Рекуперация на топлина във вентилационни системи: принцип на работа и варианти на изпълнение

В процеса на вентилиране от помещението се изхвърля не само отработеният въздух, но и част от топлинната енергия. През зимата това води до увеличаване на сметките за енергийни ресурси.

Намаляването на неоправданите разходи, без да се вреди на въздухообмена, ще позволи рекуперация на топлина във вентилационни системи от централизиран и локален тип. За регенериране на топлинната енергия се използват различни видове топлообменници – рекуператори.

В статията са описани подробно моделите на агрегатите, техните конструктивни особености, принципи на работа, предимства и недостатъци. Представената информация ще помогне при избора на оптималния вариант за оборудване на вентилационната система.

Понятие за рекуперация: принцип на работа на топлообменника

В превод от латински, рекуперация означава възстановяване или обратно получаване. По отношение на топлообменните реакции, рекуперацията се характеризира като частично връщане на енергията, изразходвана за извършване на технологично действие с цел използване в същия процес.

В вентилационната система принципът на рекуперация се използва за икономия на топлинна енергия.

По аналогия се осъществява рекуперация на охлаждане в горещо време – топлите приточни маси нагряват извеждания отработен въздух и тяхната температура се понижава.

Процесът на регенериране на енергията се осъществява в рекуперационен топлообменник. Устройството предвижда наличие на топлообменен елемент и вентилатори за прокачване на разнонаправени въздушни потоци. За управление на процеса и контрол на качеството на подавания въздух се използва автоматична система.

Конструкцията е разработена така, че приточните и изсмукваните потоци да се намират в отделни отделения и да не се смесват – оползотворяването на топлината се осъществява през стените на топлообменника.

Да разберете какво представлява вентилация с рекуперация ще ви помогне нагледна схема на циркулация на въздуха.

През аспирациите във влажните помещения (тоалетна, баня, кухня) се осъществява отток на отработения въздух. Преди да излезе навън, той преминава през рекуператора и оставя част от топлината. Подаваният въздух се движи в насрещна посока, нагрява се и постъпва в жилищните стаи (+).

Целесъобразност на рекуператора във вентилацията

Да се говори за целесъобразността на изграждане на рекуперативна вентилация е възможно, след като се оцени ефективността на системата и се съпоставят нейните предимства с недостатъците.

От отработения изсмукван навън въздух се взема част от топлината и се предава на нагнетяваните свежи струи, насочени навътре в помещението. Това позволява да се намалят топлинните загуби до 70% (+).

Необходимостта от използване на рекуперация на топлина е най-актуална в сгради с принудително отвеждане на въздуха. Като правило това са малоинерционни постройки, издигнати с използване на иновативни топлоизолационни технологии (къщи от сандвич панели, газосиликатни плочи, пеноблокове).

В такива постройки стените трудно акумулират топлина, а естественият въздухообмен е малоефективен.

Проблемите с циркулацията на въздуха обаче са характерни и за „традиционните“ сгради от тухла и бетон. Наличието на херметични топло- и звукоизолиращи PVC-прозорци блокира циркулацията с естествено подбуждане – притокът на свеж въздух спира, а течението във вентилационния канал се обръща или клони към нула.

Решението на проблема с „европрозорците“ – организиране на принудителна вентилация. Системата възстановява въздухообмена, но топлинните загуби се увеличават до 60%. И тук вече не може без топлинна рекуперация.

Ефективността на обменния процес се изразява в проценти и показва количеството използвана топлина от отработения въздух за затопляне на пресния „приточен“ въздух.

Показател за КПД на вентилационна рекуперация на топлина:

• 0% – отворен прозорец – топлият въздух се отвежда в атмосферата, а студеният влиза вътре, понижавайки температурата в помещението;
• 100% – приточният въздух се загрява до температурата на „отработения“ въздух – технически невъзможно за реализиране;
• 30-90% – допустим параметър, за добра се смята рекуперация с ефективност 60% и повече, КПД над 80% – отличен топлообмен.

Ефективността на системата зависи от вида на рекуператора, размерите на помещението и разхода на въздух. Във всеки случай използването на рекуперационна вентилация дори с КПД от 30% е по-изгодно от липсата ѝ. Освен значителни икономии на енергия, „регенерирането“ на топлината подобрява общия микроклимат в помещението.

Недостатъци на използването на топлообменник:

1. Енергозависимост. Покупката на климатично оборудване е оправдана, ако потреблението на електроенергия е значително по-малко от икономията ѝ след инсталиране на рекуператора.
2. Отделяне на конденз. Поради разликата в температурите по стените на топлообменника може да кондензира влага. През зимата има вероятност от заледяване, което води до бързо намаляване на КПД или до излизане от строя на рекуператора.
3. Шумна работа. Някои модели по време на експлоатация издават бръмчене. Ако през деня този недостатък не се усеща особено, то през нощта шумът създава дискомфорт. Рекуператорите с подобрена изолация работят тихо.

Високите първоначални инвестиции често се превръщат в основен аргумент срещу енергийно ефективната вентилация.

Целесъобразно е да влагате пари в онази система, която ще се изплати в рамките на 5-8 години. Трябва да се има предвид, че за обслужване на комплекса ще трябва да поемете допълнителни разходи, например периодична смяна на вентилатори.

Особености на различните видове топлообменници

Конструкцията на рекуператора определя схемата на движение на топлоносителя, ефективността на вентилационната система, класа на енергопотребление и цената на оборудването. Прилагат се пет варианта на топлообменници: пластинчат, роторен, топлинни тръби, камерни устройства и модели с междинен топлоносител.

Пластинчат рекуператор – простота на конструкцията

Основата на топлообменника е херметична камера с множество успоредни въздуховоди. Каналите са разделени от прегради – топлопроводящи плочи, изработени от стомана или алуминий.

Вълнообразни плочи (60-70 броя) са групирани в един блок така, че образуваните канали да бъдат разположени кръстосано един спрямо друг – създадената турбулентност подобрява топлообмена (+)

Потоците газове се движат един срещу друг, пресичат се в касетата на рекуператора, но не се смесват. Топлообменът се осъществява чрез едновременно охлаждане и нагряване на плочките от различни страни.

Предимства на кръстосания топлообменник:

• простота на монтаж и настройка на оборудването;
• изключване на контакта между въздушните маси;
• достъпна цена и компактни размери;
• липса на триещи се и подвижни части.

Показателят на ефективност варира в диапазона 40-70%.

Основният недостатък на пластинчатия модел е утаяване на кондензат в изпускателния канал и образуване на скреж през зимата. За размразяване на агрегата входящата струя се пренасочва в обход на топлообменника, а топлият изходящ поток разтопява леда върху плочите.

В режим «размразяване» икономия на енергия не се получава, за подгряване на постъпващия въздух се използват калорифери с мощност до 5 кВт. Средната стойност на КПД спада с 20% (+)

Възможни са два пътя за решаване на проблема:

1. Предварително подгряване на постъпващия въздушен поток до температура, при която образуването на скреж е изключено.
2. Рекуператор с плочи от хигроскопична целулоза. Материалът абсорбира влага от отработените въздушни маси и я предава на новопостъпващите потоци.

При избор на кръстосан топлообменник трябва да се вземат предвид експлоатационните особености на плочите.

Техните характеристики зависят от материала на изработка:

1. Алуминиево фолио – достъпна цена, но ограничена производителност през зимата. Освен това, не се препоръчва за жилищни помещения поради изсушаване на въздуха. Модификациите с алуминиев «пълнеж» – оптимален вариант за бани и басейни.
2. Пластмасови прегради – по цена са аналогични на металните изделия, но се отличават с подобрена ефективност на работа.
3. Целулозен топлообменник – предотвратява замръзване и поддържа нормално съдържание на влага вътре в помещението.

Хигроцелулозният рекуператор е най-икономичен и оптимален за вентилация на жилищни сгради.

Роторен рекуператор – висока ефективност на системата

Топлообменникът е представен като цилиндър, запълнен със слоеве от гофриран метал. При въртене на барабанната уредба във всяко отделение последователно постъпват топли или студени въздушни потоци.

Конструкция на роторния рекуператор: вал на въртене и два въздушни канала. Една част на ротора се нагрява от „отработения“ въздух, барабанът се завърта и топлината се пренасочва към студените маси, съсредоточени в съседния канал (+)

КПД на топлообмена се определя от скоростта на въртене на ротора, ефективността на работа може да се регулира.

Аргументи „за“ роторния рекуператор:

• връщане на топлина до 65-90%;
• икономичност на разхода на електроенергия;
• частично възстановяване на влагата – може да се мине без овлажнител;
• период на изплащане – до 4 години.

Въпреки високата ефективност, топлообменникът от барабанен тип не стана лидер сред аналогичните инсталации.

Недостатъци на вентилационната система:

1. Примесване на замърсен въздух в притока. През микроканалите последователно циркулират изходящи и приточни маси, поради което около 3-8% от „отработения“ въздух се връщат обратно. Барабанът често предава миризмата на изходящия въздух.
2. Сложност на конструкцията. Въртящите се части на ротора се нуждаят от редовна поддръжка и периодична смяна. Движещите се елементи по време на работа издават шум и вибрации.
3. Висока цена. Цената на роторните модели е по-висока от тази на плочестите изделия. Това се дължи на използването на сложна механика в конструкцията на барабанния топлообменник.
4. Големи размери. Монтажът се извършва в просторна вентилационна камера.

Поради обемистостта си роторните инсталации се използват предимно в промишлени предприятия.

За минимизиране на смесването на въздушните потоци роторните рекуператори се допълват с междинни сектори – тук микроканалите се продухват със свеж въздух, който постъпва обратно в изсмукването. Недостатък на схемата – намаляване на КПД (+)

Свързани топлообменници – гликолов модел

Рекуперационната инсталация с междинен топлоносител поради конструктивни особености често се нарича свързани топлообменници или гликолен агрегат. Това е една от най-гъвкавите системи за оползотворяване на топлина. Единият топлообменник се вгражда в приточния канал, а вторият – в изходящия канал.

В схемата на свързване присъстват: циркулационна помпа, разширителен съд, въздушен клапан, контролер, температурен датчик, предпазен клапан, индикатор за налягане (+)

Принцип на работа. Гликолният състав циркулира между топлообменниците. Температурата на топлоносителя се повишава благодарение на загрятия отстраняван поток, а след това топлинната енергия се предава на свежия въздух. Затворената система изключва смесването на срещуположните въздушни маси.

Особености на работата на топлообменниците с топлоносител:

• КПД – 45-55%;
• регулиране на ефективността с помощта на помпа – избира се скоростта на движение на антифриза;
• възможност за разполагане на приточно-изпускателни въздуховоди отдалечени един от друг (до 800 м);
• монтажът на рекуператора се извършва вертикално или хоризонтално;
• при силен студ повърхността на изпускателния топлообменник замръзва – появява се лед; използването на антифриз позволява експлоатацията на рекуператора, без да се прибягва до размразяване;
• срок на изплащане на системата – до 2 години;
• допустима е комбинация от 1 изпускане и няколко притока или обратно.

Обемът на отстранявания и постъпващия въздух трябва да бъде приблизително равен. Такива рекуператори обикновено се използват, ако притокът е токсичен или силно замърсен, когато смесването на потоците е недопустимо.

Камерен възел – универсалност на приложение

Конструктивно, камерният топлообменник представлява затворена кутия, разделена отвътре от подвижна преграда. Отварящата се преграда определя схемата на работа на рекуператора.

Оттокът преминава по протежение на един канал, а притокът постъпва във втората камера. В топлообменника топлите маси нагряват стените на първото отделение. След време преградата се премества и въздушният поток променя посоката.

В резултат – притокът се движи по протежение на топлите стени на първия въздуховод, а „отработката“ нагрява повърхността на втората камера. В определен момент преградата се връща обратно и цикълът се повтаря.

Предимства на камерния топлообменен възел:

• КПД – 80-90%;
• в комбинация с качествена топлоизолация разходите за отопление се свеждат до минимум;
• простота на монтажа – помощта на специалисти ще е необходима при избора на параметри на вентилационната инсталация;
• запазване на нивото на влажност;
• изключено е замръзване на системата.

Камерният рекуператор е отличен вариант за региони, където през годината дълъг период се наблюдава съществен дисбаланс между температурата вътре в помещението и навън.

Към недостатъците на възела за регенерация на топлина се отнасят:

• необходимост от редовна техническа поддръжка на подвижните елементи;
• срещуположните въздушни струи частично се смесват – миризми и примеси могат да постъпват обратно в сградата.

За намаляване на примесването системата се комплектова с филтриращ елемент. Въздухът става по-чист, но ефективността на рекуператора пада.

Топлинни тръби – затворена система за топлообмен

Рекуператорът се състои от множество медни или алуминиеви тръби, пълни с лекоизпаряващо се вещество, например фреон. Принципът на функциониране на тръбния топлообменник се основава на физичните процеси – промяна на състоянието на веществото при нагряване.

Термотръбата се разполага вертикално – долният край на топлообменника е в изпускателния канал, а горният – в приточния въздуховод. Изходящите потоци обикалят края на тръбата – фреонът се нагрява, кипва и се изпарява (+)

Газът се издига и отдава топлинна енергия на притока, след което фреонът се кондензира и се стича надолу в рекуператора. Термичният цикъл се повтаря в кръг.

Технико-експлоатационни характеристики на тръбния топлообменник:

• ефективност на устройството – до 65%;
• безшумна работа поради липса на движещи се елементи;
• простота на конструкцията и непретенциозност в поддръжката;
• компактност – малки размери и незначително тегло;
• енергийна независимост – топлоносителят циркулира по естествен път;

Съществено предимство е, че въздушните потоци на притока и обратката не се смесват.

Слаби страни на топлинните тръби:

• високо ниво на КПД се постига в тесен температурен диапазон – при рязко прегряване целият фреон се изпарява, а при недостатъчно нагряване интензивността на парообразуване се забавя;
• невисока здравина на тръбите – промяна на формата или разхерметизация намалява работоспособността на оборудването.

Тръбните рекуператори се прилагат в частното строителство, в административни, офисни сгради и малки промишлени площи.

Начини за организиране на рекуперативна вентилация

Рекуперацията се организира по един от начините: централизирано и децентрализирано. В първия случай през топлообменника преминават вентилационни потоци от цялото помещение, във втория – от една стая.

Централизиран комплекс – приточно-изпускателна инсталация

Централизираната система се инсталира на етапа на строителството или основен ремонт на вентилационната система.

Избира се принудителна приточно-изпускателна инсталация (ПВИ) с вграден рекуператор. Основен критерий за избор е общата производителност на комплекса, изчислена за целия обем въздух в сградата (+)

ПВИ с рекуператор осигурява достатъчен въздухообмен дори в домове с херметични прозорци. При това въздушните потоци се разпределят равномерно, без да създават течения.

Комплексните приточно-изпускателни инсталации от моноблоков тип са оборудвани с:

• вентилатори – денонощно подаване на чист въздух и отвеждане на потоци, наситени с въглероден диоксид;
• нагреватели – предварително подгряване на притока;
• филтри – задържат прах и микрочастици;
• рекуператор – могат да се използват различни типове инсталации.

Функционалността на някои ПВИ е разширена с таймер за забавяне на работата, регулатор на мощността, сензори за ниво на влажност и др.

Корпусът на моноблоковите модели е покрит с шумопоглъщащ материал, благодарение на което работата на вентилационната уредба става много тиха. Възможни са вертикални, хоризонтални и окачени варианти на изпълнение на вентилационните уредби.

Добре са се доказали рекуперационните моноблокови вентилационни уредби на производителите: „Вентс“ (Украйна), Dantherm (Дания), „Daikin“ (Япония), „Dantex“ (Англия).

Локални агрегати – допълнение към действащата вентилационна система

За възстановяване на циркулацията на въздушни маси в експлоатирано помещение подходящи са децентрализирани приточници с рекуперация на топлина.

Те се врязват в фасадата на сградата или се монтират през прозорец. Основната им задача е подобряване на приточната вентилация в дома.

В локалните рекуператори са предвидени вентилатор и пластинчат топлообменник. „Ръкавът“ на приточника е изолиран с шумопоглъщащ материал. Блокът за управление на компактните вентилационни уредби се разполага на вътрешната стена.

Особености на децентрализираните вентилационни системи с рекуперация:

• КПД – 60-96%;
• невисока производителност – устройствата са проектирани за осигуряване на въздухообмен в помещения до 20-35 кв.м;
• достъпна цена и широк избор на агрегати, вариращи от обикновени стенни клапани до автоматизирани модели с многостепенна система за филтрация и възможност за регулиране на влажността;
• простота на монтаж – за въвеждане в експлоатация не се изисква полагане на въздуховоди, стенният клапан може да се монтира самостоятелно.

Популярни производители на локални рекуператори: Prana (Украйна), O.Erre (Италия), Blizzard (Германия), Вентс (Украйна), Aerovital (Германия).

Важни критерии за избор на стенен приточник: допустима дебелина на стената, производителност, КПД на рекуператора, диаметър на въздушния канал и температура на преместваната среда.

Изводи и полезно видео по темата

Сравнение на работата на естествената вентилация и принудителната система с рекуперация:

Принцип на функциониране на централизиран рекуператор, изчисляване на КПД:

Устройство и ред на работа на децентрализиран топлообменник на примера на стенния клапан Prana:

През вентилационната система от помещението излиза около 25-35% от топлината. За намаляване на загубите и ефективно оползотворяване на топлината се използват рекуператори. Климатичното оборудване позволява да се използва енергията на отработените маси за нагряване на постъпващия въздух.

Имате ли какво да добавите или възникнаха въпроси относно работата на различни вентилационни рекуператори? Моля, оставете коментари към публикацията и споделете опита си от експлоатацията на такива устройства. Формата за връзка се намира в долния блок.