CC BY
72
УДК 621.577.2
Приточно-вытяжная вентиляционная установка с теплонасосной рекуперацией тепла вентиляционных выбросов
Г. П. Васильев,
доктор технических наук, научный руководитель группы инновационных компаний «ИНСОЛАР» Н. А. Тимофеев,
ОАО «ИНСОЛАР-Энерго», инженер М. В. Колесова,
ОАО «ИНСОЛАР-Энерго», инженер В. Ф. Горнов,
ОАО «ИНСОЛАР-Энерго», директор проектного отделения А. Н. Дмитриев,
Российский экономический университет им. Г. В. Плеханова, доктор технических наук, профессор
Разработана приточно-вытяжная вентиляционная установка с теплонасосной рекуперацией тепла вентиляционных выбросов, предназначенная для использования в жилых квартирах домов массовой застройки в климатических условиях Москвы и Московского региона. Задача, которая ставилась перед разработчиками, - отказаться от общедомовой естественной вентиляции с использованием вентиляционных шахт по всему дому, которые занимают до 1 м2 площади в каждой квартире, и предложить вариант автономной и недорогой приточно-вытяжной климатической системы для применения в массовом жилищном строительстве.
Ключевые слова: вентвыбросы, приточно-вытяжная установка, рекуперация, тепловая энергия, утилизация.
Группой инновационных компаний «ИНСОЛАР» разработана приточно-вытяжная вентиляционная установка (ПВУ) с теплонасосной рекуперацией тепла вентиляционных выбросов, предназначенная для использования в жилых квартирах домов массовой застройки в климатических условиях Москвы и Московского региона [1]. Задача, которая ставилась перед разработчиками, - отказаться от общедомовой естественной вентиляции с использованием вентиляционных шахт по всему дому, которые занимают до 1 м2 площади в каждой квартире, и предложить вариант автономной и недорогой приточно-вытяж-ной климатической системы для применения в массовом жилищном строительстве.
Принципиальная схема установки приведена на рис. 1. Приточно-вытяжная вентиляционная установка с теплонасосной рекуперацией вентвыбросов дополнительно оснащена двойным рекуператором из пористого материала.
Фотография установки приведена на рис. 2, а в табл. 1 приведены её основные характеристики при разных уровнях рекуперации теплоты вытяжного воздуха.
Испытания разработанной ПВУ проводились в климатической камере. При проведении испытаний приточно-вытяжная вентиляционная установка была помещена в тёплый отсек климатической каме-
Рис. 1. Принципиальная схема приточно-вытяжной вентиляционной установки с теплонасосной рекуперацией тепла вентвыбросов:
1-Вентилятор 6-Фильтр
2-Компрессор 7-4-ходовой клапан
3-Корпус 8-Эл. ТЭН
4-Рекуператор 9-Блок управления
5-Теплообменный аппарат
ры вместе со специально изготовленным для этих испытаний испытательным стендом ИСПВВУ-5/500. Испытательный стенд ИСПВВУ-5/500 состоит из передвижной рамы-тележки с размещёнными на ней узлами, оснащёнными измерительными датчиками, подключаемыми к контрольно-измерительному щиту стенда (КИЩ). КИЩ во время проведения испытаний ПВУ находится вне климатической камеры. Данные во время испытаний записываются в архив и передаются
Рис. 2. Общий вид ПВУ с теплонасосной рекуперацией
сетевой воде. Использование бойлера в системе увлажнения необходимо для того, чтобы исключить обмерзание распылителя в холодном отсеке климатической камеры. К раздающему отводу бойлера подключены шланги, оснащённые распылителями с электромагнитными затворами, управляемыми по заданному сигналу оператором испытаний ПВУ или программно. Один шланг во время испытаний помещается в тёплый отсек климатической камеры, а другой в холодный. Также стенд оснащён системой сбора дренажа сконденсированной влаги, образующейся при работе ПВУ. Данная система состоит из пластикового бака, соединённого через верхнюю крышку с дренажным каналом испытуемой ПВУ. Бак оснащён электронным датчиком уровня воды в ёмкости, по сигналу которого открывается и закрывается электромагнитный клапан на слив дренажа. Дренаж бака оснащён расходомером на сливном отводе.
Таблица 1
Основные расчётные характеристики ПВУ с теплонасосной рекуперацией (вариант) Объём рекуперированной тепловой энергии в пластинчатом рекуператоре, % Максимальная тепловая мощность системы подогрева приточного воздуха в базовом варианте, или теплонасосного рекуператора в остальных вариантах, кВт Энергия, затрачиваемая на подогрев приточного воздуха, кВт-ч в год Стоимость компрессора для теплонасосного рекуператора, руб. Экономия энергии, %
Базовый - без рекуперации 0 3,7 15700 - 0
Без рекуперации энергии в пластинчатом рекуператоре 0 3,7 3479 7289 78
20 % рекуперации 20 3,0 2766 5449 82,4
40 % рекуперации 40 2,2 2062 4062 86,9
60 % рекуперации 60 1,5 1366 2691 91,3
дистанционно с помощью GSM-модема на удалённый компьютер оператора эксперимента.
При подготовке испытаний ПВУ подсоединялась воздуховодами к узлам измерений параметров воздушного потока стенда ИСПВВУ-5/500. Узлы оснащены датчиками измерения температуры и скорости потока воздуха. Воздуховоды, присоединённые к ПВУ со стороны «улицы», другой стороной соединяются с узлами измерений параметров воздушного потока (УИПВП) экспериментального стенда ИСПВВУ-5/500, которые, в свою очередь, присоединены к узлам прохода через стену (условно «на улицу»), разделяющую тёплый и холодный отсек климатической камеры.
Стенд ИСПВВУ-5/500 дополнительно оснащён бойлером накопительного типа, обслуживающим систему увлажнения воздуха. Бойлер подключается к
Для поддержания температуры воздуха в тёплом отсеке при испытаниях ПВУ в отрицательном диапазоне температур стенд ИСПВВУ-5/500 оснащён воздушным калорифером.
Принципиальная схема по испытаниям приточно-вытяжной вентиляционной установки изображена на рис. 3.
В состав стенда ИСПВВУ-5/500 входит следующее оборудование:
- рама-тележка передвижная (1 шт.), предназначенная для крепления узлов испытательного оборудования;
- бак пластиковый ЕАП 120 (1 шт.); назначение: сбор конденсата, образовавшегося при работе ПВУ;
- бойлер накопительного типа ТЕРМЕКС HIT H 10U (1 шт.) - предназначен для подготовки горячей воды в системы увлажнения воздуха;
НИ h ri h HTTT
hHhrlhrlhrlh
h н h rH
Холодный отсек климатической камеры (улица)
Теплый отсек климатической камеры (помещение)
1-Климатическая камера
2-Испытательно-измерительный стенд
3-Испытуемый образец ПВУ
4-Клапаны с сервоприводом
5-Измерительная система потока воздуха (температура [-35 —+45], влажность [10-100%], расход [0-500 м3/ч])
6-Измерительная система объема конденсированной влаги (бак-накопитель, расходомер, электромагнитный клапан)
7-Тепловентилятор (вентилятор, ТЭН)
8-Система увлажнения воздуха (водонагреватель накопительный на 10 литров, электромагнитный клапан (2 штуки), обогревающий кабель, шланги)
Рис. 3. Принципиальная схема испытаний приточно-вытяжной вентиляционной установки с теплонасосной рекуперацией теплоты вытяжного воздуха
Бак, оснащенный системой измерения объема сконденсированной влаги при работе испытуемой приточно-вытяжной установки
Рис. 4. Изготовленный и оснащённый контрольно-измерительным оборудованием стенд ИСПВВУ-5/500
для испытания приточно-вытяжной вентустановки
шнЕРашРЕтурСШШБЕШШЕтишшэнЕРШшэФФЕшаштишЬ 17
Таблица 2
Наименование характеристики Единица измерения Норма
Производительность подачи и забора воздуха: - номинальная - максимальная Минимально допустимая (летом) Минимально допустимая (зимой) м3/ч 450 550 250 100
Мощность охлаждения приточного воздуха 32 °С, 30 % 28 °С, 35 % кВт 2,8 3
Мощность подогрева приточного воздуха тепловым насосом кВт (при Т °С вытяжки) 18°С, 35 % 22 °С, 35 % кВт 4,4 4,8
Потребляемая мощность компрессором теплового насоса: при работе на охлаждение при работе на подогрев кВт 0,7-0,9 0,5-0,85
Холодильный коэффициент СОР 3,75
Коэффициент теплопроизводительности 5,8
Потребляемая мощность вентиляторами: максимальная минимальная кВт 0,3 0,14
Электропитание установки 220 В, 1 ф
Уровень шума через корпус на расстоянии 1 м, не более dB(A) 39
Мощность дополнительного нагрева ТЭНами кВт 3
Температурная эффективность рекуперативной утилизации Полная эффективность рекуперативной утилизации 0,72 0,78
Габаритные размеры Д х Ш х В (длина х ширина х высота) м 1,55 х 1,2 х 0,46
Масса установки кг 70
Присоединительный размер воздуховодов мм Ш200
Хладагент холодильного контура R410
- воздуховоды, оборудованные датчиками скорости потока воздуха EE65-Vxx и MVEVK-961.100 и температуры ДТС 3015-РТ1000.В2.200 (4 шт.) - предназначены для оценки теплоэнергетических параметров испытываемой ПВУ;
- воздухонагреватель ELK 200/3 (1 шт.) c вентилятором канального типа WNK 200/1 (1 шт.) -предназначены для поддержания температурного уровня и компенсации потерь тепла при испытании ПВУ;
- щит с контрольно-измерительным оборудованием (1 шт.) - мониторинг рабочих характеристик испытуемой ПВУ, проведение испытаний в автоматическом режиме.
Порядок изготовления экспериментального стенда ИСПВВУ-5/500 для испытаний ПВУ проходит в следующей последовательности:
1. Сборка рамы-тележки для установки на ней оборудования, обеспечивающего проведение испытаний ПВУ.
2. Установка запланированного оборудования на раму-тележку, необходимого для проведения экспериментальных лабораторных исследований по оценке энергоэффективности разрабатываемой ПВУ по теме контракта.
3. Сборка щита управления с контрольно-измерительным оборудованием для стенда по испытаниям ПВУ.
Изготовленный и оснащённый контрольно-измерительным оборудованием стенд (обозначение -ИСПВВУ-5/500) изображен на рис. 4.
Результаты исследований представлены в табл. 2
Далее на графиках представлены данные испытаний при различных эксплуатационных
60
50
40
30
20
1 - Т температура притока в помещение
2 - Т2 температура вытяжки из помещения
3 - Т3 температура притока с «улицы»
4 - Т4 температура вытяжки на «улицу»
5 - влажность воздуха притока в помещение
6 - ^2 влажность воздуха вытяжки из помещения
7 - кИз влажность воздуха притока с «улицы»
8 - ^4 влажность воздуха вытяжки на «улицу»
10 4
25
20
■15 и
10
0 -5 -10
-15
■«-■«-ГМГМГОГО'Т'Т^^О'-'-ГМГМГОГО'Т
2 2 2 2
2 2 2 2
2 2 2 2
2 2 2 2
2222222
«Л «Л
гч гч гч 2 2 2 2 2 2
0 0 1 1
334
2222
го го ГО 2 2 2 2 2 2
0 0 0 0 0 0
2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 01 01 01 01 01 01
0000000222222
3333 2 2 2 2 2 2 2 2
2222222
444444
00000000
444444
00000000000000000000000000
СМСМСМСМСМСМСМСМ^^СМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМСМ
оооооооооооооооооооооо г^г^гогогогогого^^гогогогогогогогогогогогог^
Дата/время
Рис. 5. Данные по температуре и влажности при работе установки ПВВУРТН 500/4 в режиме нагрева (электроТЭН отключен) при постепенном понижении внешней температурыI (улица)
45 40 35 30 25
* 20
15 10 5 0
1 - Т1 температура притока в помещение
2 -Т2 температура вытяжки из помещения
3 -Т3 температура притока с «улицы»
4 -Т4 температура вытяжки на «улицу»
5 - кН влажность воздуха притока в помещение
6 - ^2 влажность воздуха вытяжки из помещения
7 - кНз влажность воздуха притока с «улицы»
8 - Ш4 влажность воздуха вытяжки на «улицу»
20
и
5 £
2222222222222222222222222 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01
2222222222222222222222222
444
444
444
222222
000000000000000000000000000004444
444
444
444
о о о о о о о
"ЧТ
5
0
Дата/время
Рис. 6. Данные по температуре и влажности воздуха при работе установки ПВВУРТН—500/4 в режиме вентиляции (дополнительный нагрев ТЭНами отключен, компрессор теплового насоса отключен)
тэ
5
о
ь
I
гв а о
<ь а
1Ь
2? С О*
51 -и
11 2 *
I §
I
«
а
0
«I
3 £
и
О Ъ
3 01
О ох
X о
о ф
о
0 п
о, »
1 §
ф
¿3
со
3
1
£
14:04.2012 22:14 14:04.2012 22:24 14:04.2012 22:34 14:04.2012 22:44 14:04.2012 22:55 14:04.2012 23:05 14:04.201223:15 14:04.2012 23:25 14:04.2012 23:35 14:04.2012 23:46 14:04.2012 23:56 15:04.2012 0:06 15:04.20120:16 15:04.2012 0:27 15:04.2012 0:37 15:04.2012 0:47 15:04.2012 0:57 15:04.2012 1:07 15:04.2012 1:17 15:04.2012 1:28 15:04.2012 1:38 15:04.2012 1:48 15:04.2012 1:58 15:04.2012 2:08 15:04.20122:19 15:04.2012 2:29 15:04.2012 2:39 15:04.2012 2:49 15:04.2012 2:59 15:04.2012 3:10 15:04.2012 3:20 15:04.2012 3:30 15:04.2012 3:40 15:04.2012 3:50 15:04.2012 4:01 15:04.2012 4:11 15:04.2012 4:21 15:04.2012 4:31 15:04.2012 4:41 15:04.2012 4:52 15:04.2012 5:02 15:04.2012 5:12 15:04.2012 5:22 15:04.2012 5:32 15:04.2012 5:43 15:04.2012 6:03 15:04.2012 6:13
Температура, °С
■в
5
ь
¥ а |
5 ® I а
I 0
I а
■в-в
£ 2; 01
-"8
(и *8
О
<">
п
О
£ Н
3 * о "с
Я
£
0
<">
1
■С (Ь
1«
§ со
а:
I
53
14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04, 14:04,
2012 11: 2012 11: 2012 11: 2012 12: 2012 12: 2012 12: 2012 12: 2012 12: 2012 12: 2012 13: 2012 13: 2012 13: 2012 13: 2012 13: 2012 13: 2012 14: 2012 14: 2012 14: 2012 14: 2012 14: 2012 15: 2012 15: 2012 15: 2012 15: 2012 15: 2012 15: 2012 16: 2012 16: 2012 16: 2012 16: 2012 16: 2012 16: 2012 17: 2012 17: 2012 17: 2012 17: 2012 17: 2012 17: 2012 18: 2012 18: 2012 18: 2012 18: 2012 18: 2012 18: 2012 19: 2012 19: 2012 19: 2012 19: 2012 19: 2012 19: 2012 20:
Температура, °С
«О
режимах вентиляционной установки ПВВУРТН-500/4 с двойным рекуператором из сотового поликарбоната.
На рис. 5 приведены данные по температуре и влажности воздуха при работе установки ПВВУРТН-500/4 в режиме нагрева при понижении наружной температуры (улица).
На рис. 6 показаны данные по температуре и влажности воздуха при работе установки ПВВУРТН-500/4 в режиме вентиляции (дополнительный нагрев ТЭНами отключён, компрессор теплового насоса отключен) для оценки эффективности утилизации тепла двойным рекуператором.
На рис. 7 приведены данные по температуре и влажности воздуха при работе установки ПВВУРТН-500/4 в режиме нагрева (эл. ТЭН и компрессор теплового насоса включены).
На рис. 8 приведены данные по температуре и влажности воздуха при работе установки ПВВУРТН-500/4 в режиме охлаждения.
При анализе энергетического эффекта установки после испытаний были получены средние значения К (температурный коэффициент рекуператора) для установки с двойным рекуператором (сотовый поликарбонат). Для значения К=0,78 подсчитаем энергоэффективность от применения рекуператоров.
Примем для Москвы Тр=-28 °С; Тср=-15 °С, Тср.=-3,6 °С;
расход приточного воздуха 0=350 м3/ч;
стоимость Гкал тепловой энергии 1000 руб. / кВт;
стоимость электрической энергии 3,8 руб. / кВт;
температура подачи воздуха в жилое помещение +18 °С;
температура вытяжки воздуха из жилого помещения +20 °С.
При К=0,78 (двойной рекуператор):
- количество тепла, затрачиваемого на нагрев приточного воздуха без рекуперации 13821,2 кВт-ч за год;
- количество тепла, затрачиваемого на нагрев приточного воздуха с рекуператором 2253,6 кВт • ч за год;
- экономия тепла при использовании рекуператора 11567,6 кВт-ч за год или 9,948 Гкал за год.
Температурный коэффициент рекуператора вычисляются по формуле [2]
K=(ti-ts) / (*2-*з),
(2)
где íз - температура приточного воздуха перед рекуператором;
¿1 - температура приточного воздуха после рекуператора;
12 - температура вытяжного воздуха перед рекуператором.
Общую энергоэффективность от применения двойного пластинчатого рекуператора рассчитаем согласно [2]:
3=Q/N,
(3)
где Q - затраты энергии на нагрев (QJ или охлаждение (Qx) наружного воздуха;
N - потребляемая электрическая мощность;
Q.J, - затраты энергии на нагрев наружного воздуха;
Qx - затраты энергии на охлаждение наружного воздуха;
Эт - общая тепловая энергоэффективность
(коэффициент теплопроизводительности);
Эх - общая холодильная энергоэффективность (коэффициент холодопроизводительности -СОР);
Q,j,=5,3 кВт; N (потребляемое на нагрев)=0,85 кВт;
Q.^4,3 кВт; N (потребляемое на охлажде-ние)=0,77 кВт.
Следовательно, энергоэффективность (эффективность теплонасосной утилизации традиционно определяется так называемым холодильным коэффициентом (отношением холодопроизводительности к затраченной мощности - Эх) и тепловым коэффициентом (отношением теплопроизводительности к затраченной мощности - Эт)) при теплонасосной утилизации экспериментальной установкой ПВВУРТН-500/4 составит:
Эт=6,2; Эх=5,58.
То есть только за счёт использования двойного пластинчатого рекуператора экономия энергии при работе экспериментальной установки составит 20 % в год.
Затраты энергии на нагрев или охлаждение наружного воздуха вычисляются по формуле [2]
Q=G/3600-Rp-Cp(T2-Ti), [кВт],
(1)
где О - расход воздуха через рекуператор, м3/ч; Rp - плотность воздуха (1,2 кг/м3 при 20 °С); Ср=1,005 кДж/кг • К - удельная теплоёмкость
сухого воздуха; Т2 - температура воздуха за рекуператором; Т - температура воздуха перед рекуператором.
Полная энергоэффективность утилизации тепла (доля тепловой энергии, переданной в утилизирующем теплообменнике от той, которая могла бы быть передана теоретически) для двойного рекуператора (сотовый поликарбонат) составила 0,78 %.
Напрашивается вывод, что экономически целесообразно в создаваемом приточно-вытяжном устройстве использовать перекрестно-точный двойной рекуператор, который позволяет не только повысить КПД рекуперации, но и избежать предварительного подогрева приточного воздуха на входе в установку для исключения образования наледи и закупоривания сот рекуператора.
По проведенным лабораторным и натурным испытаниям экспериментального образца установки ПВВУРТН-500/4 снижение годового энергопо-
шнЕРШЁштурснтБЕШШЕтитшэнЕРШввФФЕшашшшЬ 21
требления получено на уровне 55 %, а снижение пикового энергопотребления порядка 30 %.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России ФЦП «Исследования
и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по государственному контракту № 16.516.11.6024 от 21 апреля 2011 года.
Литература
1. Заявка на получение патента на изобретение «Приточно-вытяжное вентиляционное устройство», регистрационный № 2012108297 от 06.03.2012 г.
2. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. - М.: Энергоиздат, 1982.
Forced-air and exhaust ventilating installation with a heatpump recovery of heat
G. P. Vasiliev,
D. T. S, INSOLAR innovative companies scientific director
N. A. Timofeev,
"Insolar-Energo", chief engineer
M. V. Kolesova,
"Insolar-Energo", environmental engineer
V. F. Gornov,
"Insolar-Energo", Department JSC design director
A. N. Dmitriev,
G. V. Plekhanov Russian University of Economics, D. T. S, Professor
The authors have developed a forced-air and exhaust ventilating installation with a heatpump recuperation of ventilating emissions heat, intended for use in inhabited apartments of mass building houses in climatic conditions of Moscow and the Moscow region. The goal means refusing of common system of ventilation with vents throughout the house, which covers an area of 1 m2 in each apartment. We suggest of autonomous and inexpensive supply and exhaust air conditioning systems for housing.
Keywords: ventilation emissions, forced-air and exhaust ventilating installation, recuperation, heat energy, recovery.
