CC BY
4УДК 62-9
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕННИКОВ-УТИЛИЗАТОРОВ ТЕПЛОТЫ ВЫТЯЖНОГО ВОЗДУХА
Черчаев А.А., студент группы 17Стр(м)ТГМП, Оренбургский государственный университет, Оренбург е-шаП: andruha9556@mail.ru
Научный руководитель: Демидочкин В.В., канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой теплогазоснабжения, вентиляции и гидромеханики, Оренбургский государственный университет, Оренбург
Повышение энергоэффективности является основным показателем экономии энергетических ресурсов, исходя из чего в Российской Федерации принята государственная программа: «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», которая направлена на обеспечение повышения финансовой устойчивости, энергетической безопасности российской экономики, а также роста уровня и качества жизни населения за счет реализации потенциала энергосбережения и повышения энергетической эффективности на основе модернизации, технологического развития. Из целей данной государственной программы следует, что повышать энергоэффективность необходимо на всех этапах преобразования энергии.
Ключевые слова: энергоэффективность, энергоэффективные системы жизнеобеспечения, энергетические ресурсы, система вентиляции.
Проблема повышения энергетической эффективности в зданиях, как и 30-40 лет назад, так и на сегодняшний день является особенно актуальной для стран с холодным климатом. При этом в имеющемся на настоящий момент жилом фонде, по оценкам различных экспертов теряется до 30% всех вырабатываемых энергетических ресурсов [1]. Россия имеет значительный потенциал энергосбережения, так как большинство зданий было построено еще 50 лет назад, и при этом были учтены лишь минимальные санитарно-гигиенические требования, а новое строительство осуществлено по теплозащитным требованиям, значительно менее жестким по сравнению с нормативами ведущих стран мира [2].
Опираясь на Федеральный закон №261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [3], в котором поставлена задача максимального снижения потребления энергии инженерными системами обеспечения зданий, можно отметить, что Государство заинтересованно решением проблем связанных с энергосбережением. Особенно остро данная проблема прослеживается в жилищном секторе [4-5]. После принятия данного федерального закона в России активизировалось проектирование и строительство энергоэффективных зданий. В зданиях должны проектироваться, монтироваться и эксплуатироваться энергоэффективные системы жизнеобеспечения. К системам инженерного обеспечения относится и системы вентиляции, для которых проблема энергосбережения была и остается, по сей день актуальной.
Вопросами потерь теплоты гражданскими зданиями за счет удаления вытяжного воздуха занимается большое количество инженеров в данной области как отечественных, так и зарубежных. В конструкциях зданий, как старой постройки, так и современных зданиях согласно [6] инженерные системы вентиляции являются одними из основных источников потерь теплоты.
В современных условиях система вентиляции, как правило, работает совместно с системой отопления здания, а иногда полностью ее заменяет. Для подогрева воздуха в вентиляционных системах используются воздухонагреватели, для работы которых требуются большие затраты энергии.
Одним из системных подходов является экономия энергоресурсов с помощью теплообменников-утилизаторов теплоты. В настоящее время для осуществления теплообмена используют несколько основных типов теплообменников: рекуперативные и регенеративные. Одни из самых распространенных видов теплообменников являются рекуперативные. Теплый воздух не просто удаляется через открытое окно, а отдает свою теплоту приточному воздуху в рекуператоре при удалении через систему вентиляции. Рекуперация осуществляется в теплообменном аппарате за счет теплообмена между потоками холодного (приточного) и теплого (вытяжного) воздуха. Доказательством того, что применение теплообменников-утилизаторов в системах вентиляции является действенным мероприятием по повышению энергоэффективности, служат многие научные статьи и исследования [4-10].
Так, например, в работе Younness EI Foujh, Pascal Stabat. «Adequacy of air-to-air heat recovery ventilation system applied in low energy buildings» [6] приведен сравнительный анализ системы вентиляции с применением рекуперативных теплообменников с другими системами и доказано, что использование тепла от вытяжного вентиляционного воздуха может значительно снизить показатель тепловых потерь здания.
В своей статье «Энергоэффективный жилой дом в Москве» [7] А.Л. Наумов описал процесс проведения испытаний в одном из первых жилых домов в Москве с запроектированной системой приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха. Результаты испытаний показали, что энергетическая эффективность теплоутилизационных вентиляционных установок находится в диапазоне 65-75 %.
На сегодняшний день имеется большое количество видов и конструкций теплообменников, применяемых в вентиляции. Вот основные виды теплоутилизаторов, нашедших массовое применение на сегодняшний день:
- рекуперативные на базе пластинчатых воздухо-воздушных теплообменников;
- регенеративные с вращающейся теплообменной насадкой;
- с промежуточным теплоносителем с теплообменниками «жидкость-воздух».
Опираясь на работу Кокорина О.Я. «Энергосберегающие технологии
функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха (систем ВОК)» [8], можно привести сравнительную таблицу по утилизации теплоты при использовании различных видов рекуператоров в системах вентиляции.
Таблица 1 - Сравнительный анализ работы различных по своей конструкции теплообменников
Вид теплообменника Возможность перетока воздуха Подвижные механические детали КПД Рекуперации
Пластинчатый рекуператор Незначительный переток до1% Нет 40-70%
Противоточный пластинчатый рекуператор Незначительный переток до1% Нет 70-85%
Водяной рециркуляционный рекуператор Нет Нет 30-50%
Роторный рекуператор Да Да 70-80%
Как видно из данной таблицы самыми эффективными являются регенеративный роторный и противоточный пластинчатый теплообменники:
- Пластинчатый рекуператор (противоточный) его применение обусловлено большой поверхностью теплообмена, но применение ограничено в связи с небольшой пропускной способностью из-за большого местного сопротивления. Максимальный расход воздуха, способный пропустить через себя противопоточный пластинчатый рекуператор до 2000 м3/ч.
- Роторный рекуператор используют в случаях, где переток воздушных масс допустим. Помимо теплоотдачи происходит перенос влаги между приточным и вытяжным воздухом в системах жизнеобеспечения.
Также устройство, конструкции и подробный расчет теплоутилизаторов вытяжного воздуха хорошо представлены в работах [9-10].
В заключение приведем пример технико-экономического сравнения двух систем вентиляции. Одна из которых, механическая приточно-вытяжная система вентиляции с применением калорифера для предварительного нагрева приточного воздуха, а другая механическая приточно-вытяжная система вентиляция с рекуперативным пластинчатым теплообменником. За расчетное помещение принят буфет на 40 мест. Расчет и подбор оборудования был произведен по программе организации ООО «Веза».
Согласно расчетам программы мощность калорифера для нагрева приточного воздуха первой системы без теплообменника равна 77324 Вт. А для системы с теплообменником мощность требуемого калорифера составила 66472 Вт.
Переведем значения мощности калорифера из Вт в кКал/час.
Мощность калорифера: 77324 Вт=66486 кКал/час.
Мощность системы с применением рекуперативного теплообменника: 66472 Вт=57155 кКал/час.
Цена 1 Гкал тепловой энергии для Оренбурга на 29.12.2017г составляет 1188,5 руб. согласно приказа №226-т/э (департамент Оренбургской области по ценам и регулированию тарифов).
Получается, что за 1 час при работе системы с калорифером будет расходоваться 0,066 Гкал/час, что в денежном выражении составит 53,4 руб./час, а при работе системы с рекуперативным теплообменником 0,057 Гкал/час, в денежном выражении 46 руб./час.
Расчеты приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Технико-экономический анализ систем вентиляции
Мероприятия по энергосбере жению Вид системы Расход теплоты за 1 час, Гкал/час Время работы системы в сутки, час Кол-во отапливаемых дней Тариф за 1 Гкал/час, руб. Затраты на систему за отапливаемый период, руб. Энергосбережение^ Денежное эконо-мие в год, руб.
Применение рекуперации Система с калорифе ром 0,066 12 202 1188,5 178942 14,00 24401
Система с рекуперат ивным теплообм енником 0,057 12 202 1188,5 154541
В завершении всего выше сказанного нужно отметить, что в виду высоких и постоянно растущих цен на тепловую энергию, применение теплоутилизаторов, использующих тепло отработанного воздуха позволит значительно снизить затраты на обогрев приточного холодного воздуха и сэкономить как энергоресурсы, так и расходы на обслуживание соответствующих инженерных систем зданий.
Литература
1. Богословский, В.Н. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха / В.Н. Богословский, М.Я. Поз. - М.: Стройиздат. - 1983. - 320 с.
2. Горшков, А.С. Принципы энергосбережения в зданиях. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - М.: АВОК. - 2014. - С. 26-35.
3. Кокорин, О.Я. Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха (систем ВОК). - М.: Проспект, 1999. -203 с.
4. Наумов, А.Л. Квартирные утилизаторы теплоты вытяжного воздуха / А.Л. Наумов, С.Ф. Серов, А.О. Будза, // АВОК. - 2012. - №1. - С. 40-49.
5. ТР АВОК-4-2004. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2004. - 26 с.
6. Younness EI Foujh, Pascal Stabat. Adequacy of air-to-air heat recovery ventilation system applied in low energy buildings // Energy and Buildings. - 2012. - No 2. - pp. 29-39.
7. Табунщиков, Ю.А. Энергоэффективные здания и инновационные инженерные системы // АВОК. - 2014. - №1. - 12 с.
8. Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (с изменениями и дополнениями).
9. Хаузен Хельмут. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе / Пер. с нем. - М.: Энергоиздат, 1981. - 384 с.
