Приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепла: принцип действия, обзор достоинств и недостатков

Поступление холодного воздуха в зимний период вызывает необходимость его обогрева для создания комфортного микроклимата в помещениях. Чтобы сократить затраты на электроэнергию, можно внедрить систему приточно-вытяжной вентиляции с функцией тепловой рекуперации.

Освоение принципов работы такой системы позволит существенно снизить тепловые потери при сохранении необходимого количества заменяемого воздуха. Давайте подробнее изучим этот вопрос.

Энергосбережение в системах вентиляции

В межсезонье, особенно осенью и весной, при кондиционировании помещений возникает серьезная проблема из-за значительной разницы температур между поступающим и внутренним воздухом. Холодный воздух опускается вниз, создавая неудобный микроклимат в домах, офисах и на производственных участках, а также превышая допустимый вертикальный температурный градиент в складах.

Одним из популярных решений данной проблемы является установка калорифера в систему приточной вентиляции. Этот прибор нагревает поступающий поток, но требует этого много электроэнергии, тогда как значительное количество теплого воздуха уходит наружу, что приводит к большому количеству тепловых потерь.

Активный выход теплого воздуха с паром показывает, что происходит потеря тепла, которое можно было бы использовать для отопления поступающего воздуха.

При близком расположении приточных и вытяжных каналов возможно частичное теплообмен между выходящим и входящим потоками. Это поможет снизить потребление энергии калорифером или вообще исключить его использование. Устройство, отвечающее за теплопередачу между воздухом различных температур, называется рекуператором.

В летний период, когда температура наружного воздуха значительно выше комнатной, рекуператор может использоваться для охлаждения поступающего потока.

Устройство блока с рекуператором

Структура систем приточно-вытяжной вентиляции с встраиваемым рекуператором достаточно проста, что позволяет осуществлять их поэлементное приобретение и установку самостоятельно. Если же сборка или монтаж вызывает затруднения, можно приобрести готовые решения в виде стандартных моноблочных конструкций или индивидуальных сборок, изготовленных по заказу.

Стандартная схема устройства системы приточно-вытяжной вентиляции с интегрированным рекуператором может быть дополнена другими элементами на усмотрение пользователя.

Основные компоненты и их характеристики

Корпус с тепло- и звукоизоляцией обычно изготавливают из листовой стали. При настенном монтаже он должен выдерживать давление, возникающее при монтаже, а также минимизировать вибрацию от вентиляторов.

Если воздух забирается и подается в различные помещения, то к корпусу подсоединяются воздуховоды. Они оснащены клапанами и заслонками для равномерного распределения потоков.

При отсутствии воздуховодов на приточном отверстии со стороны помещения устанавливают решетку или диффузор для равномерного потока. На улицу монтируют решетку для защиты от попадания в вентиляцию птиц, крупных насекомых и мусора.

Передвижение воздуха обеспечивают два вентилятора – осевого или центробежного типа. При наличии рекуператора естественная циркуляция воздуха в нужном объеме невозможна из-за создаваемого узлом аэродинамического сопротивления.

При установке рекуператора следует также установить фильтры тонкой очистки на входе каждого потока. Это нужно для уменьшения загрязнения теплообменника пылью и жировыми отложениями, в противном случае придется чаще проводить профилактические работы для нормального функционирования системы.

Фильтры необходимо периодически менять или очищать. В противном случае увеличение сопротивления потоку воздуха может привести к поломкам вентиляторов.

Один или несколько рекуператоров занимают основное пространство в устройстве приточно-вытяжной системы, их устанавливают по центру конструкции.

В условиях сильных морозов или низкой эффективности рекуператора для обогрева наружного воздуха можно установить дополнительный калорифер. Также при необходимости можно использовать увлажнитель, ионизатор и другие устройства для создания комфортного микроклимата в помещении.

Современные модели обычно имеют электронный блок управления. Более сложные версии имеют функции программирования по режимам работы в зависимости от физических параметров окружающей среды. Внешние панели имеют стильный дизайн, что облегчает их интеграцию в любой интерьер.

Решение проблемы с образованием конденсата

Охлаждение поступающего из помещения воздуха может привести к осаждению влаги и образованию конденсата. При высокой скорости потока большая его часть выходит наружу, не успевая накапливаться в рекуператоре. При медленном движении воздуха значительная часть влаги может остаться в устройстве. Поэтому требуется организовать механизмы для сбора и вывода влаги за пределы корпуса системы приточно-вытяжной вентиляции.

Простейшим устройством для сбора и отвода конденсата является поддон с уклоном в сторону дренажного отверстия, расположенный под рекуператором.

Вывод влаги осуществляется в закрытую емкость, которая должна быть установлена только внутри помещения, чтобы избежать замерзания дренажных каналов при низких температурах. Нет четкого алгоритма для расчета объема конденсата, образующегося в системах с рекуператором, поэтому его определяют экспериментальным методом.

Повторное использование конденсата для увлажнения воздуха нежелательно, так как он может впитывать загрязняющие вещества, такие как пот человека или разные запахи.

Для значительного уменьшения объема конденсата и устранения связанных с ним проблем имеет смысл установить отдельные вытяжные системы для ванных и кухонь, так как именно в этих зонах наблюдается высокая влажность. При наличии нескольких вытяжных зон необходимо ограничить воздухообмен между приключенной и жилой зоной посредством установки обратных клапанов.

При охлаждении выходящего потока до низких температур в рекуператоре конденсат превращается в лед, что приводит к уменьшению сечения потока и, как следствие, к снижению или полной остановке вентиляции.

Для периодического или единовременного размораживания рекуператора устанавливают байпас – обходной канал для поступающего воздуха. Когда поток проходит через обходной путь, прекращается теплоотдача, прогревается теплообменник, и лед превращается в жидкость. Вода затем стекает в поддон для сбора конденсата или испаряется наружу.

Принцип работы байпаса достаточно прост, поэтому его использование целесообразно при наличии риска образования наледи, так как разморозка рекуператора другими способами может быть сложной и длительной.

При запуске потока через байпас отсутствие нагрева приточного воздуха с помощью рекуператора требует автоматического включения калорифера.

Особенности различных типов рекуператоров

Существует несколько конструкций, реализующих теплообмен между холодным и теплым воздухом, каждая из которых имеет свои уникальные черты, определяющие функции для разных типов рекуператоров.

Пластинчатый перекрестный рекуператор

Конструкция пластинчатого рекуператора состоит из тонкостенных панелей, расположенных таким образом, чтобы чередовать потоки воздуха разных температур под углом 90 градусов. Одна из модификаций данного типа включает устройства с ребристыми каналами для прохождения воздуха, которые обеспечивают более высокий коэффициент теплообмена.

Чередование прохождения потоков осуществляется за счет загибания краев панелей и герметизации соединений полиэфирной смолой.

Теплообменные панели могут быть изготовлены из различных материалов:

• медь, латунь и алюминиевые сплавы характеризуются высокой теплопроводностью и устойчивы к коррозии;
• пластик из гидрофобного полимерного материала обладает легким весом и высоким коэффициентом теплопроводности;
• гигроскопическая целлюлоза позволяет влаге проходить через пленку и возвращаться в помещение.

Недостатком может стать возможность образования конденсата при низких температурах. Узкое расстояние между панелями способствует значительному увеличению аэродинамического сопротивления из-за влаги или наледи. В случае обмерзания потребуется перекрыть поступающий воздух для разморозки панелей.

Преимущества пластинчатых рекуператоров включают:

• низкую стоимость;
• долгий срок эксплуатации;
• долгий интервал между сервисным обслуживанием и простоту его проведения;
• компактные размеры и малый вес.

Такой вид рекуператора чаще всего используется в жилых и офисных пространствах, кроме того, он применяется и в некоторых технологических процессах, например, для оптимизации сжигания топлива в печах.

Барабанный или роторный рекуператор

Работа роторного рекуператора основана на вращении теплообменника, который содержит слои гофрированного металла с высокой теплоемкостью. Во время взаимодействия с выходящим потоком происходит нагрев секции барабана, что впоследствии способствует отдаче тепла поступающему воздуху.

Мелкоячеистый теплообменник роторного рекуператора подвержен загрязнению, поэтому важно уделять особое внимание качественной работе фильтров.

Преимущества роторных рекуператоров заключаются в:

• высоком коэффициенте полезного действия по сравнению с другими типами;
• возврате большого объема влаги, которая накопилась на барабане и испаряется при взаимодействии с поступающим сухим воздухом.

Данный тип рекуператоров не так часто применяется в жилых зданиях с квартирной или частной вентиляцией. В основном их используют в крупных котельных для возврата тепловой энергии к печам, а также в больших промышленных или торгово-развлекательных помещениях.

Тем не менее, у этих устройств имеются значительные недостатки:

• сложная конструкция с подвижными элементами, такими как электромотор, барабан и ременной привод, что требует регулярного технического обслуживания;
• высокий уровень шумов.

Часто встречается термин «регенеративный теплообменник» для обозначения таких устройств, что более верно, чем «рекуператор». Это объясняется тем, что небольшая часть выходящего воздуха возвращается, из-за недостаточно плотного прилегания барабана к корпусу.

Эта особенность накладывает ограничения на использование таких систем. Например, нельзя применять загрязнённый воздух от отопительных печей в качестве теплоносителя.

Система на основе трубок и кожуха

Трубчатый рекуператор состоит из тонкостенных трубок небольшого диаметра, расположенных в изолированном кожухе, по которым поступает свежий внешний воздух. Тёплая воздушная масса, удаляемая из помещения, циркулирует по кожуху, подогревая входящий поток воздуха.

Удаление тёплого воздуха должно происходить через кожух, а не посредством трубок, так как из последних сложно вывести конденсат.

Основные преимущества трубчатых рекуператоров включают:

• высокий коэффициент полезного действия (КПД) за счёт противоточного движения теплоносителя и поступающего воздуха;
• простота конструкции без подвижных частей, что обеспечивает низкий уровень шума и редкую необходимость в техническом обслуживании;
• долговечность;
• наименьшее сечение среди всех типов рекуператоров.

Для производства трубок часто используют легкосплавные металы или, что реже, полимерные материалы. Эти вещества не поглощают влагу, что может привести к образованию конденсата при значительной разнице температур, и поэтому нужно предусмотреть решение для его удаления. К тому же, металлические элементы имеют немалый вес, несмотря на компактные размеры.

Простота конструкции трубчатых рекуперов делает этот тип устройства популярным для самостоятельного изготовления. Как внешний кожух обычно используются пластиковые трубы для воздуховодов с утеплением из пенополиуретана.

Устройство с промежуточным теплоносителем

Иногда воздуховоды для подачи и вытяжки могут располагаться на некотором расстоянии друг от друга. Это может быть обусловлено конструктивными особенностями здания или санитарными нормами, требующими надежного разделения потоков воздуха.

В таких ситуациях используется промежуточный теплоноситель, который циркулирует по изолированным трубопроводам между воздуховодами. В качестве теплоносителя могут выступать вода или водно-гликолевые растворы, движение которых поддерживается тепловым насосом.

Рекуператоры с промежуточным теплоносителем представляют собой громоздкие и дорогостоящие устройства, применение которых оправдано в больших помещениях.

Если есть возможность использовать другие типы рекуператоров, то лучше избегать системы с промежуточным теплоносителем, так как она имеет ряд значительных недостатков:

• низкий КПД по сравнению с другими вариантами, поэтому в небольших помещениях их не используют;
• значительный габарит и вес системы;
• необходимость в дополнительном электропомпе для циркуляции жидкости;
• увеличенный уровень шума от работы насоса.

Существует вариант системы, где вместо принудительной циркуляции теплообменной жидкости используется вещество с низкой температурой кипения, например, фреон. В этом случае движение жидкости возможно само собой, если воздуховод для притока расположен выше вытяжного.

Такая система не требует дополнительных затрат электроэнергии, но эффективно работает только при значительной разнице температур. К тому же, необходима точная настройка точки кипения теплообменной жидкости, что может быть достигнуто изменением давления или химического состава.

Основные технические параметры

Понимая необходимую производительность системы вентиляции и КПД теплообмена рекуператора, можно легко рассчитать экономию на обогреве воздуха в помещении при определённых климатических условиях. Сравнив возможные выгоды с затратами на покупку и обслуживание системы, можно сделать обоснованный выбор между рекуператором и стандартным калорифером.

Производители оборудования часто предлагают линейку моделей, в которой блоки вентиляции с схожими функциями различаются по объёмам воздухообмена. Для жилых помещений этот параметр следует рассчитывать согласно таблице 9.1. СП 54.13330.2016.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия рекуператора обозначает эффективность теплообмена, которая вычисляется по следующей формуле:

• Т_п – температура входящего воздуха в помещение;
• Т_н – температура наружного воздуха;
• Т_в – температура внутри помещения.

Максимальное значение КПД при стандартной скорости воздуха и заданных температурах указывается в технической документации устройства. Реальное значение будет немного ниже.

При самостоятельном изготовлении пластинчатого или трубчатого рекуператора для достижения максимальной теплообменной эффективности рекомендуется придерживаться следующих принципов:

• Наилучший теплообмен наблюдается в противоточном исполнении, затем в перекрёстном, а худший – с однонаправленным движением обоих потоков.
• Интенсивность теплообмена зависит от качества и толщины стенок, разделяющих потоки, а также от времени, на которое воздух находится внутри устройства.

Зная КПД рекуператора, можно посчитать его энергоэффективность при различных температурах как внутреннего, так и наружного воздуха:

Е (Вт) = 0,36 х Р х К х (Т_в – Т_н)

где Р (м³/час) – объём воздуха.

Рассмотрев эффективность рекуператора в денежном эквиваленте и сравнив её с затратами на покупку и установку для двухэтажного коттеджа площадью 270 м², можно обоснованно утвердить целесообразность внедрения такой системы.

Хотя стоимость рекуператоров с высоким КПД значительна, их сложная конструкция и размеры могут быть компенсированы установкой нескольких более простых устройств, через которые воздух проходит последовательно.

Производительность вентиляционной системы

Объем проходящего воздуха определяется статическим давлением, которое зависит от мощности вентилятора и основных узлов, создающих аэродинамическое сопротивление. Как правило, точно рассчитать его невозможно из-за сложности математических моделей, поэтому для стандартных моноблочных конструкций проводят экспериментальные испытания, а для индивидуальных систем приходится подбирать компоненты.

Мощность вентилятора следует выбирать, учитывая расчетную пропускную способность устанавливаемых рекуператоров, обозначаемую в технической документации как рекомендуемая скорость потока или объём, который устройство может обработать за определённый период. Обычно допустимая скорость воздуха внутри устройства не превышает 2 м/с.

В противном случае при высоких скоростях в узких элементах рекуператора резко возрастает аэродинамическое сопротивление, что ведёт к перерасходу электроэнергии, неэффективному прогреву наружного воздуха и сокращению срока службы вентиляторов.

График зависимости потери давления от скорости воздуха для нескольких моделей высокопроизводительных рекуператоров демонстрирует нелинейный рост сопротивления, поэтому нужно строго придерживаться значений рекомендуемого объема воздухообмена, указанных в техдокументации.

Изменение направления потока воздуха создаёт дополнительное аэродинамическое сопротивление, поэтому при проектировании геометрии воздуховода в помещении рекомендуется минимизировать количество поворотов труб на угол 90 градусов. Диффузоры для равномерного распределения воздуха также увеличивают сопротивление, поэтому стоит избегать элементов со сложным дизайном.

Заполненные грязью фильтры и решётки значительно затрудняют движение воздушного потока, поэтому их необходимо своевременно очищать или заменять. Эффективным способом контроля загрязненности является установка датчиков, фиксирующих перепады давления перед фильтром и после него.

Выводы и полезное видео по теме

Принцип работы роторного и пластинчатого рекуператоров:

Измерение КПД рекуператора пластинчатого типа:

Системы вентиляции для бытового и промышленного применения с интегрированным рекуператором подтвердили свою энергетическую эффективность в сохранении тепла внутри помещений. В настоящее время имеется множество предложений по продаже и установке таких устройств как в виде готовых, так и по индивидуальным проектам. Выполнить необходимые расчёты и монтаж можно самостоятельно.

Если у вас возникли вопросы или вы заметили неточности в нашем материале, пожалуйста, оставляйте свои комментарии в блоке ниже.