Типы рекуператоров для вентиляции помещения

С. Михненко

Вентиляция с применением рекуперации энергии – действенный способ сократить энергопотребление в жилых и хозяйственных помещениях. Рассмотрим ряд подходов, применяющихся для реализации этого приема для экономии энергии

Чтобы снизить затраты энергии в современных жилых домах и промышленных зданиях их выполняют с высоким уровнем тепло-, паро-, и влагоизоляции, и принимаются специальные меры по герметичности всей наружной оболочки. Этим обеспечивается уменьшение неконтролируемых перетоков тепла (зимой – изнутри, летом – извне) через воздушную среду. Высокая герметичность, в свою очередь, требует управляемой вентиляции и обеспечения достаточного воздухообмена воздуха внутри помещений с наружной атмосферой. На компенсацию теплопотерь из-за вентиляции затрачивается порядка 30-40% энергии, расходуемой на поддержание микроклимата в помещении (на отопление и охлаждение). Благодаря рекуператорам эти потери можно уменьшить на 60-95%.

Видимые теплопотери

В хорошо теплоизолированных помещениях с герметичными современными светопрозрачными конструкциями применяют естественную и принудительную приточно-отточную вентиляцию. Приточный воздух поступает с параметрами наружной атмосферы – прежде всего по температуре и влагосодержанию – и резко меняет тепловую картину внутри помещения. Вентиляция становится источником перерасхода и утечек энергии. Тепловизионные исследования демонстрируют, как вентиляционные отверстия и для принудительной, и для естественной вентиляции становятся проемами для теплопотерь (см. рис. 1). При высокой разнице температуры наружного и внутреннего воздуха вентканал для естественной отточной вентиляции (см. рис. 1, справа) вместо того, чтобы отводить воздух, становится каналом для притока морозного воздуха. На термограмме (рис. 1, справа) виден приток холодного воздуха с температурой минус 2,5°С через отточный канал из помещения со средней температурой +17°С.

На термограмме (рис. 1, слева) показано также, как отверстие для принудительной вентиляции с работающим отточным (!) вентилятором становится «мостиком холода», переохлаждающим стены и окружающий воздух.

Рис. 1. Термограммы неконтролируемого притока холодного воздуха (справа) через отточный вентканал естественной вентиляции и переохлаждение стен (слева) и окружающего воздуха вокруг вентканала с принудительным оттоком воздуха

Удаляем воздух – возвращаем его тепло

Чтобы избежать подобных теплопотерь и неправильной работы вентсистемы используются специальные устройства – рекуператоры (см. рис. 2), которые выравнивают разницу температуры приточного и отточного воздуха.

Рис. 2. Схема рекуператора тепла притока и оттока воздуха

«Рекуператор» (от лат. recuperatio – обратное получение, возвращение) – теплообменное устройство для использования теплоты приточного и отточного вентилируемого воздуха, в котором теплообмен между теплоносителями с разной температурой непрерывно осуществляется через разделяющую их перегородку. Если, например, наружный воздух имеет температуру минус 20°С, а воздух внутри помещения +20°С (всего 40°С), то разницу в энергии удаляемых и поступаемых воздушных потоков нужно будет компенсировать за счет системы отопления. Однако правильно подобранный и установленный рекуператор может уменьшить разницу температур отточного и приточного воздуха примерно впятеро. Экономия тепла для отопления при этом составит порядка 40%.

Разница в температуре приточного и отточного воздуха затем компенсируется локальным нагревателем (охладителем) воздуха или подогревом (охлаждением) воздуха во всем помещении за счет работы системы отопления (охлаждения).

Чаще всего вентиляционные рекуператоры для воздуха отличаются по следующим особенностям:

• по характеру движению теплоносителя;
• по конструкции;
• по назначению;
• по типу;
• по дополнительному функционалу.

В зависимости от типа теплообменника рекуператоры бывают:

• перекрестные, в которых теплообмен осуществляется на тонких пластинах, разделяющих потоки приточного и отточного воздуха без их смешивания (рис. 3). К.П.Д. таких рекуператоров – около 60%.
• противоточные рекуператоры осуществляют теплообмен через протяженные каналы типа «труба в трубе»; потоки воздуха обмениваются теплом через достаточно большую поверхность теплообмена. К.П.Д. противоточных рекуператоров достигает 90-95%.
• вращающиеся (роторные) имеют вид вращающегося барабана, их К.П.Д. около 80%.

Рис. 3. Внешний вид перекрестного рекуператора со снятой крышкой

Рекуператоры с противотоком

Противоточные рекуператоры бывают с параллельным или перекрестным направлением потоков. На рис. 4 показана схема трубчатого противоточного рекуператора с перекрестным направлением воздушных потоков.

Рис. 4. Схема противоточного рекуператора с перекрестным направлением потоков

Противоточные и перекрестные рекуператоры обладают существенным недостатком – при высокой разнице между температурами наружного (подаваемого) и внутреннего (удаляемого) воздуха они склонны к образованию конденсата и внутреннему обмерзанию. Причина этого – неравномерность температурного поля на разных частях поверхности теплообмена. «Продвинутые» конструкции, выполненные по таким схемам, оснащают устройствами дренажа конденсата и автоматикой, препятствующей обмерзанию.

Регулирование степени теплообмена и количества вентилируемого воздуха в таких рекуператорах осуществляется изменением подачи приточного и отточного воздуха за счет управления объемным расходом вентиляторов на входе и выходе.

Функционально насыщенные рекуператоры оснащаются также дополнительными устройствами воздухоподготовки – изменяют и регулируют влажность («энтальпийные рекуператоры» более полно отбирают тепло), осуществляют фильтрацию и даже ионизацию приточного воздуха. Это, безусловно, удорожает изделия.

Рекуператоры вращательного действия

Роторные (барабанные, вращающиеся) рекуператоры были придуманы, чтобы избежать большого перепада температур на теплообменнике, и, таким образом, избежать выпадения на нем конденсата или обмерзания устройства. На рис. 5 показана схема работы роторного рекуператора. Блок рекуператора устанавливается поперек вентиляционных каналов с приточным и отточным воздухом. Вращающийся барабан, изготовленный, как правило, из плотно навитых листов гофрированной нержавеющей стали, пересекает сразу оба канала – для оттока и притока – с минимальным зазором. При вращении барабана от внешнего привода происходит теплопередача между воздухом и участком барабана, контактирующим с воздухом с соответствующей температурой. При пересечении канала с теплым воздухом, канальцы на роторе продуваются, а гофрированная сталь барабана (ротора) нагревается. Затем накопленное в роторе тепло за время пересечения отточного канала передается воздуху, который поступает по приточному каналу. Пластины канальцев циклически нагреваются и остывают соответственно тому, в какой области (горячей или холодной) они оказываются при вращении ротора. Таким образом, вращая ротор, можно отрегулировать степень нагрева и охлаждения теплообменника так, чтобы перепад температур на нем не вызывал образования конденсата и не приводил к обмерзанию теплообменника.

Рис. 5. Роторный рекуператор – схема работы и вид канальцев барабана

Существенный недостаток роторных рекуператоров – большое фронтальное сечение и общие габариты блока (см. рис. 6). Из-за этого роторные рекуператоры чаще применяют в промышленных зданиях с большим сечением вентиляционных каналов и намного реже – в домашних вентсистемах.

Рис. 6. Внешний вид роторного рекуператора

Роторные рекуператоры чаще всего применяют в централизованных системах вентиляции. Системы же, построенные по принципу противоточного теплообмена, можно встраивать в малогабаритные децентрализованные приточно-отточные вентиляторы, имеющие стандартизованный диаметр из ряда для вентиляторов и длину по толщине стены дома. Такой подход позволяет обеспечить энергоэффективную вентиляцию каждого помещения по потребности. В данном случае не нужно монтировать новые вентиляционные каналы, и этот способ хорошо подходит при тепловой модернизации старых зданий.

«Восстановление энергии»

Регенераторы представляют собой отдельный класс энергосберегающих вентиляционных устройств. В отличие от классических рекуператоров, которые осуществляют теплообмен при одновременном движении встречных потоков воздуха (приточного и отточного), регенеративные вентиляционные теплообменники используют попеременную вентиляцию накопителя тепла реверсивными вентиляторами. Регенераторы циклически возвращают («восстанавливают») энергию, отобранную от потока. Тепло от проходящего воздуха накапливается в специальном аккумуляторе тепла, например, во время оттока воздуха. Например, после цикла удаления воздуха, отдавшего часть тепловой энергии аккумулятору тепла в регенераторе, включается противоположный цикл – приточный. Поступающий снаружи воздух продувается через регенератор и получает от него накопленное ранее тепло, рис. 7.

Рис. 7. Цикл работы регенератора тепла (зимний режим)

Дискуссии о том, какой тип лучше – рекуператоры или регенераторы – не утихают, однако каждый класс устройств находит своего потребителя с учетом конкретных условий. Но очевидно, что регенераторы принципиально устроены так, что у них нет проблем с обмерзанием. Зимой холодный (с меньшей абсолютной влажностью) наружный воздух обтекает нагретое рабочее тело аккумулятора тепла, начиная с более холодной его части. При нагреве относительная влажность воздуха уменьшается. При обратном цикле, когда удаляется теплый воздух с высоким влагосодержанием, он тоже сначала попадает на ту часть теплового аккумулятора регенератора, которая имеет наименьшую разность температур с набегающим на него потоком.

В летнее время регенератор позволяет сохранить прохладу в помещении, поскольку жаркий наружный воздух обдувает тепловой накопитель, ранее охлажденный кондиционированным воздухом за цикл вытяжки.

Рекуператоры постоянного действия (противоточные или роторные) или циклические (регенераторы) позволяют сэкономить громадные средства, затрачиваемые на отопление (охлаждение) помещений путем возврата энергии обратно в помещение. Применение рекуперации – один из важнейших и самых действенных современных методов энергосбережения в жилом, гражданском и промышленном строительстве.

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

Переглянуто: 7 131