Приточно-смукателна вентилация с рекуперация на топлина: принцип на действие, преглед на предимства и недостатъци

Постъпването на свеж въздух през студения период налага необходимостта от неговото нагряване, за да се осигури правилен микроклимат в помещенията. За минимизиране на разходите за електроенергия може да се използва приточно-смукателна вентилация с рекуперация на топлина.

Разбирането на принципите на нейната работа ще позволи максимално ефективно да се намалят топлинните загуби, като се запази достатъчен обем на заместващия въздух. Нека се опитаме да разберем този въпрос.

Енергоспестяване във вентилационните системи

През есенно-пролетния период при вентилиране на помещенията сериозен проблем е голямата разлика в температурите на постъпващия и намиращия се вътре въздух. Студеният поток се устремява надолу и създава неблагоприятен микроклимат в жилищни сгради, офиси и производствени помещения или недопустим вертикален температурен градиент в склада.

Често срещано решение на проблема е интегрирането на калорифер в приточната вентилация, чрез който се извършва нагряване на потока. Такава система изисква разходи за електроенергия, докато значителен обем топъл въздух, излизащ навън, води до съществени топлинни загуби.

Излизането на въздух навън с интензивна пара служи като индикатор за значителни топлинни загуби, които могат да се използват за отопление на входящия поток

Ако каналите за приток и отвеждане на въздуха са разположени наблизо, тогава може частично да се предаде топлината от изходящия поток на входящия. Това ще позволи да се намали консумацията на електроенергия от калорифера или изобщо да се откажем от него. Устройството за осигуряване на топлообмен между разнотемпературни потоци газове се нарича рекуператор.

През топлия сезон, когато температурата на външния въздух значително надвишава стайната, може да се използва рекуператор за охлаждане на входящия поток.

Устройство на блока с рекуператор

Вътрешното устройство на системите за приточно-смукателна вентилация с интегриран рекуператор е достатъчно просто, поради което е възможно самостоятелното им закупуване на елементи и монтаж. В случай че сглобяването или самостоятелният монтаж създава затруднения, могат да се закупят готови решения под формата на типово изпълнение моноблочни или индивидуални сглобяеми конструкции по поръчка.

Типовата схема на устройството на приточно-изпускателна вентилационна система с разположен в един корпус рекуператор може да бъде допълнена с други възли по преценка на потребителя

Основни елементи и техните параметри

Корпусът с топло- и шумоизолация се изработва обикновено от листова стомана. В случай на стенен монтаж той трябва да издържа на налягането, което възниква при запенване на процепите около блока, а също така да не допуска вибрация от работата на вентилаторите.

В случай на разпределен взимане и подаване на въздух в различни помещения към корпуса се присъединява система от въздуховоди. Тя се оборудва с клапани и заслонки за разпределение на потоците.

При липса на въздуховоди, на приточния отвор от страната на помещението се монтира решетка или дифузьор за разпределение на въздушния поток. На приточния отвор от страната на улицата се монтира въздухозаборна решетка от външен тип, за да се избегне попадането на птици, едри насекоми и отпадъци във вентилационната система.

Движението на въздуха се осигурява от два вентилатора от аксиален или центробежен тип. При наличие на рекуператор естествената циркулация на въздуха в достатъчен обем е невъзможна поради аеродинамичното съпротивление, създавано от този възел.

Наличието на рекуператор предполага инсталиране на филтри за фино почистване на входа на двата потока. Това е необходимо за намаляване на интензивността на запушване с прах и мастни отлагания на фините канали на топлообменника. В противен случай, за пълноценното функциониране на системата ще трябва да се увеличи честотата на провеждане на профилактични работи.

Филтрите за фино почистване трябва периодично да се сменят или чистят. В противен случай увеличеното съпротивление на въздушния поток ще стане причина за повреда на вентилаторите.

Един или няколко рекуператора заемат основния обем на приточно-изпускателното устройство. Те се монтират в центъра на конструкцията.

В случай на типични за територията силни студове и недостатъчна ефективност на рекуператора за загряване на външния въздух, може допълнително да се инсталира калорифер. Също така при необходимост се монтират овлажнител, йонизатор и други устройства за създаване на благоприятен микроклимат в помещението.

Съвременните модели предвиждат наличие на електронен блок за управление. Сложните модификации имат функции за програмиране на режими на работа в зависимост от физическите параметри на въздушната среда. Външните панели имат привлекателен вид, благодарение на което могат добре да се впишат във всеки интериор на помещението.

Решение на проблема с образуването на конденз

Охлаждането на постъпващия от помещението въздух създава предпоставки за отделяне на влагата и образуване на конденз. При висока скорост на потока голяма част от него не успява да се натрупа в рекуператора и излиза навън. При бавно движение на въздуха значителна част от водата остава вътре в устройството. Затова е необходимо да се осигури събиране на влагата и извеждането ѝ извън корпуса на приточно-изпускателната система.

Елементарно устройство за събиране и отвеждане на кондензата е тава, разположена под рекуператора с наклон към дренажния отвор

Извеждането на влагата се извършва в затворен съд. Той се поставя само вътре в помещението, за да се избегне замръзване на отточните канали при минусови температури. Няма надежден алгоритъм за изчисляване на обема на получената вода при използване на системи с рекуператор, поради което той се определя експериментално.

Повторното използване на кондензата за овлажняване на въздуха е нежелателно, тъй като водата попива много замърсители, като човешка пот, миризми и т.н.

Значително намаляване на обема на кондензата и избягване на проблемите, свързани с появата му, може да се постигне чрез организиране на отделна изпускателна система от банята и кухнята. Именно в тези помещения въздухът има най-голяма влажност. При наличие на няколко изпускателни системи въздухообменът между техническата и жилищната зона трябва да се ограничи чрез инсталиране на възвратни клапи.

В случай на охлаждане на изходящия въздушен поток до отрицателни температури вътре в рекуператора става преход на кондензата в лед, което води до намаляване на живото сечение на потока и, като следствие, до намаляване на обема или пълно спиране на вентилацията.

За периодично или еднократно размразяване на рекуператора се инсталира байпас – обходен канал за движение на приточния въздух. При преминаване на потока в обход на устройството настъпва спиране на топлоотдаването, нагряване на топлообменника и преход на леда в течно състояние. Водата се стича в съда за събиране на кондензат или се изпарява навън.

Принципът на устройството на байпаса е несложен, поради което при риск от образуване на лед е целесъобразно да се предвиди такова решение, тъй като затоплянето на рекуператора по други начини е сложно и продължително.

При преминаване на потока през байпаса липсва нагряване на приточния въздух посредством рекуператора. Поради това при активиране на този режим е необходимо автоматично включване на калорифера.

Особености на различните видове рекуператори

Съществуват няколко конструктивно различни варианта за реализиране на топлообмен между студен и топъл въздушен поток. Всеки от тях има свои отличителни особености, които определят основното предназначение за всеки тип рекуператор.

Пластинчат кръстосанотоков рекуператор

В основата на конструкцията на пластинчатия рекуператор стоят тънкостенни панели, свързани последователно така, че да редуват преминаването на разнотемпературни потоци под ъгъл от 90 градуса. Една от модификациите на този модел е устройство с оребрени канали за преминаване на въздуха. То притежава по-висок коефициент на топлообмен.

Последователното преминаване на топлия и студения въздушен поток през плочите се осъществява чрез огъване на ръбовете на плочите и уплътняване на съединенията с полиестерна смола

Топлообменните панели могат да бъдат изработени от различни материали:

• мед, месинг и алуминиеви сплави притежават добра топлопроводимост и не са податливи на ръждясване;
• пластмаса от полимерен хидрофобен материал с висок коефициент на топлопроводимост има малко тегло;
• хигроскопичната целулоза позволява на кондензата да проникне през плочата и да попадне обратно в помещението.

Недостатък е възможността за образуване на кондензат при ниски температури. Поради малкото разстояние между плочите, влагата или ледът значително увеличават аеродинамичното съпротивление. В случай на замръзване е необходимо да се затвори входящият въздушен поток за размразяване на плочите.

Предимствата на пластинчатите рекуператори са следните:

• ниска цена;
• дълъг експлоатационен срок;
• дълъг период между профилактичните обслужвания и лекотата на провеждането му;
• малки размери и тегло.

Този тип рекуператор е най-разпространен за жилищни и офис помещения. Използва се и в някои технологични процеси, например за оптимизиране на изгарянето на гориво при работа на пещи.

Барабанен или роторен тип

Принципът на действие на роторния рекуператор се основава на въртенето на топлообменника, вътре в който са разположени слоеве от гофриран метал с висок топлинен капацитет. В резултат на взаимодействие с изходящия поток, секторът на барабана се нагрява, а след това отдава топлина на входящия въздух.

Мелкорешетъчният топлообменник на роторния рекуператор е податлив на запушване, поради което трябва да се обърне особено внимание на качествената работа на филтрите за фино почистване

Предимствата на роторните рекуператори са следните:

• достатъчно висока ефективност в сравнение с конкурентните типове;
• връщане на голямо количество влага, която под формата на кондензат остава върху барабана и се изпарява при контакт с постъпващия сух въздух.

Този тип рекуператор се използва по-рядко за жилищни сгради при апартаментна или вилна вентилация. Често се прилага в големи котелни за връщане на топлина към пещите или за обширни помещения с промишлено или търговско-развлекателно предназначение.

Въпреки това, този тип устройства има съществени недостатъци:

• относително сложна конструкция с наличие на подвижни части, включваща електродвигател, барабан и ремъчно задвижване, което изисква постоянна поддръжка;
• повишено ниво на шум.

Понякога за устройства от този тип може да се срещне терминът “регенеративен топлообменник”, което е по-правилно от “рекуператор”. Работата е там, че незначителна част от изходящия въздух се връща обратно поради неплътно прилепване на барабана към корпуса на конструкцията.

Това налага допълнителни ограничения върху възможността за използване на устройства от този тип. Например, като топлоносител не може да се използва замърсен въздух от отоплителни пещи.

Система на базата на тръби и кожух

Рекуператорът от тръбен тип се състои от разположени в изолиран кожух система от тънкостенни тръби с малък диаметър, през които се осъществява приток на външен въздух. През кожуха се извършва извеждане на топла въздушна маса от помещението, която загрява входящия поток.

Извеждането на топлия въздух трябва да се осъществява именно през кожуха, а не през системата от тръби, тъй като отстраняването на кондензат от тях е невъзможно.

Основните предимства на тръбните рекуператори са следните:

• висока ефективност (КПД), благодарение на противоточния принцип на движение на топлоносителя и постъпващия въздух;
• простота на конструкцията и липса на подвижни части осигурява ниско ниво на шум и рядко възникваща необходимост от поддръжка;
• дълъг експлоатационен срок;
• най-малкото сечение сред всички типове устройства за рекуперация.

Тръбите за устройство от този тип са или от леки метални сплави, или, по-рядко, – от полимерни материали. Тези материали не са хигроскопични, поради което при значителна температурна разлика на потоците е възможно образуване на интензивен кондензат в кожуха, което изисква конструктивно решение за отстраняването му. Друг недостатък е, че металният пълнеж има значително тегло, въпреки малките размери.

Простотата на конструкцията на тръбния рекуператор прави този тип устройства популярни за самостоятелно изработване. Като външен кожух обикновено се използват пластмасови тръби за въздуховоди, изолирани с пенополиуретанова обвивка.

Устройство с междинен топлоносител

Понякога приточният и изпускателният въздуховод са разположени на известно разстояние един от друг. Такава ситуация може да възникне поради технологични особености на сградата или санитарни изисквания за надеждно разделяне на въздушните потоци.

В този случай се използва междинен топлоносител, който циркулира между въздуховодите по изолиран тръбопровод. Като среда за пренос на топлинна енергия се използва вода или водно-гликолов разтвор, чиято циркулация се осигурява от работата на термопомпа.

Рекуператорът с междинен топлоносител представлява обемисто и скъпо устройство, чието използване е икономически оправдано за помещения с големи площи

В случай че има възможност да се използва друг тип рекуператор, е по-добре да не се прилага система с междинен топлоносител, тъй като тя притежава следните съществени недостатъци:

• нисък КПД в сравнение с други типове устройства, поради което за малки помещения с малък въздушен дебит такива устройства не се прилагат;
• значителен обем и тегло на цялата система;
• необходимост от допълнителна електрическа помпа за циркулация на течността;
• повишен шум от работата на помпата.

Съществува модификация на тази система, при която вместо принудителна циркулация на топлообменната течност се използва среда с ниска точка на кипене, например фреон. В този случай движението по контура е възможно по естествен начин, но само ако захранващият въздуховод е разположен над изходящия.

Такава система не изисква допълнителни разходи на електроенергия, но работи за отопление само при значителна температурна разлика. Освен това е необходима точна настройка на точката на промяна на агрегатното състояние на топлообменната течност, която може да бъде реализирана чрез създаване на необходимото налягане или определен химичен състав.

Основни технически параметри

Познавайки необходимия дебит на вентилационната система и КПД на топлообмена на рекуператора, лесно може да се изчисли икономията от отоплението на въздуха за помещение при конкретни климатични условия. След като се сравни потенциалната изгода с разходите за закупуване и обслужване на системата, може обосновано да се направи избор в полза на рекуператора или стандартен калорифер.

Често производителите на оборудване предлагат моделна гама, в която вентилационните блокове с подобна функционалност се различават по обем на въздухообмена. За жилищни помещения този параметър трябва да се изчислява съгласно таблица 9.1. от СП 54.13330.2016

Коефициент на полезно действие

Под коефициент на полезно действие на рекуператора се разбира ефективността на топлопреминаване, която се изчислява по следната формула:

K = (Т_п – Т_н) / (Т_в – Т_н)

В която:

• Т_п – температура на постъпващия въздух в помещението;
• Т_н – температура на външния въздух;
• Т_в – температура на въздуха в помещението.

Максималната стойност на КПД при нормална скорост на въздушния поток и определен температурен режим се посочва в техническата документация на устройството. Реалният му показател ще бъде малко по-нисък.

В случай на самостоятелно изработване на пластинчат или тръбен рекуператор, за постигане на максимална ефективност на топлопредаване е необходимо да се спазват следните правила:

• Най-добър топлообмен осигуряват противоточните устройства, след това кръстосаноточните, а най-малък – тези с еднопосочно движение на двата потока.
• Интензивността на топлообмена зависи от материала и дебелината на стените, разделящи потоците, както и от продължителността на престоя на въздуха вътре в устройството.

Познавайки КПД на рекуператора, може да се изчисли неговата енергийна ефективност при различни температури на външния и вътрешния въздух:

Е (W) = 0,36 x Р x К x (Т_в – Т_н)

където Р (m³/h) – разход на въздух.

Изчисляването на ефективността на рекуператора в паричен еквивалент и сравнението с разходите за неговото закупуване и монтаж за двуетажна къща с обща площ 270 m² показва целесъобразността от инсталиране на такава система.

Цената на рекуператорите с висок КПД е доста висока, те имат сложна конструкция и значителни размери. Понякога тези проблеми могат да бъдат заобиколени чрез инсталиране на няколко по-прости устройства по такъв начин, че постъпващият въздух да преминава последователно през тях.

Производителност на вентилационната система

Обемът на преминаващия въздух се определя от статичното налягане, което зависи от мощността на вентилатора и основните възли, създаващи аеродинамично съпротивление. По правило точното му изчисление е невъзможно поради сложността на математическия модел, поради което за типичните моноблокови конструкции се провеждат експериментални изследвания, а за индивидуалните устройства се осъществява подбор на компоненти.

Мощността на вентилатора трябва да се избира, като се вземе предвид пропускателната способност на инсталираните рекуператори от всякакъв тип, която в техническата документация е посочена като препоръчителна скорост на потока или обем на въздуха, преминаващ през устройството за единица време. По правило допустимата скорост на въздуха вътре в устройството не надвишава стойността 2 m/s.

В противен случай при високи скорости в тесните елементи на рекуператора настъпва рязко нарастване на аеродинамичното съпротивление. Това води до излишни разходи за електроенергия, неефективно затопляне на външния въздух и намаляване на експлоатационния живот на вентилаторите.

Графика на зависимостта на загубата на налягане от скоростта на въздушния поток за няколко модела високопроизводителни рекуператори показва нелинейно нарастване на съпротивлението, поради което е необходимо да се спазват изискванията за препоръчителния обем на въздухообмен, посочени в техническата документация на устройството.

Промяната на посоката на въздушния поток създава допълнително аеродинамично съпротивление. Поради това при моделирането на геометрията на въздуховода в помещението е желателно да се минимизира броят на завоите на тръбите на 90 градуса. Дифузорите за разсейване на въздуха също увеличават съпротивлението, поради което е желателно да не се използват елементи със сложен модел.

Замърсените филтри и решетки създават значителни пречки пред движението на потока, поради което те трябва периодично да се почистват или сменят. Един от ефективните начини за оценка на запушването е инсталирането на сензори, които следят разликата в налягането на участъците преди и след филтъра.

Изводи и полезно видео по темата

Принцип на работа на роторния и пластинчатия рекуператор:

Измерване на КПД на пластинчат рекуператор:

Битови и промишлени вентилационни системи с интегриран рекуператор доказаха своята енергийна ефективност за запазване на топлината в помещенията. В момента съществуват множество предложения за продажба и монтаж на такива устройства както под формата на готови и изпитани модели, така и по индивидуална поръчка. Възможно е самостоятелно да се извърши изчисляването на необходимите параметри и монтажа.

Ако при запознаване с информацията са възникнали въпроси или сте открили неточности в нашия материал, моля, оставете вашите коментари в разположения по-долу блок.