Рисунок 4. Построение на I-d-диаграмме режима работы в климате Москвы установки утилизации с пластинчатым теплообменником и размораживанием его по новому методу (по схеме на рис. 3). У 1 -У 2 - расчетный режим извлечения теплоты из вытяжного удаляемого воздуха; Н 1 - Н 2 - нагрев утилизируемой теплотой приточного наружного воздуха в расчетном режиме; У 1 - У под 1 - нагрев вытяжного воздуха в режиме размораживания от наледей пластинчатых каналов прохождения удаляемого воздуха; У 1. раз - начальные параметры удаляемого воздуха после отдачи теплоты на оттаивание наледей на стенках пластинчатых каналов; H 1 -Н 2 - нагрев приточного наружного воздуха в режиме размораживания пластинчатого утилизационного теплообменника

Проведем оценку влияния метода размораживания пластинчатых теплоутилизаторов (по схеме на рис. 3) на теплотехническую эффективность режимов утилизации теплоты вытяжного воздуха на следующем примере.

ПРИМЕР 1. Исходные условия: В крупном московском (t н.х = -26 °С) производственно-административном здании в системе приточно-вытяжной вентиляции смонтирована теплоутилизационная установка (ТУУ) на базе рекуперативного пластинчатого теплообменника (с показателем θ t п.н = 0,7). Объем и параметры удаляемого вытяжного воздуха в процессе охлаждения составляют: L у = 9000 м 3 /ч, t у1 = 24 °С, I y 1 = 40 кДж/кг, t р.у1 = 7 °С, d у1 = 6,2 г/кг (см. построение на I-d-диаграмме на рис. 4). Расход приточного наружного воздуха L п.н = 10 000 м 3 /ч. Размораживание теплоутилизатора производится методом периодического повышения температуры удаляемого воздуха, как это показано на схеме рис. 3.

Требуется: Установить теплотехническую эффективность режимов утилизации теплоты с использованием нового метода периодической оттайки пластин аппарата.

Решение: 1. Вычисляем температуру нагретого утилизируемой теплотой приточного наружного воздуха в расчетных условиях холодного периода года при t н.х = t н1 = -26 °С:

2. Вычисляем количество утилизируемой теплоты за первый час работы установки утилизации, когда обмерзание пластинчатых каналов не повлияло на теплотехническую эффективность, но повысило аэродинамическое сопротивление в каналах прохождения удаляемого воздуха:

3. Через час работы ТУУ в расчетных зимних условиях на стенках каналов накопился слой инея, который вызвал повышение аэродинамического сопротивления ∆Р у. Определим возможное количество льда на стенках каналов прохода вытяжного воздуха через пластинчатый теплоутилизатор, образованного в течение часа. Из уравнения теплового баланса (1) вычислим энтальпию охлажденного и осушенного вытяжного воздуха:

Для рассматриваемого примера по формуле (2) получим:

На рис. 4 представлено построение на I-d-диаграмме режимов нагрева приточного наружного воздуха (процесс H 1 - H 2) утилизируемой теплотой вытяжного воздуха (процесс У 1 -У 2). Построением на I-d-диаграмме получены остальные параметры охлажденного и осушенного вытяжного воздуха (см. точку У 2): t у2 = -6,5 °С, d у2 = 2,2 г/кг.

4. Количество выпавшего из вытяжного воздуха конденсата вычисляется по формуле:

По формуле (4) вычисляем количество холода, затраченного на понижение температуры льда: Q = 45 · 4,2 · 6,5/3,6 = 341 Вт · ч. На образование льда затрачивается следующее количество холода:

Общее количество энергии, идущей на образование наледей на разделительной поверхности пластинчатых теплоутилизаторов, составит:

6. Из построения на I-d-диаграмме (рис. 4) видно, что при противоточном движении по пластинчатым каналам приточного L п.н и вытяжного L у воздушных потоков на входе в пластинчатый теплообменник наиболее холодного наружного воздуха по другую сторону разделительных стенок пластинчатых каналов проходит охлажденный до отрицательных температур вытяжной воздух. Именно в этой части пластинчатого теплообменника и наблюдаются интенсивные образования наледей и инея, которые будут перекрывать каналы для прохода вытяжного воздуха. Это вызовет повышение аэродинамического сопротивления.

Датчик контроля при этом подаст команду на открытие автоматического клапана поступления горячей воды в трубки теплообменника, смонтированного в вытяжном воздуховоде до пластинчатого теплообменника, что обеспечит нагрев вытяжного воздуха до температуры t у.под.1 = +50 °С.

Поступление горячего воздуха в пластинчатые каналы обеспечило за 10 мин оттайку замерзшего конденсата, который в жидком виде удаляется в канализацию (в бак-накопитель). За 10 мин нагрева вытяжного воздуха затрачено следующее количество теплоты:

или по формуле (5) получим:

7. Подведенная в калорифере 5 (рис. 3) теплота частично расходуется на растаивание наледей, что по расчетам в п. 5 потребует Q т.рас = 4,53 кВт · ч теплоты. На передачу теплоты к приточному наружному воздуху из затраченной теплоты в калорифере 5 на нагрев вытяжного воздуха останется теплоты:

8. Температура подогретого вытяжного воздуха после затраты части теплоты на размораживание вычисляется по формуле:

Для рассматриваемого примера по формуле (6) получим:

9. Подогретый в калорифере 5 (см. рис. 3) вытяжной воздух будет способствовать не только размораживанию наледей конденсата, но и увеличению передачи теплоты к приточному воздуху через разделительные стенки пластинчатых каналов. Вычислим температуру нагретого приточного наружного воздуха:

10. Количество теплоты, переданной на нагрев приточного наружного воздуха в течение 10 мин размораживания, вычисляется по формуле:

Для рассматриваемого режима по формуле (8) получим:

Расчет показывает, что в рассматриваемом режиме размораживания нет потерь теплоты, так как часть теплоты подогрева из удаляемого воздуха Q т.у =12,57 кВт · ч переходит на дополнительный догрев приточного наружного воздуха L п.н до температуры t н2.раз = 20,8 °С, вместо t н2 = +9 °С при использовании только теплоты вытяжного воздуха с температурой t у1 = +24 °С (см. п. 1).