Рекуперация тепла в системах вентиляции: принцип работы и варианты исполнения

В процессе вентилирования из помещения утилизируется не только отработанный воздух, но и часть тепловой энергии. Зимой это приводит к увеличению счетов на энергоресурсы.

Сократить неоправданные расходы, не в ущерб воздухообмену, позволит рекуперация тепла в системах вентиляции централизованного и локального типа. Для регенерации тепловой энергии используются разные виды теплообменников – рекуператоры.

В статье подробно описаны модели агрегатов, их конструктивные особенности, принципы работы, достоинства и недостатки. Изложенная информация поможет в выборе оптимального варианта для обустройства вентиляционной системы.

Понятие рекуперации: принцип работы теплообменника

В переводе с латинского, рекуперация означает возмещение или обратное получение. В отношении теплообменных реакций, рекуперация характеризуется как, частичный возврат энергии, затраченной на проведение технологического действия с целью применения в этом же процессе.

В вентиляционной системе принцип рекуперации используется для экономии тепловой энергии.

По аналогии происходит рекуперация охлаждения в жаркую погоду – теплые приточные массы нагревают выводимую «отработку» и их температура понижается.

Процесс регенерации энергии осуществляется в рекуперационном теплообменнике. Устройство предусматривает наличие теплообменного элемента и вентиляторов для прокачивания разнонаправленных воздухопотоков. Для управления процессом и контроля качества подачи воздуха используется система автоматики.

Конструкция разработана так, чтобы приточные и вытягиваемые потоки находились в отдельных отсеках и не смешивались – теплоутилизация осуществляется через стенки теплообменника.

Разобраться и понять, что такое вентиляция с рекуперацией поможет наглядная схема циркуляции воздуха.

Через вытяжки во влажных помещениях (туалет, ванная, кухня) происходит отток отработанного воздуха. До того, как удалиться наружу, он проходит сквозь рекуператор и оставляет часть тепла. Подаваемый воздух движется во встречном направлении, нагревается и поступает в жилые комнаты (+)

Целесообразность рекуператора в вентиляции

Говорить о целесообразности обустройства рекуперативной вентиляции можно, оценив эффективность системы и сопоставив ее достоинства с недостатками.

От отработанного вытягиваемого наружу воздуха забирается часть тепла и передается нагнетаемым свежим струям, направленным вовнутрь помещения. Это позволяет снизить теплопотери до 70% (+)

Необходимость использования рекуперации тепла наиболее актуальна в зданиях с принудительным выводом воздуха. Как правило, это малоинерционные строения, возведенные с использованием инновационных теплоизоляционных технологий (дома из сэндвич-панелей, газосиликатных плит, пеноблоков).

В таких постройках стены плохо аккумулируют тепло, а естественный воздухообмен малоэффективен.

Однако проблемы с циркуляцией воздуха характерны и для «традиционных» построек из кирпича и бетона. Наличие герметичных тепло-звукоизолирующих ПВХ-окон блокирует циркуляцию с естественным побуждением – приток свежего воздуха останавливается, а тяга в вентканале опрокидывается или стремится к нулю.

Решение проблемы «евроокон» — организация принудительной вентиляции. Система восстанавливает воздухообмен, но при этом теплопотери увеличиваются до 60%. И здесь уже не обойтись без тепловой рекуперации.

Эффективность обменного процесса выражается в процентах и показывает количество затраченного тепла от вытяжного воздуха на обогрев свежей «приточки»

Показатель КПД вентиляционной рекуперации тепла:

• 0% — открытое окно – теплый воздух удаляется в атмосферу, а холодный попадает вовнутрь, понижая температуру в помещение;
• 100% — приточный воздух разогревается до температуры «отработки» — технически реализовать невозможно;
• 30-90% — допустимый параметр, хорошей считается рекуперация с эффективностью 60% и более, КПД свыше 80% — отличный теплообмен.

Эффективность системы зависит от типа рекуператора, габаритов помещения и расхода воздуха. В любом случае, использование рекуперационной вентиляции даже с КПД в 30% выгоднее, чем ее отсутствие. Кроме существенной экономии на энергоресурсы, «регенерация» тепла улучшает общий микроклимат в помещении.

Недостатки использования теплообменника:

1. Энергозависимость. Покупка климатического оборудования оправдана, если потребление электроэнергии будет значительно меньше, чем ее экономия после установки рекуператора.
2. Выпадение конденсата. Из-за разности температур на стенках теплообменника может конденсироваться влага. Зимой есть вероятность обледенения, что чревато стремительным снижением КПД или выходом рекуператора из строя.
3. Шумная работа. Некоторые модели в процессе эксплуатации издают гул. Если днем этот недостаток не особо ощутим, то ночью шум доставляет дискомфорт. Рекуператоры с улучшенной изоляцией работают тихо.

Высокие первоначальные инвестиции часто становятся главным аргументом против энергоэффективной вентиляции.

Целесообразно вкладывать деньги в ту систему, которая окупиться в течение 5-8 лет. Надо учесть, что для обслуживания комплекса придется нести дополнительные расходы, например, периодическая замена вентиляторов

Особенности разных видов теплообменников

Конструкция рекуператора определяет схему движения теплоносителя, эффективность вентиляционной системы, класс энергопотребления и стоимость оборудования. Применяется пять вариантов теплообменников: пластинчатый, роторный, тепловые трубки, камерные устройства и модели с промежуточным теплоносителем.

Пластинчатый рекуператор – простота конструкции

Основа теплообменника – герметичная камера с множеством параллельных воздуховодов. Каналы разделены перегородками – теплопроводящими пластинами, изготовленными из стали или алюминия.

Волнообразные пластины (60-70 штук) сгруппированы в одном блоке так, чтобы образованные каналы располагались перекрестно друг к другу – созданная турбулентность улучшает теплообмен (+)

Потоки газов движутся навстречу друг друга, пересекаются в кассете рекуператора, но не перемешиваются. Тепловой обмен осуществляется за счет единовременного охлаждения и нагрева пластинок с разных сторон.

Достоинства перекрестного теплообменника:

• простота монтажа и настройки оборудования;
• исключение контакта воздушных масс;
• доступная стоимость и компактные габариты;
• отсутствие трущихся и подвижных деталей.

Показатель эффективности варьируется в диапазоне 40-70%.

Основной недостаток пластинчатой модели – оседание конденсата в вытяжном канале и образование наледи зимой. Для размораживания агрегата входящая струя перенаправляется в обход теплообменника, а теплый выходящий поток растапливает лед на пластинах.

В режиме «разморозки» экономия энергии не происходит, для подогрева поступающего воздуха применяются калориферы мощностью до 5 кВт. Усредненное значение КПД падает на 20% (+)

Возможны два пути решения проблемы:

1. Предварительный подогрев поступающего воздухопотока до температуры, при которой образование наледи исключено.
2. Рекуператор с пластинами из гигроскопической целлюлозы. Материал впитывает влагу из отработанных воздушных масс и передает ее вновь поступающим потокам.

При выборе перекрестного теплообменника следует учесть эксплуатационные особенности пластин.

Их характеристики зависят от материала изготовления:

1. Алюминиевая фольга – доступная стоимость, но ограниченная производительность зимой. Кроме того, не рекомендовано для жилых помещений из-за просушивания воздуха. Модификации с алюминиевой «начинкой» — оптимальный вариант для бань и бассейнов.
2. Пластиковые перегородки – по цене аналогичны металлическим изделиям, но отличаются улучшенной эффективностью работы.
3. Целлюлозный теплообменник – препятствуют обмерзанию и поддерживают нормальное влагосодержание внутри помещения.

Гигроцеллюлозный рекуператор наиболее экономичен и оптимален для вентиляции жилых построек.

Роторный рекуператор – высокая эффективность системы

Теплообменник представлен в виде цилиндра, заполненного прослойками гофрированного металла. По мере вращения барабанной установки в каждый отсек поочередно поступают теплые или холодные струи воздуха.

Конструкция роторного рекуператора: вал вращения и два воздушных канала. Один участок ротора нагревается «отработкой», барабан прокручивается и тепло перенаправляется холодным массам, сосредоточенным в соседнем канале (+)

КПД теплообмена определяется скоростью вращения ротора, эффективность работы можно регулировать.

Аргументы «за» роторный рекуператор:

• возврат тепла до 65-90%;
• экономичность расхода электроэнергии;
• частичное возмещение влаги – можно обойтись без увлажнителя;
• период окупаемости – до 4-х лет.

Несмотря на высокую эффективность, теплообменник барабанного типа не стал лидером среди аналогичных установок.

Минусы вентиляционной системы:

1. Подмес загрязненного воздуха в приток. Через микроканалы поочередно циркулируют вытяжные и приточные массы, поэтому около 3-8% «отработки» возвращаются обратно. Барабан часто передает запах исходящего воздуха.
2. Сложность конструкции. Вращающиеся части ротора нуждаются в регулярном обслуживании и периодической замене. Движущиеся элементы во время работы издают шум и вибрацию.
3. Высокая стоимость. Цена на роторные модели выше, чем на пластинчатые изделия. Это обусловлено использованием сложной механики в конструкции барабанного теплообменника.
4. Большие размеры. Монтаж осуществляется в просторной венткамере.

Из-за громоздкости роторные установки используются преимущественно на промышленных предприятиях.

Для минимизации смешивания воздухопотоков роторные рекуператоры дополняются промежуточными секторами – здесь микроканалы продуваются свежим воздухом, который поступает обратно в вытяжку. Минус схемы – снижение КПД (+)

Связанные теплообменники – гликолевая модель

Рекуперационную установку с промежуточным теплоносителем из-за конструктивных особенностей часто называют связанными теплообменниками или глеколевым агрегатом. Это одна из самых гибких систем теплоутилизации. Один теплообменник врезается в приточный канал, а второй – в вытяжку.

В схеме обвязки присутствуют: циркуляционный насос, расширительный бак, воздушный клапан, контроллер, температурный датчик, предохранительный клапан, индикатор давления (+)

Принцип работы. Гликолиевый состав циркулирует между теплообменниками. Температура теплоносителя возрастает благодаря разогретому удаляемому потоку, а затем тепловая энергия передается свежему воздуху. Замкнутая система исключает смешивание встречных воздушных масс.

Особенности работы теплообменников с теплоносителем:

• КПД – 45-55%;
• регулировка эффективности с помощью насоса – выбирается скорость движения антифриза;
• возможность размещения приточно-вытяжных воздуховодов удаленно друг от друга (до 800 м);
• монтаж рекуператора осуществляется вертикально или горизонтально;
• в сильный мороз поверхность вытяжного теплообменника обмерзает – появляется лед; использование антифриза позволяет эксплуатировать рекуператор, не прибегая к разморозке;
• срок окупаемости системы – до 2-х лет;
• допустима комбинация 1 вытяжки и нескольких притоков или наоборот.

Объем удаляемого и поступаемого воздуха должен быть приблизительно равным. Такие рекуператоры обычно используются, если приток токсичен или сильно загрязнен, когда смешивание потоков недопустимо.

Камерный узел – универсальность применения

Конструктивно, камерный теплообменник – закрытый короб, разделенный внутри движущейся заслонкой. Открывающаяся перегородка определяет схему работы рекуператора.

Отток проходит вдоль одного канала, а приток поступает во вторую камеру. В теплообменнике теплые массы нагревают стенки первого отсека. Через время заслонка передвигается и воздухопоток изменяет направление

В результате – приток движется вдоль теплых стенок первого воздуховода, а «отработка» нагревает поверхность второй камеры. В определенный момент перегородка становится обратно и цикл повторяется.

Преимущества камерного теплообменного узла:

• КПД – 80-90%;
• в тандеме с качественной теплоизоляцией расходы на отопление сводятся к минимуму;
• простота монтажа – помощь специалистов понадобится при выборе параметров вентустановки;
• сохранение уровня влажности;
• исключено обмерзание системы.

Камерный рекуператор – отличный вариант для регионов, где в течение года длительный период наблюдается существенный дисбаланс между температурой внутри помещения и на улице.

К недостаткам узла регенерации тепла относятся:

• необходимость регулярного техобслуживания подвижных элементов;
• встречные воздушные струи частично смешиваются – запахи и примеси могут поступать обратно в здание.

Для сокращения подмеса система комплектуется фильтрующим элементом. Воздух становится чище, но эффективность рекуператора падает.

Тепловые трубки – закрытая система теплообмена

Рекуператор состоит из множества медных или алюминиевых трубок, заполненных легкоиспаряющимся веществом, например, фреоном. Принцип функционирования трубчатого теплообменника базируется на физических процессах – изменении состояния вещества при нагревании.

Термотрубка размещается вертикально – нижний конец теплообменника в вытяжном канале, а верх – в приточном воздуховоде. Исходящие потоки огибают конец трубки – фреон нагревается, вскипает и выпаривается (+)

Газ поднимается и отдает тепловую энергию притоку, после чего фреон конденсируется и стекает вниз рекуператора. Термический цикл повторяется по кругу.

Технико-эксплуатационные характеристики трубчатого теплообменника:

• эффективность устройства – до 65%;
• бесшумность работы благодаря отсутствию движущихся элементов;
• простота конструкции и неприхотливость в обслуживании;
• компактность —  небольшие габариты и незначительный вес;
• энегронезависимость – теплоноситель циркулирует естественным путем;

Веское преимущество состоит в том, что воздушные потоки притока и обратки не перемешиваются.

Слабые стороны тепловых трубок:

• высокий уровень КПД достигается при узком температурном диапазоне – при резком перегреве весь фреон испаряется, а при недостаточном нагреве интенсивность парообразования замедляется;
• невысокая прочность трубок – изменение формы или разгерметизация снижает работоспособность оборудования.

Трубчатые рекуператоры применяются в частном строительстве, в административных, офисных зданиях и небольших промышленных площадях.

Способы организации рекуперативной вентиляции

Рекуперация обустраивается одним из способов: централизованно и децентрализовано. В первом случае через теплообменник проходят вентиляционные потоки со всего помещения, во втором – с одной комнаты.

Централизованный комплекс – приточно-вытяжная установка

Централизованная система обустраивается на этапе строительства или капитальной модернизации вентсистемы.

Подбирается принудительная приточно-вытяжная установка (ПВУ) с вмонтированным рекуператором. Основной критерий выбора – общая производительность комплекса из расчета на весь объем воздуха в сооружении (+)

ПВУ с рекуператором обеспечивает достаточный воздухообмен даже в домах с герметичными окнами. При этом воздухопотоки распределяются равномерно, не создавая сквозняков.

Комплексные приточно-вытяжные установки моноблочного типа укомплектованы:

• вентиляторами – круглосуточная подача чистого воздуха и выброс струй, насыщенных углекислым газом;
• нагревателями – предварительный подогрев притока;
• фильтрами – задерживают пыль и микрочастицы;
• рекуператором — могут использоваться разные типы установок.

Функционал некоторых ПВУ расширен таймером отсрочки работы, регулятором мощности, датчиками уровня влажности и тд.

Корпус моноблочных моделей покрыт шумопоглощающим материалом, благодаря чему работа ПВУ становится очень тихой. Возможны вертикальные, горизонтальные и подвесные варианты исполнения вентустановок

Хорошо зарекомендовали себя рекуперационные моноблочные ПВУ производства: «Вентс» (Украина), Dantherm (Дания), «Daikin» (Япония), «Dantex» (Англия).

Локальные агрегаты – дополнение к действующей вентсистеме

Для восстановления циркуляции воздушных масс в эксплуатируемом помещении подойдут децентрализованные приточники с рекуперацией тепла.

Они врезаются в фасад здания или монтируются через окно. Их основная задача — улучшение приточной вентиляции в доме.

В локальных рекуператорах предусмотрен вентилятор и пластинчатый теплообменник. «Рукав» приточника изолирован шумопоглощающим материалом. Блок управления компактных вентустановок размещается на внутренней стене

Особенности децентрализованных вентсистем с рекуперацией:

• КПД – 60-96%;
• невысокая производительность – устройства рассчитаны на обеспечения воздухообмена в помещениях до 20-35 кв.м;
• доступная стоимость и широкий выбор агрегатов, начиная от обычных стеновых клапанов до автоматизированных моделей с многоступенчатой системой фильтрации и возможностью регулировки влажности;
• простота монтажа – для ввода в эксплуатацию не требуется прокладка воздуховодов, установить стеновой клапан можно самостоятельно.

Популярные производители локальных рекуператоров: Prana (Украина), O.Erre (Италия), Blizzard (Германия), Вентс (Украина), Aerovital (Германия).

Важные критерии выбора стенового приточника: допустимая толщина стены, производительность, КПД рекуператора, диаметр воздушного канала и температура перекачиваемой среды

Выводы и полезное видео по теме

Сравнение работы естественной вентиляции и принудительной системы с рекуперацией:

Принцип функционирования централизованного рекуператора, расчет КПД:

Устройство и порядок работы децентрализованного теплообменника на примере стенового клапана Prana:

Через вентсистему из помещения уходит порядка 25-35% тепла. Для сокращения потерь и эффективной теплоутилизации используются рекуператоры. Климатическое оборудование позволяет задействовать энергию отработанных масс для нагрева поступающего воздуха.

Есть, что дополнить, или возникли вопросы по работе разных вентиляционных рекуператоров? Оставляйте, пожалуйста, комментарии к публикации, делитесь опытом эксплуатации таких установок. Форма для связи находится в нижнем блоке.