Рекуперация тепла: когда она действительно снижает энергозатраты
Рекуперация тепла снижает энергозатраты вентиляции, когда тепловую энергию удаляемого воздуха можно использовать для нагрева приточного потока в периоды реальной потребности в тепле. При этом рекуператор должен обеспечивать безопасное разделение воздушных потоков, а полезный возврат тепла — превышать дополнительные энергетические затраты, возникающие при его работе.
Установка рекуператора сама по себе не подтверждает экономию. Результат зависит от температур и расходов воздуха, продолжительности одновременной работы притока и вытяжки, эффективности теплообмена, дополнительного аэродинамического сопротивления, режимов байпаса и защиты от обмерзания. Поэтому решение принимают по балансу энергозатрат за расчётный период, а не только по паспортному КПД теплообменника.
При каких условиях возврат тепла вытяжного воздуха полезен
Рекуперация тепла — передача части тепловой энергии удаляемого воздуха приточному потоку без использования этой энергии в качестве самостоятельного внешнего источника теплоснабжения.
В холодный период температура вытяжного воздуха обычно выше температуры наружного приточного воздуха. Если оба потока одновременно проходят через теплообменное оборудование, часть тепла вытяжки может использоваться для предварительного нагрева притока.
За счёт этого уменьшается тепловая нагрузка на последующий нагреватель, который должен обеспечить требуемую температуру воздуха перед подачей в помещения.
Однако для полезного возврата тепла должны одновременно выполняться несколько условий: существует потребность в нагреве приточного воздуха, вытяжной поток располагает доступной тепловой энергией, расходы воздуха соответствуют рабочему диапазону оборудования, а передача тепла не нарушает требования к разделению воздушных потоков.
Если приточная и вытяжная установки работают в разное время, доступный тепловой потенциал вытяжки не может использоваться в обычном режиме непосредственного теплообмена между этими потоками. Поэтому продолжительность их совместной работы является самостоятельным фактором энергетического результата.
Какие исходные данные необходимы для расчёта
Для оценки рекуперации используют температуры и расходы приточного и вытяжного воздуха, графики их работы, характеристики рекуператора и сведения об условиях, способных ограничивать теплообмен.
Температуры воздушных потоков позволяют установить располагаемую разность температур и потребность в подогреве наружного воздуха. Без этих параметров невозможно определить тепловой потенциал рассматриваемого режима.
Расходы воздуха характеризуют количество теплоносителя, участвующего в процессе. Даже при большой разности температур небольшой вытяжной поток может обеспечивать ограниченное количество доступного тепла.
Графики совместной работы необходимы для определения продолжительности периодов, когда рекуперация практически возможна. Расчёт только по проектным максимальным расходам не показывает, сколько тепла удастся вернуть за год.
Характеристики рекуператора позволяют оценить эффективность передачи тепла в соответствующих режимах. При этом паспортный показатель необходимо связывать с условиями, для которых он определён.
Отдельно устанавливают вероятность загрязнения приточного воздуха, условия обмерзания теплообменника и предусмотренные режимы управления. Эти сведения определяют техническую допустимость решения и продолжительность его полезной работы.
Как определить доступное тепло вытяжного воздуха
Для первоначальной оценки устанавливают, какое количество тепла может быть передано между воздушными потоками при соответствующих расходах и температурах.
При расчёте явной теплоты и допустимости приближения с постоянной удельной теплоёмкостью тепловую мощность, связанную с изменением температуры воздушного потока, определяют по зависимости:
Q = G × cp × Δt,
где Q — тепловая мощность, G — массовый расход воздуха, cp — его удельная теплоёмкость, Δt — изменение температуры рассматриваемого потока.
Для оценки полезного возврата тепла определяют температуру приточного воздуха до и после рекуператора. Разница характеризует предварительный нагрев, полученный за счёт теплообмена с удаляемым воздухом.
При этом необходимо учитывать, что теплопередача ограничивается характеристиками обоих потоков и самого теплообменника. Нельзя рассчитывать доступное тепло исключительно по температуре вытяжки, игнорируя количество приточного и удаляемого воздуха.
Если используется паспортная эффективность рекуператора, проверяют, соответствует ли определение этого показателя применяемой расчётной модели и рассматриваемым условиям эксплуатации.
Полученная тепловая мощность характеризует отдельный режим. Чтобы перейти к оценке энергии за расчётный период, необходимо учитывать, сколько времени установка фактически работает при соответствующих расходах и температурах.
Почему паспортный КПД рекуператора не равен годовой экономии
Паспортная эффективность характеризует работу теплообменного оборудования при определённых условиях. Она не показывает непосредственно, какое количество тепловой энергии будет сэкономлено за год на конкретном объекте.
В эксплуатации изменяются наружная температура, расходы воздуха, тепловая нагрузка и продолжительность совместной работы приточной и вытяжной установок.
Если в отдельные периоды приточный воздух не требует нагрева, передача тепла от вытяжки может не уменьшать потребление энергии на отопление притока.
Если вытяжная установка отключена, доступного потока для теплообмена нет. Если оборудование работает с расходами, отличающимися от паспортных условий, фактический результат необходимо определять для соответствующего режима.
Кроме того, в холодный период полезную работу рекуператора может ограничивать необходимость защиты от обмерзания, а в тёплый период — переключение на байпас.
Поэтому годовую экономию определяют по сумме полезного возврата тепла за те интервалы, когда рекуперация действительно используется и уменьшает потребность во внешнем нагреве.
Как дополнительное сопротивление влияет на энергозатраты вентиляторов
Установка рекуператора изменяет аэродинамические условия работы вентиляционной системы. Воздушные потоки проходят через дополнительный теплообменный элемент, создающий сопротивление движению воздуха.
Для обеспечения необходимого расхода вентилятору может потребоваться дополнительное давление. В зависимости от характеристики оборудования и способа управления это способно увеличить потребление электроэнергии.
Для оценки используют фактические или расчётные расходы воздуха, дополнительное сопротивление рекуператора и характеристики вентиляторов в соответствующих рабочих точках.
В упрощённом виде аэродинамическая мощность воздушного потока определяется зависимостью:
Nвозд = q × Δp,
где q — объёмный расход воздуха, Δp — соответствующий перепад давления.
Электрическое потребление привода отличается от аэродинамической мощности из-за потерь в вентиляторе, двигателе и других элементах системы.
Следовательно, увеличение сопротивления нельзя без расчёта переводить в фиксированный процент дополнительных затрат электроэнергии.
При сравнении вариантов необходимо определить, сколько электрической энергии потребуется вентиляторам для обеспечения того же необходимого воздухообмена с установленным рекуператором и без него.
Эта разница включается в общий энергетический баланс решения.
Как байпас изменяет полезный эффект рекуперации
Байпас — предусмотренный путь прохождения воздуха в обход теплообменного элемента. Он позволяет изменять участие рекуператора в теплопередаче в зависимости от режима работы системы.
В тёплый период дополнительный нагрев приточного воздуха может быть не нужен. При таких условиях прохождение через рекуператор не обязательно обеспечивает полезный энергетический результат.
Использование байпаса позволяет изменить режим прохождения воздуха, когда возврат тепла не требуется или не соответствует задаче обработки притока.
Однако наличие байпаса необходимо учитывать при расчёте годовой эффективности. В периоды его использования теплообмен через основной элемент может уменьшаться или прекращаться.
Поэтому нельзя распространять паспортную эффективность рекуператора на все часы работы вентиляционной установки.
Для корректной оценки определяют, когда требуется предварительный нагрев притока, когда предусмотрена работа через байпас и как эти режимы связаны с фактическими температурами и графиками вентиляции.
При сравнении годовых энергозатрат важно учитывать именно предусмотренную последовательность режимов, а не предполагать непрерывную работу рекуператора с максимальным возвратом тепла.
Почему обмерзание ограничивает возврат тепла
При определённых сочетаниях температур и влажности в теплообменнике могут возникать условия для образования инея или льда. Это способно изменять сопротивление воздушному потоку и ухудшать условия теплообмена.
Поэтому эксплуатация рекуператора в холодный период может требовать специальных режимов защиты от обмерзания.
При таких режимах фактический возврат тепла может отличаться от значения, рассчитанного для обычной непрерывной работы теплообменника.
Если защита предусматривает изменение воздушных расходов, прекращение или ограничение теплообмена либо дополнительный подогрев, соответствующие изменения необходимо учитывать в энергетическом балансе.
Для оценки проверяют температурные условия, особенности оборудования и предусмотренный алгоритм защиты.
При этом нельзя принимать весь холодный период за режим полной паспортной эффективности без проверки возможности обмерзания.
Также нельзя автоматически считать любой способ размораживания энергетически нейтральным: его применение может влиять на полезный возврат тепла и дополнительные затраты.
Когда загрязнённый вытяжной воздух ограничивает применение рекуперации
Техническая возможность передачи тепла не означает, что любой способ рекуперации допустим для конкретной вентиляционной системы.
Если вытяжной воздух содержит загрязнения, необходимо оценить опасность их попадания в приточный поток.
Отдельные конструктивные решения могут создавать возможность перетока или переноса загрязнений между воздушными потоками. Поэтому при выборе оборудования требуется проверить принцип его работы и условия разделения притока и вытяжки.
Если выбранный способ теплообмена не обеспечивает необходимого ограничения переноса загрязнений, его нельзя обосновывать только высоким расчётным возвратом тепла.
В таких случаях техническая допустимость становится первичным условием выбора решения. Только для вариантов, соответствующих требованиям к воздушным потокам конкретного объекта, имеет смысл сравнивать энергетическую эффективность.
При этом характер загрязнений и применимые ограничения необходимо устанавливать по фактическому назначению вентиляции и техническим условиям объекта.
Таким образом, загрязнённый вытяжной воздух может исключать часть конструктивных вариантов рекуперации независимо от их паспортной эффективности.
Как составить годовой баланс полезного возврата тепла
Для оценки годового эффекта необходимо распределить работу вентиляции по режимам с различными температурами, расходами воздуха и условиями управления.
Для каждого рассматриваемого интервала определяют полезный возврат тепла при наличии одновременной работы притока и вытяжки.
Затем учитывают периоды, в которых рекуперация не используется, работает через байпас или ограничена защитой от обмерзания.
Суммарную возвращённую тепловую энергию определяют по зависимости:
Eвозвр = Σ(Qвозвр,i × Δti),
где Qвозвр,i — полезная тепловая мощность возврата в соответствующем режиме, Δti — продолжительность режима.
При этом возвращённая тепловая энергия не обязательно полностью равна сокращению оплачиваемого ресурса. Для такого вывода необходимо установить, какое внешнее энергопотребление действительно замещает предварительный нагрев притока.
Отдельно определяют дополнительный расход электроэнергии вентиляторов, связанный с сопротивлением рекуператора, и энергетическое влияние предусмотренных режимов защиты и управления.
В результате получают две составляющие: уменьшение потребности во внешнем нагреве и дополнительные затраты энергии для работы системы с рекуперацией.
Эти величины необходимо сопоставлять в согласованных единицах и с учётом вида используемых энергоресурсов. Если требуется денежная оценка, дополнительно необходимы применимые цены на тепло и электроэнергию.
Как проверить целесообразность решения при разных режимах вентиляции
При длительной совместной работе притока и вытяжки в условиях устойчивой потребности в нагреве предварительный возврат тепла может обеспечивать значительный энергетический результат.
Если же совместная работа ограничена по времени, фактически доступная энергия сокращается независимо от паспортной эффективности оборудования.
При высокой доле периодов без потребности в нагреве значение приобретают режимы байпаса. При низких наружных температурах необходимо учитывать ограничения, связанные с обмерзанием и защитными алгоритмами.
Если вытяжной воздух загрязнён, сначала устанавливают допустимость выбранного способа разделения воздушных потоков. Энергетический расчёт варианта, который не обеспечивает необходимую безопасность, не может служить основанием для его применения.
При существенном дополнительном сопротивлении рекуператора необходимо проверить, не становится ли дополнительное электрическое потребление вентиляторов значимым относительно полезного теплового результата.
Поэтому одна и та же модель рекуператора может давать разный эффект на объектах с различными графиками, расходами воздуха и условиями эксплуатации.
Результат оценки рекуперации тепла
Результатом является определение условий технической допустимости рекуперации и сценарного баланса сокращения тепловых затрат с учётом дополнительного потребления электроэнергии.
В оценке устанавливают, при каких температурах и расходах возможен полезный возврат тепла, сколько времени совпадает работа притока и вытяжки, какие ограничения создают загрязнения и обмерзание, а также как режим байпаса влияет на использование теплообменника.
Отдельно сопоставляют уменьшение потребности во внешнем нагреве с дополнительными затратами на работу вентиляторов и предусмотренных систем управления.
Если предполагается оценивать экономическую целесообразность вложений, сценарный энергетический баланс дополняют сведениями о стоимости оборудования, реализации решения и используемых энергоресурсов. Без этих данных нельзя доказать инвестиционный результат.
Главное ограничение: без достоверных расходов воздуха и графиков совместной работы приточной и вытяжной установок нельзя подтвердить годовую экономию и эффективность вложений. Паспортный КПД рекуператора не заменяет расчёт по фактическим режимам эксплуатации.
Практический вывод состоит в том, что рекуперацию необходимо оценивать одновременно по безопасности, полезному возврату тепла и дополнительным энергетическим затратам. Сначала устанавливают техническую допустимость теплообмена, затем рассчитывают доступное тепло по режимам совместной работы, учитывают байпас и размораживание и сопоставляют полученную экономию тепла с дополнительным расходом электроэнергии. Только такой баланс позволяет определить, когда применение рекуператора действительно обосновано.
Связанные направления: материалы по энергоэффективности, системы вентиляции и разработка мероприятий по энергосбережению.