Рекуперация – важный инструмент энергосбережения в системах приточно-вытяжной вентиляции и центрального кондиционирования зданий. Использование рекуператоров само по себе снижает энергопотребление, но не всегда позволяет извлечь максимальный потенциал экономии.
- Как же повысить эффективность рекуперации?
- Можно ли разумно управлять ею? Да, можно.
И чем более интеллектуальна система управления, тем большего энергосбережения можно достичь. В статье представлены популярные и инновационные методы энергоэффективного управления рекуперацией воздуха.
Понятия и определения
Что такое рекуперация тепла? Рекуперация тепла или обратное получение тепла – это процесс теплообмена, при котором тепло забирается от вытягиваемого выбрасываемого воздуха и передается свежему нагнетаемому воздуху, который нагревается. Процесс проходит в рекуперационном теплообменнике таким образом, что выбрасываемый и свежий воздух абсолютно отделены друг от друга, чтобы не произошло их смешивание.
В охлаждаемых помещениях можно использовать рекуперационные теплообменники также обратным способом, то есть для рекуперации холода. При этом подводимому воздуху передается холод от отводимого воздуха.
Важной характеристикой рекуператоров является Коэффициент эффективности рекуперации.
Коэффициент эффективности рекуперации тепла выражает отношение между максимально возможным полученным теплом и теплом, полученным в действительности. Теоретически эффективность может меняться в пределах от 30 до 90 %. Эта характеристика зависит от стоимости, производителя и типа рекуператора.
Типы рекуператоров и их особенности:
Пластинчатые рекуператоры
Удаляемый и приточный воздух проходят с обеих сторон целого ряда пластин. В пластинчатых рекуператорах на пластинах может образовываться некоторое количество конденсата, потому они оборудованы отводами для конденсата. Конденсатосборники имеют водяной затвор, не позволяющий вентилятору захватывать и подавать воду в канал. Из-за выпадения конденсата существует серьезный риск образования льда в холодное время года. Пластинчатые рекуператоры характеризуется высокой эффективностью (50-80%), являются самыми распространенными и относительно дешевыми, широко используются на малых предприятиях, и в небольших зданиях, коттеджах, магазинах.
Роторные рекуператоры
Тепло передается вращающимся между удаляемым и приточным каналами ротором. Это открытая система, и потому здесь велик риск того, что грязь и запахи могут перемещаться из удаляемого воздуха в приточный, однако, некоторые производители утверждают, что в их рекуператорах исключено смешивание. Уровень рекуперации тепла может регулироваться скоростью вращения ротора. Обладают самой высокой эффективностью (75-90%), и соответственно ценой. Преимущественно используются на крупных промышленных предприятиях, цехах, в больших зданиях.
Рекуператоры с промежуточным теплоносителем
Вода или водно-гликолиевый раствор, циркулирует между двух теплообменников, один из которых расположен в вытяжном канале, а другой в приточном. Теплоноситель нагревается удаляемым воздухом, а затем передает тепло приточному воздуху. Теплоноситель циркулирует в замкнутой системе и отсутствует риск передачи загрязнений из удаляемого воздуха в приточный. Передача тепла может регулироваться изменением скорости циркуляции теплоносителя. Эти рекуператоры имеют низкую эффективность (45-60%).Обладая низкой эффективностью, используются в случае, если удаляемый воздух сильно загрязнен или токсичен, когда смешивание недопустимо.
Камерные рекуператоры
Камера разделяется на две части заслонкой.
Удаляемый воздух нагревает одну часть камеры, затем заслонка изменяет направление воздушного потока таким образом, что приточный воздух нагревается от нагретых стенок камеры.
Загрязнение и запахи могут передаваться из удаляемого воздуха в приточный. Характеризуется высокой эффективностью (70-80%).
Тепловые трубы
Данный рекуператор состоит из закрытой системы трубок, заполненных фреоном, который испаряется при нагревании удаляемым воздухом. Когда приточный воздух проходит вдоль трубок, пар конденсируется и вновь превращается в жидкость. Имеет низкую эффективность (50-70%).
Регулирование тепловлажностного режима
В системе кондиционирования воздуха с рекуперацией и увлажнением можно достичь энергосбережения за счет поддержания экономичного тепловлажностного режима. Для этого система автоматизации обеспечивает оптимальный комфорт по температуре и влажности при минимальном энергопотреблении посредством управления рекуператором с учетом фактической потребности.
На диаграмме (рис. 1) наружный воздух перед подачей в помещение либо нагревается, либо охлаждается, в зависимости от наружной температуры, после чего он увлажняется и подается в помещение для поддержания комфортных условий по температуре и влажности. Затем отработанный воздух удаляется из помещения вытяжным вентилятором. Но прежде, чем попасть наружу, он отдает часть своей термальной энергии (тепла или прохлады) потокам приточного воздуха посредством рекуператора. Это позволяет сэкономить энергию в процессе дальнейшей воздухоподготовки.
Но как управлять рекуператором?
Для этого можно изменять степень рекуперации тепла. А разумно ли это? Казалось бы, пусть она будет максимально возможной, определяемой конструкцией и характеристиками рекуператора. Повысить ее вроде бы уже нет возможности, а сознательно понижать нет смысла. Однако это не совсем так. Изменения температуры и относительной влажности всегда находятся в противодействии.
При повышении температуры относительная влажность понижается и наоборот. Поэтому в отдельных случаях можно сознательно снижать степень рекуперации тепла, то есть жертвовать экономией энергии, затрачиваемой после рекуператора на обогрев или охлаждение, но зато выигрывать на экономии энергии, затрачиваемой на увлажнение или осушку воздуха. А в других случаях, возможно, наоборот.
Чему отдать приоритет? Что ценнее?
Это может зависеть от разных обстоятельств:
- – используемого в данный момент источника тепла или холода (теплообменник, котел, тепловой насос, холодильная машина, природный источник и т.д.);
- – времени суток (пониженный или обычный тариф); – и др.
Кроме того, сознательно снижать степень рекуперации тепла бывает необходимо зимой для борьбы с обледенением рекуператора.
Как все это предусмотреть, рассчитать и выбрать оптимальный режим управления?
Это делает специальная программа. В библиотеке стандартных приложений компании «Сименс» имеется программный модуль под индексом {Ahu33}, реализующий функцию Economizer tx2, алгоритм которой обеспечивает процесс воздухоподготовки после рекуператора с минимально возможными затратами энергии на обогрев, охлаждение и поддержание влажности.
В разных рекуператорах управление осуществляется по-разному. Рекуператоры подразделяются по типам, в зависимости от конструкции и принципа действия. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. В зависимости от характеристик и условий использования может применяться тот или иной тип рекуператора.
Рассмотрим три разновидности рекуператоров:
- пластинчатый рекуператор;
- жидкостный рекуператор;
- роторный рекуператор.
Пластинчатый рекуператор:
Пластинчатый рекуператор (рис. 2) – это теплообменник, оснащенный множеством тонких перегородок. Потоки вытяжного и приточного воздуха проходят между перегородками по разные их стороны под прямым углом друг к другу, не пересекаясь и не смешиваясь. При этом они обмениваются термальной энергией.
Эффективность рекуперации тепла выражается коэффициентом возврата Фsu и может колебаться в пределах 45–70%. Определяется по формуле: Фsu = t SU – t OA / t EX – t OA.
Потеря давления воздуха может составлять 150–300 Pa. Зимой потоки вытяжного воздуха, как более влажные, охлаждаются до точки росы и оставляют влагу между перегородками рекуператора.
Это может привести к обледенению, которое снижает эффективность рекуперации и увеличивает потерю давления воздуха, что вызывает увеличение энергопотребления вентиляторов. Для защиты от обледенения используется регулируемый воздушный байпас, как показано на функциональной схеме приточно-вытяжной установки (рис. 3).
Контроллер получает от датчика защиты от обледенения информацию о понижении температуры воздуха до определенного порога, отделяющего от точки росы, и перераспределяет потоки воздуха, открывая воздушную заслонку на байпасе и прикрывая воздушную заслонку в приточном канале, для уменьшения степени охлаждения вытяжного воздуха.
Жидкостный рекуператор
Рекуператор этого типа (рис. 4) применяется, когда приточный и вытяжной воздуховоды разведены по разным этажам и нет возможности свести их в общем рекуператоре. На воздуховодах устанавливаются калориферы. Между ними циркулирует теплоноситель вода-гликоль. Для регулирования степени рекуперации и для защиты от обледенения используется датчик температуры и регулирующий клапан.
Роторный рекуператор
Этот рекуператор (рис. 5) представляет собой вращающийся барабан с множеством вентиляционных каналов ячеистой структуры из тонкой алюминиевой ленты. Вращаясь, барабан подставляет свои воздушные каналы попеременно под струи приточного и вытяжного воздуха.
Преимущества роторных рекуператоров:
- эффективность рекуперации тепла до 85%;
- потеря давления воздуха: 50–100 Pa;
- регулируя скорость вращения ротора, можно регулировать степень рекуперации, а также защищать от обледенения воздушных каналов;
- роторный теплообменник позволяет утилизировать не только тепло, но и влагу путем ее физического переноса.
Степень рекуперации зависит от числа оборотов вращения барабана и от скорости движения воздуха. Утилизация влаги происходит зимой, когда температура вытяжного воздуха в рекуператоре опускается до точки росы.
Вытяжной воздух, выходящий из помещения с комфортными параметрами по температуре и относительной влажности, обозначенными на рис. 6 красной точкой (Extract air), охлаждается в каналах барабана. Его температура падает до точки росы, и водяные пары конденсируются на холодной поверхности перегородок. Затем потоки наружного воздуха, проходя по этим каналам, забирают из них влагу и возвращают в помещение.
В этом случае, помимо утилизации влаги, снижается вероятность обледенения, так как влага удаляется из воздушных каналов, не успев превратиться в лед. Алгоритм экономайзера tx2 Для поддержания в помещении комфортной температуры 20–25°С и комфортной влажности 30–60% алгоритм автоматически определяет экономичные уставки тепловлажностного режима внутри комфортной зоны, ограниченной красными линиями (рис. 7).
Правый верхний угол выводится за пределы комфорта, так как при влагосодержании 11 г возникает легкое ощущение удушья. Рекуператор – первый инструмент изменения параметров наружного воздуха на пути воздухоподготовки.
Показатели воздуха после рекуператора оцениваются программой, и определяется необходимость в дополнительном нагреве или охлаждении, а также в дополнительном увлажнении или осушке. Если температура оказалась в пределах комфортной зоны, а относительная влажность – за ее пределами, то алгоритм программы изменяет скорость вращения барабана так, чтобы ввести относительную влажность в границы комфортной зоны.
При этом температура, скорее всего, выйдет за ее пределы. И наоборот. При обоюдной потребности в изменении температуры и относительной влажности воздуха расставляются приоритеты. Программа определяет оптимальную степень рекуперации, исходя из разной стоимости энергии на обогрев, охлаждение, увлажнение и осушку и координирует ее с работой узлов регулирования для минимального суммарного энергопотребления.
Алгоритм согласует работу узлов обогрева, охлаждения и поддержания влажности, а также скорость вращения барабана, и определяет оптимальную уставку тепловлажностного режима внутри комфортной зоны. Опыт использования функции Economizer tx2 в управлении центральным кондиционированием с рекуперацией и регулированием влажности показал потенциал экономии энергии – 40%.
- Интеллектуальные системы автоматизации приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования воздуха осуществляют взаимодействие с другими инженерными системами с помощью согласованной работы датчиков, исполнительных органов и программного обеспечения, что дополнительно экономит тепловую и электрическую энергию.
Все системы управляются с максимальной эффективностью без ущерба для комфорта пользователей. Такой целостный подход к автоматизации инженерных систем зданий является основополагающим, и Economizer tx2 стоит в одном ряду с другими существующими инновационными методами энергосбережения, имеющимися в распоряжении компании «Сименс» и позволяющими достичь максимальной экономии энергии в системах жизнеобеспечения зданий.
Алгоритм экономайзера tx2
Для поддержания в помещении комфортной температуры 20 ºС ÷ 25ºС и комфортной влажности 30 -60% алгоритм автоматически определяет экономичные уставки температурно – влажностного режима внутри комфортной зоны (ограниченной красными линиями рис.7).