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.

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.

В системе кондиционирования воздуха теплоту удаляемого воздуха из помещений можно утилизировать двумя способами:

· Применяя схемы с рециркуляцией воздуха;

· Устанавливая утилизаторы теплоты.

Последний способ, как правило, применяют в прямоточных схемах систем кондиционирования воздуха. Однако использование утилизаторов теплоты на исключается и в схемах с рециркуляцией воздуха.

В современных системах вентиляции и кондиционирования воздуха применяется самое разнообразное оборудование: нагреватели, увлажнители, различные виды фильтров, регулируемые решетки и многое другое. Все это необходимо для достижения требуемых параметров воздуха, поддержания или создания комфортных условий для работы в помещении. На обслуживание всего этого оборудования требуется достаточно много энергии. Эффективным решением сбережения энергии в системах вентиляции становятся теплоутилизаторы. Основной принцип их работы – нагрев потока воздуха, подаваемого в помещение, с использованием теплоты потока, удаляемого из помещения. При использовании теплоутилизатора требуется меньшая мощность калорифера на подогрев приточного воздуха, тем самым уменьшается количество энергии, необходимое для его работы.

Утилизация теплоты в зданиях с кондиционированием воздуха может быть произведена посредством утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Утилизация сбросной теплоты для нагрева свежего воздуха (или охлаждение поступающего свежего воздуха сбросным воздухом после системы кондиционирования летом) является простейшей формой утилизации. При этом можно отметить четыре типа систем утилизации, о которых уже упоминалось: вращающиеся регенераторы; теплообменники с промежуточным теплоносителем; простые воздушные теплообменники; трубчатые теплообменники. Вращающийся регенератор в системе кондиционирования воздуха может повышать температуру приточного воздуха зимой на 15 °С, а летом он может снижать температуру поступающего воздуха на 4-8 °С {6.3). Как и в других системах утилизации, за исключением теплообменника с промежуточным теплоносителем, вращающийся регенератор может функционировать только в том случае, если вытяжной и всасывающий каналы прилегают друг к другу в какой-то точке системы.

Теплообменник с промежуточным теплоносителем менее эффективен, чем вращающийся регенератор. В представленной системе вода циркулирует через два теплообменных змеевика, и так как применяется насос, то два змеевика могут быть расположены на некотором расстоянии друг от друга. И в этом теплообменнике, и во вращающемся регенераторе имеются подвижные части (насос и электродвигатель приводятся в движение и это отличает их от воздушного и трубчатого теплообменников. Одним из недостатков регенератора является то, что в каналах может происходить загрязнение. Грязь может осаждаться на колесе, которое затем переносит его во всасывающий канал. В большинстве колес в настоящее время предусмотрена продувка, которая сводит перенос загрязнений до минимума.

Простой воздушный теплообменник представляет собой стационарное устройство для теплообмена между отработанным и поступающим потоками воздуха, проходящими через него противотоком. Этот теплообменник напоминает прямоугольную стальную коробку с открытыми концами, разделенную на множество узких каналов типа камер. По чередующимся каналам идет отработанный и свежий воздух, и теплота передается от одного потока воздуха к другому просто через стенки каналов. Перенос загрязнений в теплообменнике не происходит, и поскольку значительная площадь поверхности заключена в компактном пространстве, достигается относительно высокая эффективность. Теплообменник с тепловой трубой можно рассматривать как логическое развитие конструкции вышеописанного теплообменника, в котором два потока воздуха в камеры остаются абсолютно раздельными, связанными пучком ребристых тепловых труб, которые переносят теплоту от одного канала к другому. Хотя стенка трубы может рассматриваться как дополнительное термическое сопротивление, эффективность теплопередачи внутри самой трубы, в которой происходит цикл испарения-конденсации, настолько велика, что в этих теплообменниках можно утилизировать до 70% сбросной теплоты. Одно из основных преимуществ этих теплообменников по сравнению с теплообменником с промежуточным теплоносителем и вращающимся регенератором - их надежность. Выход из строя нескольких труб лишь незначительно снизит эффективность работы теплообменника, но не остановит полностью систему утилизации.

При всем многообразии конструктивных решений утилизаторов тепла вторичных энергоресурсов в каждом из них имеются следующие элементы:

· Среда- источник тепловой энергии;

· Среда- потребитель тепловой энергии;

· Теплоприемник- теплообменник, воспринимающий тепло от источника;

· Теплопередатчик- теплообменник, передающий тепловую энергию потребителю;

· Рабочее вещество, транспортирующее тепловую энергию от источника к потребителю.

В регенеративных и воздуховоздушных (воздухожидкостных) рекуперативных теплоутилизаторах рабочим веществом являются сами теплообменивающиеся среды.

Примеры применения.

1. Подогрев воздуха в системах воздушного отопления.
Калориферы предназначены для быстрого нагрева воздуха с помощью водяного теплоносителя и равномерного его распределения с помощью вентилятора и направляющих жалюзи. Это хорошее решение для строительства и производственных цехов, где требуется быстрый нагрев и поддержание комфортной температуры только в рабочее время (в это же время, как правило, работают и печи).

2. Нагрев воды в системе горячего водоснабжения.
Применение теплоутилизаторов позволяет сгладить пики потребления энергии, так как максимальное потребление воды приходится на начало и конец смены.

3. Подогрев воды в системе отопления.
Закрытая система
Теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру. Таким образом, отсутствует риск его загрязнения.
Открытая система. Теплоноситель нагревается горячим газом, а затем отдает тепло потребителю.

4. Подогрев дутьевого воздуха, идущего на горение. Позволяет сократить потребление топлива на 10%–15%.

Подсчитано, что основным резервом экономии топлива при работе горелок для котлов, печей и сушилок является утилизация теплоты отходящих газов путем нагрева воздухом сжигаемого топлива. Рекуперация тепла отходящих дымовых газов имеет большое значение в технологических процессах, поскольку тепло, возвращенное в печь или котел в виде подогретого дутьевого воздуха, позволяет сократить потребление топливного природного газа до 30 %.
5. Подогрев топлива, идущего на горение с использованием теплообменников "жидкость – жидкость". (Пример – подогрев мазута до 100˚–120˚ С.)

6. Подогрев технологической жидкости с использованием теплообменников "жидкость – жидкость". (Пример – подогрев гальванического раствора.)

Таким образом, теплоутилизатор – это:

Решение проблемы энергоэффективности производства;

Нормализация экологической обстановки;

Наличие комфортных условий на вашем производстве – тепла, горячей воды в административно-бытовых помещениях;

Уменьшение затрат на энергоресурсы.

Рисунок 1.

Структура энергопотребления и потенциала энергосбережения в жилых зданиях: 1 – трансмиссионные теплопотери; 2 – расход теплоты на вентиляцию; 3 – расход теплоты на горячее водоснабжение; 4– энергосбережение

Список использованной литературы.

1. Караджи В. Г., Московко Ю.Г.Некоторые особенности эффективного использования вентиляционно-отопительного оборудования. Руководство - М., 2004

2. Еремкин А.И, Бызеев В.В. Экономика энергоснабжения в системах отопления, венталиции и кондиционирования воздаха. Издателество Ассоциации строительных вузов М., 2008.

3. Сканави А. В., Махов. Л. М. Отопление. Издательство АСВ М., 2008

Часть 1. Теплоутилизирующие устройства

Использование тепла отходящих дымовых газов
технологических печей.

Технологические печи являются крупнейшими потребителями энергии на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях, в металлургии, а также во многих других отраслях промышленности. На НПЗ в них сжигается 3 – 4 % от всей перерабатываемой нефти.

Средняя температура дымовых газов на выходе из печи, как правило, превышает 400 °С. Количество теплоты, уносимой с дымовыми газами, составляет 25 –30 % от всей теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Поэтому утилизация тепла уходящих дымовых газов технологических печей приобретает исключительно большое значение.

При температуре дымовых газов выше 500 °С следует применять котлы-утилизаторы – КУ.

При температуре дымовых газов менее 500 °С рекомендуется применять воздухоподогреватели – ВП.

Наибольший экономический эффект достигается при наличии двухагрегатной установки, состоящей из КУ и ВП (в КУ газы охлаждаются до 400 °С и поступают в воздухоподогреватель на дальнейшее охлаждение) – чаще применяется на нефтехимических предприятиях при высокой температуре дымовых газов.

Котлы-утилизаторы.

В КУ теплота дымовых газов используется для получения водяного пара. КПД печи повышается на 10 – 15.

Котлы-утилизаторы могут выполняться встроенными в конвекционную камеру печи, или выносными.

Выносные котлы утилизаторы делятся на два типа:

1) котлы газотрубного типа;

2) котлы пакетно-конвективного типа.

Выбор требуемого типа осуществляется в зависимости от требуемого давления получаемого пара. Первые используют при выработке пара относительно низкого давления – 14 – 16 атм., вторые – для выработки пара давлением до 40 атм. (однако они рассчитаны на начальную температуру дымовых газов около 850 °С).

Давление вырабатываемого пара необходимо выбирать с учетом того, потребляется ли весь пар на самой установке или же имеется избыток, который необходимо выводить в общезаводскую сеть. В последнем случае давление пара в барабане котла необходимо принимать в соответствии с давлением пара в общезаводской сети с тем, чтобы выводить избыток пара в сеть и избегать неэкономичного дросселирования при выводе его в сеть низкого давления.

Котлы-утилизаторы газотрубного типа конструктивно напоминают теплообменники «труба в трубе». Дымовые газы пропускаются через внутреннюю трубу, а водяной пар вырабатывается в межтрубном пространстве. Несколько таких устройств располагается параллельно.

Котлы-утилизаторы пакетно-конвективного типа имеют более сложную конструкцию. Принципиальная схема работы КУ этого типа приведена на рис. 5.4.

Здесь используется естественная циркуляция воды и представлена наиболее полная конфигурация КУ с экономайзером и пароперегревателем.

Принципиальная схема работы котла-утилизатора

пакетно-конвективного типа

Химочищенная вода (ХОВ) поступает в колонну-деаэратор для удаления растворенных в ней газов (главным образом кислорода и диоксида углерода). Вода стекает по тарелкам вниз, а навстречу ей противотоком пропускается небольшое количество водяного пара. Вода нагревается паром до 97 – 99 °С и за счет снижения растворимости газов с повышением температуры основная их часть выделяется и отводится сверху деаэратора в атмосферу. Пар, отдавая свое тепло воде, конденсируется. Деаэрированная вода снизу колонны забирается насосом и им нагнетается необходимое давление. Вода пропускается через змеевик экономайзера, в котором подогревается почти до температуры кипения воды при заданном давлении, и поступает в барабан (паросепаратор). Вода в паросепараторе имеет температуру, равную температуре кипения воды при заданном давлении. Через змеевики выработки пара вода циркулирует за счет разности плотностей (естественная циркуляция). В этих змеевиках часть воды испаряется, и парожидкостная смесь возвращается в барабан. Насыщенный водяной пар отделяется от жидкой фазы и отводится сверху барабана в змеевик пароперегревателя. В пароперегревателе насыщенный пар перегревается до нужной температуры и отводится потребителю. Часть полученного пара используется для деаэрации питательной воды.

Надежность и экономичность работы КУ в значительной степени зависит от правильной организации водного режима. При неправильной эксплуатации интенсивно образуется накипь, протекает коррозия поверхностей нагрева, происходит загрязнение пара.

Накипь – это плотные отложения, образующиеся при нагреве и испарении воды. Вода содержит гидрокарбонаты, сульфаты и другие соли кальция и магния (соли жесткости), которые при нагревании преобразуются в бикарбонаты и выпадают в осадок. Накипь, имеющая на несколько порядков меньшую, чем металл, теплопроводность, приводит к снижению коэффициента теплопередачи. За счет этого снижается мощность теплового потока через поверхность теплообмена и, естественно, снижается эффективность работы КУ (уменьшается количество вырабатываемого пара). Температура отводимых из КУ дымовых газов возрастает. Кроме того, происходит перегрев змеевиков и их повреждение вследствие снижения несущей способности стали.

Для предупреждения образования накипи в качестве питательной воды используют предварительно химочищенную воду (можно брать на ТЭС). Помимо этого производится непрерывная и периодическая продувка системы (удаление части воды). Продувка предупреждает рост концентрации солей в системе (вода постоянно испаряется, а содержащиеся в ней соли – нет, поэтому концентрация солей растет). Непрерывная продувка котла составляет обычно 3 – 5 % и зависит от качества питательной воды (не должна превышать 10 %, так как с продувкой связана потеря тепла). При эксплуатации КУ высокого давления, работающих с принудительной циркуляцией воды, дополнительно применяют внутрикотловое фосфатирование. При этом катионы кальция и магния, входящие в состав образующих накипь сульфатов, связываются с фосфатными анионами, образуя соединения малорастворимые в воде и выпадающие в толще водяного объема котла, в виде легко удаляемого при продувке шлама.

Растворенные в питательной воде кислород и углекислый газ вызывают коррозию внутренних стенок котла, причем скорость коррозии возрастает с повышением давления и температуры. Для удаления газов из воды применяют термическую деаэрацию. Также мерой защиты против коррозии является поддержание такой скорости в трубах, при которой пузырьки воздуха не могут удерживаться на их поверхности (выше 0,3 м/с) .

В связи с повышением гидравлического сопротивления газового тракта и снижением силы естественной тяги возникает необходимость установки дымососа (искусственная тяга). При этом температура дымовых газов не должна превышать 250 °С во избежание разрушения этого аппарата. Но чем ниже температура отводимых дымовых газов, тем более мощный необходимо иметь дымосос (растет потребление электроэнергии).

Срок окупаемости КУ обычно не превышает одного года.

Воздухоподогреватели. Используются для подогрева воздуха, подаваемого в печь на сжигание топлива. Подогрев воздуха позволяет снизить расход топлива в печь (КПД повышается на 10 – 15 %).

Температура воздуха после воздухоподогревателя может достигать 300 – 350 °С. Это способствует улучшению процесса горения, повышению полноты сгорания топлива, что является очень важным преимуществом при использовании высоковязких жидких топлив.

Также преимуществами воздухоподогревателей по сравнению с КУ является простота их конструкции, безопасность эксплуатации, отсутствие необходимости устанавливать дополнительное оборудование (деаэраторы, насосы, теплообменники и т. д.). Однако воздухоподогреватели при действующем соотношении цен на топливо и на водяной пар оказываются менее экономичными, чем КУ (цена на пар у нас очень высокая – в 6 раз выше за 1 ГДж). Поэтому выбирать способ утилизации тепла дымовых газов нужно, исходя из конкретной ситуации на данной установке, предприятии и т. д.

Применяются воздухоподогреватели двух типов: 1) рекуперативные (передача тепла через стенку); 2) регенеративные (аккумулирование тепла).

Часть 2. Утилизация тепла вентиляционных выбросов

На отопление и вентиляцию производственных и коммунально-бытовых зданий и сооружений расходуется большое количество теплоты. Для отдельных отраслей промышленности (в основном легкая промышленность) эти расходы достигают 70 – 80 % и более от общей потребности в тепловой энергии. На большинстве предприятий и организаций теплота удаляемого воздуха от систем вентиляции и кондиционирования не используется.

Вообще, вентиляция используется очень широко. Системы вентиляции сооружаются в квартирах, общественных заведениях (школах, больницах, спортклубах, бассейнах, ресторанах), производственных помещениях и т. д. Для различных целей могут применяться различные типы вентиляционных систем. Обычно, если объем воздуха, который должен заменяться в помещении в единицу времени (м 3 /ч), невелик, то применяется естественная вентиляция . Такие системы реализованы в каждой квартире и большинстве общественных учреждений и организаций. При этом используется явление конвекции – нагретый воздух (имеет пониженную плотность) уходит через вентиляционные отверстия и отводится в атмосферу, а на его место, через неплотности в окнах, дверях и т. д., подсасывается свежий холодный (более высокой плотности) воздух с улицы. При этом неизбежны потери тепла, так как на подогрев поступающего в помещение холодного воздуха необходим дополнительный расход теплоносителя. Поэтому применение даже самых современных теплоизоляционных конструкций и материалов при строительстве не может полностью устранить тепловые потери. В наших квартирах 25 – 30 % тепловых потерь связано именно с работой вентиляции, во всех остальных случаях эта величина гораздо выше.

Системы принудительной (искусственной) вентиляции применяются при необходимости интенсивного обмена больших объемов воздуха, что обычно связано с предупреждением роста концентрации опасных веществ (вредных, токсичных, пожаровзрывоопасных, имеющих неприятный запах) в помещении. Принудительная вентиляция реализуется в производственных помещениях, на складах, в хранилищах с/х продуктов и т. д.

Используются системы принудительной вентиляции трех типов :

Приточная система состоит из воздуходувки, нагнетающей свежий воздух в помещение, приточного воздуховода и системы равномерного распределения воздуха в объеме помещения. Избыточный объем воздуха при этом вытесняется через неплотности в окнах, дверях и т. д.

Вытяжная система состоит из воздуходувки, откачивающей воздух из помещения в атмосферу, вытяжного воздуховода и системы для равномерного отвода воздуха из объема помещения. Свежий воздух в этом случае подсасывается в помещение сквозь различные неплотности или специальные системы подвода.

Комбинированные системы представляют собой совмещенные приточно-вытяжные системы вентиляции. Используются, как правило, при необходимости очень интенсивного обмена воздуха в крупных помещениях; при этом потребление тепла на подогрев свежего воздуха максимально.

Применение систем естественной вентиляции и отдельных систем вытяжной и приточной вентиляции не позволяет использовать тепло отводимого воздуха для подогрева свежего воздуха, поступающего в помещение. При эксплуатации же комбинированных систем существует возможность утилизации тепла вентиляционных выбросов для частичного подогрева приточного воздуха и снижения потребления тепловой энергии. В зависимости от разности температур воздуха в помещении и на улице расход тепла на подогрев свежего воздуха может быть снижен на 40 – 60 %. Подогрев может осуществляться в регенеративных и рекуперативных теплообменниках. Первые предпочтительнее, так как имеют меньшие габариты, металлоемкость и гидравлическое сопротивление, обладают большей эффективностью и продолжительным сроком службы (20 – 25 лет).

Воздуховоды подводятся к теплообменным аппаратам, и тепло передается напрямую от воздуха к воздуху через разделяющую стенку или аккумулирующую насадку. Но в некоторых случаях существует необходимость в разносе приточного и вытяжного воздуховодов на значительное расстояние. В таком случае может быть реализована схема теплообмена с промежуточным циркулирующим теплоносителем. Пример работы такой системы при температуре в помещении 25 °С и температуре окружающей среды – 20 °С показан на рис. 5.5.

Схема теплообмена с промежуточным циркулирующим теплоносителем:

1 – вытяжной воздуховод; 2 – приточный воздуховод; 3,4 – оребренные
трубчатые змеевики; 5 – трубопроводы циркуляции промежуточного теплоносителя
(в качестве промежуточного теплоносителя в таких системах обычно используются концентрированные водные растворы солей – рассолы); 6 – насос; 7 – змеевик для
дополнительного подогрева свежего воздуха водяным паром или горячей водой

Система работает следующим образом. Теплый воздух (+ 25 °С) из помещения выводится по вытяжному воздуховоду 1 через камеру, в которой установлен оребренный змеевик 3 . Воздух омывает наружную поверхность змеевика и передает тепло холодному промежуточному теплоносителю (рассолу), протекающему внутри змеевика. Воздух охлаждается до 0 °С и выбрасывается в атмосферу, а подогретый до 15 °С рассол по трубопроводам циркуляции 5 поступает в камеру подогрева свежего воздуха на приточном воздуховоде 2 . Здесь промежуточный теплоноситель отдает тепло свежему воздуху, подогревая его от – 20 °С до + 5 °С. Сам промежуточный теплоноситель при этом охлаждается от + 15 °С до – 10 °С. Охлажденный рассол поступает на прием насоса и снова возвращается в систему на рециркуляцию.

Свежий приточный воздух, подогретый до + 5 °С, может сразу вводиться в помещение и подогреваться до требуемой температуры (+ 25 °С) с помощью обычных радиаторов отопления, а может подогреваться непосредственно в вентиляционной системе. Для этого на приточном воздуховоде устанавливается дополнительная секция, в которой размещается оребренный змеевик. Внутри трубок протекает горячий теплоноситель (теплофикационная вода или водяной пар), а воздух омывает наружную поверхность змеевика и нагревается до + 25 °С, после этого теплый свежий воздух распределяется в объеме помещения.

Применение такого способа обладает рядом преимуществ. Во-первых, вследствие высокой скорости воздуха в секции подогрева, значительно (в несколько раз) повышается коэффициент теплопередачи по сравнению с обычными радиаторами отопления. Это приводит к существенному снижению общей металлоемкости системы отопления – снижению капитальных затрат. Во-вторых, помещение не загромождается радиаторами отопления. В-третьих, достигается равномерное распределение температур воздуха в объеме помещения. А при использовании радиаторов отопления в крупных помещениях сложно обеспечить равномерный прогрев воздуха. В локальных областях воздух может иметь температуру существенно выше или ниже нормы.

Единственный недостаток – несколько повышается гидравлическое сопротивление воздушного тракта и расход электроэнергии на привод приточной воздуходувки. Но преимущества настолько значительны и очевидны, что предварительный подогрев воздуха непосредственно в вентиляционной системе можно рекомендовать в подавляющем большинстве случаев.

Для того, чтобы обеспечить возможность утилизации тепла в случае использования систем приточной или вытяжной систем вентиляции в отдельности, необходимо организовать централизованный соответственно отвод или подвод воздуха через специально смонтированные воздуховоды. При этом необходимо устранить все щели и неплотности, чтобы исключить неуправляемый выдув, или подсос воздуха.

Системы теплообмена между удаляемым из помещения воздухом и свежим можно использовать не только для подогрева приточного воздуха в холодное время года, но и для охлаждения его летом, если помещение (офис) оборудовано кондиционерами. Охлаждение до температур ниже температуры окружающей среды всегда связано с высокими затратами энергии (электроэнергии). Поэтому снизить расход электроэнергии на поддержание комфортной температуры в помещении в жаркое время года можно предварительным охлаждением свежего воздуха, отводимым холодным воздухом.

Тепловые ВЭР.

К тепловым ВЭР относится физическая теплота отходящих газов котельных установок и промышленных печей, основной или промежуточной продукции, других отходов основного производства, а также теплота рабочих тел, пара и горячей воды, отработавших в технологических и энергетических агрегатах. Для утилизации тепловых ВЭР используют теплообменники, котлы-утилизаторы или тепловые агенты. Рекуперация теплоты отработанных технологических потоков в теплообменниках может проходить через разделяющую их поверхность или при непосредственном контакте. Тепловые ВЭР могут поступать в виде концентрированных потоков теплоты или в виде теплоты, рассеиваемой в окружающую среду. В промышленности концентрированные потоки составляют 41 %, а рассеиваемая теплота – 59 %. Концентрированные потоки включают теплоту уходящих дымовых газов печей и котлов, сточных вод технологических установок и жилищно-коммунального сектора. Тепловые ВЭР делятся на высокотемпературные (с температурой носителя выше 500 °С), среднетемпературные (при температурах от 150 до 500 °С) и низкотемпературные (при температурах ниже 150 °С). При использовании установок, систем, аппаратов небольшой мощности потоки теплоты, отводимые от них, составляют небольшую величину и рассредоточены в пространстве, что затрудняет их утилизацию из-за низкой рентабельности.

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).

В Северной Европе и Скандинавии получили распространение системы вентиляции многоэтажных жилых зданий с подогревом приточного воздуха за счет теплоты удаляемого с помощью теплоутилизаторов. Теплоутилизаторы в системах вентиляции получили развитие в 1970-е годы в период энергетического кризиса.

К настоящему времени массовое применение нашли теплоутилизаторы: – рекуперативного типа на базе пластинчатых воздухо-воздушных теплообменников (рис. 41); – регенеративные с вращающейся теплообменной насадкой (рис. 42); – с промежуточным теплоносителем с теплообменниками «жидкость-воздух» (рис. 43).

По своему исполнению в многоэтажных жилых зданиях теплоутилизаторы могут быть центральными на все здания или группу квартир и индивидуальными, поквартирными.

Рис. 42. Теплоутилизатор с вращающейся теплообменной насадкой

Рис. 41. Теплоутилизатор рекуперативного типаутилизатор теплоты вентиляционного воздуха)

При сходных массогабаритных показателях наибольшей энергетической эффективностью обладают регенеративные теплоутилизаторы (80-95%), далее следуют рекуперативные (до 65%) и на последнем месте находятся теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем (45-55%).

По своим конструктивным особенностям теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем мало пригодны для индивидуальной поквартирной вентиляции, и поэтому на практике их используют для центральных систем.

Рис. 43. Утилизатор теплоты вентиляционного воздуха с промежуточным теплоносителем: 1 – приточная вентустановка; 2 – вытяжная вентустановка; 3 – теплообменник; 4 – циркуляционный насос; 5 – фильтр; 6 – корпус утилизатора

Регенеративные теплоутилизаторы обладают существенным недостатком - вероятностью смешивания определенной части удаляемого воздуха с приточным в корпусе аппарата, что, в свою очередь, может привести к переносу неприятных запахов и болезнетворных бактерий. Объем перетекающего воздуха в современных аппаратах сокращен до долей процента, но, тем не менее, большинство специалистов рекомендуют ограничить их область применения пределами одной квартиры, коттеджа или одного помещения в общественных зданиях.

Рекуперативные теплоутилизаторы, как правило, включают в свой состав два вентилятора (приточный и вытяжной), пластинчатый теплообменник, фильтры (рис. 41). В современных конструкциях в теплоутилизатор встраиваются два водяных или электрических подогревателя. Один служит для защиты от замораживания вытяжного тракта теплообменника, второй - для догрева температуры приточного воздуха до заданного значения.

Эти системы, по сравнению с традиционными, обладают рядом достоинств, к числу которых следует отнести существенную экономию тепловой энергии, расходуемой на подогрев вентиляционного воздуха, - от 50 до 90% в зависимости от типа применяемого утилизатора; а также высокий уровень воздушно-тепловой комфортности, обусловленный аэродинамической устойчивостью вентиляционной системы и сбалансированностью расходов приточного и удаляемого воздуха.

При установке рекуперативных теплоутилизаторов поквартирно появляются: – возможность гибко регулировать воздушно-тепловой режим в зависимости от режима эксплуатации квартиры, в том числе с использованием рециркуляционного воздуха; – возможность защиты от городского, внешнего шума (при использовании герметичных светопрозрачных ограждений); – возможность очистки приточного воздуха с помощью высокоэффективных фильтров.

Реализация указанных достоинств связана с решением ряда проблем: – необходимо предусмотреть соответствующие объемно-планировочные решения квартиры и выделить место для размещения теплоутилизаторов и дог полнительных воздуховодов; – следует предусмотреть защиту от замораживания теплоутилизаторов при низких температурах наружного воздуха (-10 °С и ниже); – утилизаторы должны быть в малошумном исполнении и при необходимости оборудованы дополнительными шумоглушителями; – необходимо обеспечить квалифицированное техническое обслуживание теплоутилизаторов (замена или чистка фильтров, промывка теплообменника).

Различные модификации утилизаторов теплоты удаляемого воздуха производят в общей сложности более 20 фирм. Кроме того, производство энергосберегающего оборудования начинается и на отечественных предприятиях.

Уровень звуковой мощности приведен без сети воздуховодов, без глушителей для открыто расположенного утилизатора.

Широкое применение в жилых многоэтажных зданиях систем механической вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха сдерживается рядом факторов: – практически отсутствует материальное стимулирование энергосбережения у потребителей - владельцев квартир; – инвесторы-застройщики не заинтересованы в дополнительных затратах на инженерное оборудование в домах эконом- и бизнес-класса, полагая, что качество вентиляции - второстепенный показатель в формировании рыночной стоимости жилья; – «отпугивает» необходимость технического обслуживания механической вентиляции; – население недостаточно информировано о критериях воздушно-теплового комфорта жилища, его влиянии на здоровье и работоспособность.

Вместе с тем наметилась положительная тенденция преодоления отмеченных проблем, и у инвесторов, и у покупателей квартир появляется практический интерес в современных технических решениях систем вентиляции.

Сравним эффективность традиционной вентиляции и новых технических решений применительно к жилым многоэтажным зданиям массовой застройки.

Предлагается три варианта организации вентиляции в жилых 17-этажных зданиях серии П-44 для условий Москвы:
A. Вентиляция по типовому проекту (естественная канальная вытяжка из помещений кухни, ванны и туалета и приток за счет инфильтрации и от
крывания фрамуг окон).
Б. Механическая вытяжная, центральная система вентиляции с установкой в квартирах приточных и вытяжных клапанов постоянного расхода воздуха.
B. Механическая приточно-вытяжная система вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха в рекуперативных теплообменниках.

Сравнение проводилось по трем критериям: – качество воздуха; – расход тепловой энергии в системах вентиляции; – акустический режим.

Для условий Москвы по данным метеонаблюдений были приняты следующие климатические условия.

В расчетах приняты следующие значения сопротивления теплопередаче: – стен - 3,2 м2 °С/Вт; – окон – 0,62 м2 °С/Вт; – покрытий - 4,04 м2 °С/Вт.

Система отопления с традиционными конвекторами на параметры теплоносителя 95/70 °С.

В каждом подъезде на этаже расположено две 2-комнатных, одна 1-комнатная и одна 3-комнатная квартиры. В каждой квартире предусмотрена кухня с электроплитой, ванная комната и туалет.

Вытяжка производится в соответствии с нормативами: – из кухни - 60 м3/ч; – из ванной комнаты - 25 м3/ч; – из туалета - 25 м3/ч.

Для анализа принято, что в варианте А за счет проветривания путем открывания фрамуг окон среднесуточный объем притока соответствует объему вытяжки из квартиры.

Рис. 44. Рекуператор с установкой догревателей воздуха в квартирах экспериментального дома: 1 – вентилятор удаляемого воздуха; 2 – вентилятор приточного воздуха; 3 – пластинчатый теплообменник; 4 – электрический нагреватель; 5 – подогреватель теплообменника; 6 – фильтр для наружного воздуха (класс EU5); 7 – фильтр для удаляемого воздуха (класс EU5); 8 – датчик против замерзания теплообменника; 9, 10 – автоматический сброс термозащиты; 11, 12 – ручной сброс термозащиты; 13 – датчик температуры приточного воздуха

В варианте Б постоянный воздухообмен обеспечивается за счет работы центрального вытяжного вентилятора, сетью воздуховодов связанного с каждой из квартир. Постоянство воздухообмена обеспечивается применением приточных клапанов постоянного расхода, установленных в створках окон, и саморегулирующихся вытяжных клапанов на кухне, в ванной комнате и туалете.

В варианте В используется механическая приточно-вытяжная система вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха для подогрева приточного в пластинчатом теплообменнике. При сравнении также принято условие постоянства воздухообмена.

По критерию качества воздуха вариант А существенно уступает вариантам Б и В. Проветривание осуществляется периодически в течение произвольно выбранного жителями времени, т. е. субъективно и потому далеко не всегда эффективно. В зимний период проветривание связано с необходимостью покидать жителями проветриваемое помещение. Попытки отрегулировать открытие фрамуг для постоянной вентиляции чаще всего приводят к нестабильности работы вентиляции, возникновению сквозняков, температурному дискомфорту. При периодическом проветривании качество воздуха после закрытия форточек ухудшается, и большую часть времени жители проводят в загрязненной воздушной среде (рис. 45).

Рис. 45. Изменение воздухообмена и концентрации вредных веществ при периодическом проветривании помещений:
1 - воздухообмен;
2 - концентрация вредных веществ;
3 - нормативный уровень концентрации вредных веществ

Особый режим вентиляции предусматривается для помещения кухни. При приготовлении пищи в работу включается надплитньгй зонт, оборудованный высокопроизводительным многоскоростным вентилятором. Воздухопроиз-водительность современных надплит-ных зонтов достигает 600-1000 м3/ч, что во много раз превышает показатель расчетного воздухообмена в квартире. Для удаления воздуха от надплитных зонтов, как правило, предусматриваются отдельные воздуховоды, не связанные с системой общеобменной вытяжной вентиляции из кухни. Компенсационный расход приточного воздуха обеспечивается приточным клапаном в стене, открываемым в период работы зонта. Общий вывод по сравниваемым вариантам можно сделать следующий: наибольшей эффективностью по воздушно-тепловому комфорту и экономии тепловой энергии обладает вариант В с утилизацией теплоты вытяжного воздуха; для нормализации акустического режима требуются дополнительные меры по шумозащите вентиляторной установки.

Постоянно работающая вентиляция квартир с использованием приточных клапанов (вариант Б), встроенных в створки окон или наружные стены, при низких температурах наружного воздуха может привести к тепловому дискомфорту, связанному с неравномерным распределением температуры и скорости движения воздуха в помещениях. Несмотря на то что рекомендуется располагать приточные клапаны над или за отопительными приборами, специалисты в Западной Европе ограничивают эффективную область применения таких систем вентиляции районами с температурой наружного воздуха не ниже -10 °С. Наибольший интерес представляет вариант вентиляции В, т. е. механическая приточно-вытяжная вентиляция с утилизацией теплоты удаляемого воздуха в рекуперативных теплообменниках. Именно по этой системе произведено проектирование и строительство экспериментальной системы.

Экспериментальное здание состоит из четырех секций; общее количество квартир - 264. Под зданием размещен гараж-стоянка на 94 автомобиля. На 1-м этаже находятся вспомогательные нежилые помещения, два верхних этажа отведены под спортивно-оздоровительный центр. Жилые квартиры располагаются со 2-го по 16-й этаж. В квартирах свободной планировки от 60 до 200 м2 общей площади предусмотрены, помимо жилых помещений, кухня, ванная комната с санузлом, постирочная, гостевой туалет, кладовые помещения, застекленные лоджии. Здание построено по индивидуальному проекту (архитектор П. П. Пахомов). Конструктивные решения здания представляют собой монолит с эффективным утеплителем с кирпичной облицовкой. Концепция энергосберегающих решений здания разработана под руководством президента Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизики, профессора Ю. А. Табунщикова, архитектурной мастерской «Архитекторы-XXI век», ОАО «ЦНИИПРОМЗДАНИЙ», ООО «НПО “ТЕРМЭК”».

Проектом предусмотрено комплексное решение, в котором функционально связаны энергосберегающие архитектурно-планировочные решения, эффективные ограждающие конструкции и инженерные системы нового поколения.

Конструкции здания имеют высокий уровень теплозащиты. Так, сопротивление теплопередаче стен составляет 3,33 м2 °С/Вт, металлопластиковых окон с двухкамерными стеклопакетами - 0,61 м2*°С/Вт, верхних покрытий - 4,78 м2 °С/Вт, лоджии застеклены солнцезащитными тонированными стеклами.

Внутренние параметры воздуха для холодного периода приняты следующими: – жилые комнаты - 20 °С; – кухня - 18 °С; – ванная - 25 °С; – туалет - 18 °С.

В здании запроектирована горизонтальная поквартирная система отопления с периметральной разводкой трубопроводов по квартире. Металлопластиковые трубы с теплоизоляцией в защитной гофре замоноличены в подготовку «черного» пола. На все здание общей площадью около 44 тыс. м2 в системе отопления жилой части всего четыре пары стояков (подающий и обратный) по числу секций. На каждом этаже в лифтовом холле к стоякам присоединены распределительные коллекторы к квартирам. Коллекторы оборудованы арматурой, балансировочными вентилями и квартирными счетчиками теплоты.

В здании запроектирована и реализована поквартирная регулируемая приточно-вытяжная система вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха.

Компактный приточно-вытяжной агрегат с пластинчатым рекуператором размещен в подшивном потолке гостевого туалета рядом с кухней.

Забор приточного воздуха осуществляется через теплоизолированный воздуховод и отверстие в наружной стене, выходящей на лоджию кухни. Удаляемый воздух забирается из помещения кухни. Вытяжка из туалетов и ванной комнаты не теплоутилизируется, т. к. на момент согласования проекта нормативы запрещали объединять в пределах квартиры в одну вентиляционную сеть вытяжки кухни, ванной комнаты и туалета. В настоящее время согласно «Техническим рекомендациям по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома» это ограничение снято.

В условиях свободной планировки квартир объединение общим горизонтальным вытяжным воздуховодом трех-четырех зон требует специальных архитектурно-планировочных решений, устройства в квартире горизонтальной сети воздуховодов, что трудно осуществимо по конструктивным соображениям.

В отопительный период 2003-2004 годов в 3-комнатной квартире на 12-м этаже были проведены предварительные испытания квартирной системы вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха. Общая площадь квартиры составляет 125 м2. Испытания проводились в квартире без отделки, без межкомнатных перегородок и дверей. Выборочные результаты испытаний приведены в табл. 22. Температура наружного воздуха 4 составляла от +4,1 до -4,5 °С при преимущественно облачной погоде. Температура воздуха в помещении tB поддерживалась квартирной системой отопления со стальными радиаторами, оборудованными термостатическими вентилями, в диапазоне от 22,8 до 23,7 °С. В ходе испытаний с помощью увлажнителей воздуха изменялась относительная влажность воздуха ф от 25 до 45%.

В квартире был установлен рекуперативный теплоутилизатор, максимальной производительностью по приточному воздуху Lnp = 430 м3/ч. Объем удаляемого воздуха Ь„игутл составлял примерно 60-70% от приточного, что обусловлено настройкой аппарата на утилизацию только части удаляемого воздуха.
Аппарат оборудован воздушными фильтрами приточного и вытяжного тракта и двумя электрическими нагревателями. Первый нагреватель номинальной мощностью 0,6 кВт предназначен для защиты вытяжного тракта от замораживания конденсата, который специальной дренажной трубкой через гидрозатвор отводится в канализацию. Второй нагреватель мощностью 1,5 кВт предназначен для догрева приточного воздуха tw до заданного комфортного значения.

Рис. 46. План квартиры с системой вентиляции: 1 – приточно-вытяжная установка с утилизатором; 2 – воздухозабор с лоджии; 3 – вытяжка из кухни; 4 – вытяжка из гостевого туалета; 5 – вытяжка из гардеробной; 6 - вытяжка из ванной; 7 - потолочный перфорированный воздухораспределитель

Для простоты монтажа он также выполнен электрическим.

В процессе испытания проводились измерения температуры и влажности наружного, внутреннего и удаляемого воздуха, расхода приточного и удаляемого воздуха, расхода теплоты квартирной системой отопления Qm по показаниям теплосчетчика, расхода электроэнергии.

Теплоутилизатор оборудован системой автоматики с контроллером и пультом управления. Система автоматики предусматривает включение первого нагревателя при достижении температуры стенки теплообменника ниже +1 °С, второй нагреватель может включаться и отключаться, обеспечивая постоянство заданной температуры приточного воздуха, которая находилась в процессе испытаний в диапазоне от 15 до 18,3 °С. Система управления вентиляторами позволяет выбрать три фиксированных режима расхода воздуха, соответствующих кратности воздухообмена от 0,48 до 1,15 1/ч.

Контроль и задание температуры и расхода воздуха осуществляется с дистанционного проводного пульта управления.

Испытания показали устойчивую работу квартирной системы вентиляции и энергетическую эффективность утилизации теплоты удаляемого воздуха.

Следует отметить ряд особенностей в проведении исследований, которые нельзя не принимать во внимание при оценке показателей воздушно-теплового режима квартиры.

1. В новостройках свежий бетон и раствор выделяют значительное количество влаги в помещения. Период, в течение которого влага в строительных конструкциях приходит в равновесное состояние, достигает 1,5-2 лет. Так, в результате испытаний примерно через полгода после заполнения монолита и укладки стяжки влагосодержание внутреннего воздуха при наличии вентиляции составляло 4-4,5 г/кг сухого воздуха, в то время как влагосодержание наружного воздуха не превышало 1-1,5 г/кг сухого воздуха.

По нашим оценкам, в монолитном здании для приведения конструкций в равновесное влажностное состояние необходимо ассимилировать до 200 кг влаги на каждый кв. метр площади пола. Количество теплоты, необходимое для испарения этой влаги, в начальный период равно 10-15 Вт/м2, а в период испытаний - 5-7 Вт/м2, что составляет значительную часть в тепловом балансе квартиры в холодный период года. Не учитывать этот фактор при осуществлении отопления и вентиляции опрометчиво, особенно в монолитном домостроении.

2. В процессе испытаний отсутствовали так называемые внутренние бытовые тепловыделения, размер которых в нормативах предлагается принимать 10 Вт/м2.
Представляется, что этот показатель должен быть дифференцированным в зависимости от площади квартиры на одного жителя.

В больших квартирах (более 100 м2) с площадью на одного человека 30-50 м2 вероятное значение этого показателя должно снижаться до 5-8 Вт/м2. В противном случае проектная тепловая мощность систем отопления и вентиляции зданий может оказаться заниженной на 10-30%.

Однако более целесообразно во время строительства, в частности зданий с монолитными конструкциями, выделяющими в помещения много влаги, перед сдачей зданий и особенно перед их заселением производить просушку с помощью находящихся в распоряжении строителей мощных электронагревателей. К сожалению, такая просушка до проведения испытаний не производилась.

Как отмечалось, рассматриваемое экспериментальное здание проектировалось и строилось как энергосберегающее. По результатам проведенных испытаний с поправками на прогнозируемые бытовые тепловыделения и теплоту испарения влаги в строительных конструкциях были рассчитаны удельные теплоэнергетические характеристики 3-комнатной квартиры в расчете на 1 м2 площади при поддержании в квартире температуры 20 °С.

Результаты расчетов показали, что после отделки квартир и заселения здания удельный расчетный годовой расход теплоты на отопление и вентиляцию снижается почти вдвое со 132 до 70 кВт ч/(м2 год), а с применением утилизации теплоты до 44 кВт ч/(м2 год).

Дальнейшая эксплуатация здания позволит проверить принятые в предварительных расчетах допущения.

Исследования экспериментальной системы должны охватить все факторы, характеризующие ее работу, в том числе и психологическое отношение жильцов, использующих новые для них устройства.

Электроподогрев воздуха в экспериментальной системе по сравнению с использованием для этой цели теплоты от теплофикации, к которой присоединено здание, экономически неоправдан. Такое решение было принято для удобства эксперимента, в частности, для замеров, касающихся расходов теплоты. Однако, по мнению авторов, со временем человечество начнет переходить на полное электротеплоснабжение жилых городских зданий. Поэтому экспериментальное исследование системы, в которой квартирная вентиляция работает с использованием электровоздухонагревателей, представляет интерес для будущего.