Впровадження вентиляції з рекуперацією тепла в школі

М. Кордюков

Після перемоги України у війні гостро постане питання відновлення зруйнованої інфраструктури. Школи та дитячі дошкільні заклади мають бути у пріоритеті – в них зростатиме майбутнє України. Бажано, щоб інженерна начинка будівель не просто забезпечувала сьогоднішні нормативні вимоги, а й лишалася актуальною в подальшому протягом 25-30 років. І дуже бажано, щоб ця начинка була інноваційною. У цій статті пропонується концепція енергоефективної вентиляції для шкіл, адаптованої до південного клімату України

Концепція системи вентиляції

У південному регіоні України – умовно називатимемо його Одеса – період низьких температур досить невеликий, похолодання трапляються, але на нетривалий нічний час, коли школи не працюють.

Концепція цього проекту полягає в тому, щоб використовувати технологію HRV рекуперації, в якій при зовнішніх температурах поблизу 0°С та високій вологості всередині приміщення значна частина (стандартно близько 30%, на деяких режимах – до 50%) тепла рекуперації утворюється за рахунок конденсації парів води, що містяться у витяжному повітрі. Волога в шкільний клас надходить від дихання учнів – 25 осіб у приміщенні видихають ~1875 г вологи на годину.

Для здешевлення будівельної частини проекту передбачається, що припливно-витяжна установка буде знаходитись у кожному класі автономно, але керування всіма установками здійснюватиметься дистанційно – з диспетчерської за допомогою технології ModBus. Режим керування може бути ручним або за таймером. Використання в якості керуючого елемента сенсора концентрації СО₂ є безсенсовним, оскільки при роботі вентиляційної системи розрахункові параметри мікроклімату дотримуються апріорі, а якщо вентиляція не працює, то і сенсор зовсім зайвий. Перемикання вентустановок на продуктивність «більше/менше» може здійснюватися вручну, але різниця в споживанні електрики буде незначною, а розбалансування витрат швидше за все викличе збільшення енергоспоживання: у вбиральнях застосовується прямоточна витяжка, яка компенсується дисбалансом у вентиляційних установках, і збільшення дисбалансу зменшує коефіцієнт утилізації тепла, що не покриватиметься економічно роботою сенсорів СО₂. Автору надали дані про фактичне енергоспоживання школи за 2021р., що дає можливість робити порівняльний аналіз ефективності запропонованої моделі вентиляції, див табл. 1.

Таблиця 1. Статистика фактичного енергоспоживання на об’єкті у 2021 р.

Продукування тепла у 2021 р.	січень	лютий	березень	квітень	листопад	грудень
у режимі регенерації тепла	74 962	72 759	57 390	8 826	44 675	70 292

Всього в 2021 р. – 328904 кВт∙год або 36 179 EUR

Вхідні дані.

Кількість приміщень, що підлягають вентилюванню: 30
Кількість учнів у кожному приміщенні: 25
Якість мікроклімату: 3 категорія комфортності згідно з ДСТУ 15251
Кількість вбиралень (триразова витяжка): 5
Графік роботи: у будні з 9-00 до 18-00
Кліматичні дані: BIN параметри, обчислені автором для м. Одеса
Вартість енергоресурсів: за даними NEFCO на кінець 2022р.

Розрахунки природньої вентиляції

Для розрахунків енергоспоживання вентиляцією використовується авторська методика, що базується на параметрах BIN клімату та електронна H-d діаграма. Дані обчислень зведені до таблиці 2.

Таблиця 2. Розрахункове енергоспоживання із природньою вентиляцією

Температура, °С	-22	-20	-15	-10	-5	0	+5	+10	+15	+20	+25
Вологість, %				80	76,8	76,6	74	66,3	61,4	52,3	46,3
Час роботи, год.	0	0	0	30	126	1 083	996	1 002	573	777	147
На один клас
Повітрообмін розрахунковий,м³/год	-	-	-	742	609	476	350	228	112	0	0
Питома втрата тепла, кВт	-	-	-	7,48	5,12	3,21	1,77	0,77	0,19	0	0
Витрати тепла за період, кВт∙год	-	-	-	224	645	3 478	1 763	772	109	0	0

Зауважимо, що природна вентиляція проектується на зовнішню температуру +5 °С, тому за інших температур вона дає іншу витрату, яка відображена в таблиці. Важливо, що при зовнішніх температурах вище +20 °С природна вентиляція не працює – немає сили, що її спонукає, і це 924 години на рік. Іншими словами – близько 2 місяців вентилювання класів здійснюється виключно за допомогою повністю відкритих кватирок, через які відбувається дифузія вуглекислого газу з класів на вулицю.

Розрахункова кількість тепла, яка потрібна на нагрівання вентиляційного повітря в класах за опалювальний період школи складає 209 678 кВт∙год. Сюди маємо додати тепло, що йде на нагрівання вентиляційного повітря, що видаляється з вбиралень: 6135 кВт∙год. Разом потрібно тепла на нагрівання вентиляційного повітря 215813 кВт∙год, що у грошовому еквіваленті вартує 23 709 EUR, тобто 65% кількості всього спожитого тепла даною школою. Насправді відсоток буде меншим, оскільки «вікна заклеюють на зиму» – тобто зменшують приплив свіжого повітря до класів, внаслідок чого діти під час навчального процесу зазнають кисневого голодування та отруєння вуглекислим газом, що , як це не прикро, санкціоноване існуючими нормами ДБН.

Відео. Вентиляція в школі: проблема та її вирішення: ефір з експертами

Вочевидь в Україні настав момент, коли необхідно жорстко вимагати дотримання норм повітрообміну та якості повітря у школах згідно з ДБН (ДСТУ), а це можна зробити лише за наявності механічної вентиляції.

Проте мова йде не тільки про здорове й чисте повітря для школярів, але й про грубу вигоду застосування примусової механічної вентиляції за рахунок енергозбереження.

Розрахунки механічної припливно-витяжної вентиляції з рекуперацією

Механічна вентиляція характеризується тим, що, на відміну від природної, вона працює тільки в той час, коли у приміщеннях знаходяться учні та вчителі. Тому дані про роботу (включаючи механічну витяжку з вбиралень) вентиляції зведено до таблиці 3.

Таблиця 3. Розрахункове енергоспоживання із примусовою вентиляцією

Температура, °С	-22	-20	-15	-10	-5	0	+5	+10	+15	+20	+25
Вологість, %				75	81,5	74,7	68,3	68,0	63,4	49,8	36,4
Час роботи, год.	0	0	0	6	84	258	480	540	564	414	102
На один клас
Повітрообмін розрахунковий,м³/год	-	-	-	350
Питома втрата тепла, кВт	-	-	-	0,65	0,57	0,55	0,52	0,34	0,21	0	0
Витрати тепла за період, кВт∙год	-	-	-	4	48	142	250	184	118	0	0

Розрахункова кількість тепла, яка потрібна на нагрівання вентиляційного повітря, враховуючи рекуперацію тепла, за опалювальний період у класах школи становить 22360 кВт∙год. Сюди слід додати тепло, що йде на нагрівання вентиляційного повітря, яке видаляється з вбиралень: 1 966 кВт∙год. Оскільки з вбиралень здійснюється прямоточна витяжка, її компенсація йде з допомогою дисбалансу в припливно-витяжних установках, що погіршує ефективність рекуперації на 8%, тобто тепла потрібно 24 148 кВт∙год. Разом потрібно тепла на нагрівання вентиляційного повітря 26 114 кВт∙год, що у грошовому еквіваленті становить 2 872 EUR, але слід врахувати, що у роботу рекуператорів витрачається електроенергія обсягом 8 201 кВт∙год. Сумарні витрати на вентиляцію становлять 4 103 EUR.

Економія коштів на експлуатацію за рік у порівнянні з природною вентиляцією складає 19 606 EUR при вартості обладнання 88 080 EUR.

До вартості комплекту обладнання слід додати вартість системи диспетчеризації, допоміжних матеріалів, будівельних та монтажних робіт, що орієнтовно сумарно складе вартість проекту ~100 000 EUR. При цьому термін окупності буде близько 5 років. Це при існуючому газовому опаленні. Однак якщо йдеться про глибоку реконструкцію із заміною опалювального обладнання, то економічний ефект буде більш оптимістичним – вартість комплекту інженерного обладнання буде зменшена, оскільки теплове навантаження на систему опалення зменшиться приблизно у 9 разів, що знизить капітальні витрати. Особливо цей варіант вплине на зменшення витрат, якщо запроектувати опалення від теплових насосів, але це потребує додаткових розрахунків.

Декілька пояснень до таблиць з розрахунками системи вентиляції школи

1. Використовувалося для розрахунків обладнання компанії – європейського виробника. Основа рішення – зручне та доступне програмне забезпечення для розрахунків, велика номенклатура обладнання, прозорі ціни. Важливо те, що обладнання має низькі шумові характеристики, і особистий досвід автора показує, що обрана модель для шкільного класу, яку було закладено в розрахунки є практично безшумною. Автор мав можливість працювати з обладнанням яке реально, встановлено шкільному класі – шумність була такою, що після 1 години роботи обладнання починала боліти голова у вчителя і він вимикав установку. Оснащення установки шумоглушником покращило ситуацію з шумом до прийнятних показників, проте повітрообмін виявився в 2 рази меншим за нормативний.

2. Використання обладнання з мінімальною ціною ймовірно дозволить знизити вартість проекту на 40%, однак автор не виконав підбір та порівняння малобюджентого обладнання з європейським з наступних причин:

малобюджетні бренди не пропонують якісного софту, що не дозволяє моделювати теплові процеси;
у малобюджетних брендів немає даних щодо шумових характеристик;
використання покупних пластикових рекуператорів викликає в автора сумніви щодо достовірності їх характеристик;
особистий досвід автора при налагодженні малобюджетних вентустановок в школі є вкрай негативним щодо їх якості обладнання.

3. Теплові розрахунки виконувались за авторською методикою. Спочатку було створено базу даних клімату у BIN форматі. Було обчислено робочий час для роботи вентобладнання в умовах школи і параметри зовнішнього повітря на виході з рекуператора в порожньому класі. Було обраховані параметри повітря після змішування потоку повітря після рекуператора з повітрям у класі, об'ємом 168 м3, далі було обчислено параметри повітря після зволоження від дихання 25 школярів. І врешті були обчислені характеристики рекуператора при BIN-параметрах на вулиці та отриманих параметрів повітря у класі після змішування та зволоження.

4. Дані про клімат у м. Одеса бралися із місцевого метеосайту, розрахунок рекуператора – програмою на сайті виробника, теплові розрахунки виконувалися програмою Psychrometrics Program V4.1.0.

Висновки

Використання у південних регіонах України для організації вентиляції у школах та дошкільних закладах технології HRV-рекуперації (з використанням тепла конденсації вологи) дозволять у 4÷5 разів скоротити витрати на опалення будівель, одночасно гарантуючи забезпечення свіжим повітрям дітей у приміщеннях згідно санітарних вимог.
Запропонована концепція децентралізованої вентиляції (вентустановка – у кожному класі) дозволить скоротити обсяг (і відповідно – вартість) будівельних робіт та вписати вентсистему в існуючі будівлі при реконструкції (власне за нового будівництва також). При цьому слід обов'язково закладати у проект дистанційне керування обладнанням.
Одним із базових критеріїв вибору обладнання має бути «звукова потужність» вентустановки. Якщо використовувати дешеве, надмірно шумне обладнання, то вчителі його вимикатимуть (в умовах сильного шуму викладати неможливо), і фактично гроші будуть витрачені марно, більше того – отримаємо негативний результат по всіх позиціях комфортності та енергоефективності.
Існує теоретична можливість виготовити на вітчизняних заводах спеціальну «шкільну серію» вентустановок відповідно до затверджених вимог, проте може статися, що ціна такого обладнання буде вищою, ніж на світовому ринку. Цікаво почути думку виробників.

Облаштування примусової механічної вентиляції важливе не тільки для приміщень, де перебуватимуть діти. Вище було показано, що зараз 65% втрат тепла у будинках шкіл припадає на вентиляціюі така ситуація є характерною для всіх будівель. Якщо будівлю просто утеплити, то втрати тепла зменшаться, але десь на 20%. Комфортність таких будівель буде низькою.

Наведена у статті концепція є характерною лише для південних регіонах і лише для шкіл. Для північних регіонів та інших будівель слід застосовувати інші концепції.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!