Рекуперация тепла в системах вентиляции: принцип работы и варианты исполнения

При проветривании помещений происходит не только удаление старого воздуха, но и утечка тепловой энергии. В зимний период это приводит к росту энергозатрат.

Эффективное уменьшение непроизводительных расходов при сохранении необходимого воздухообмена возможно благодаря технологии тепловой рекуперации в системах вентиляции как централизованного, так и локального назначения. Разные типы теплообменников, известные как рекуператоры, используются для восстановления тепловой энергии.

В данной статье рассмотрены различные модели агрегатов, их конструктивные особенности, принципы их работы, а также их плюсы и минусы. Представленная информация поможет вам выбрать наиболее подходящий вариант для создания вентиляционной системы.

Понятие рекуперации: принцип работы теплообменника

С латинского языка термин «рекуперация» переводится как возмещение или получение обратно. В контексте тепловых процессов рекуперация подразумевает частичное возвращение энергии, потраченной на выполнение технологического процесса, с целью использования её вновь в том же процессе.

В системах вентиляции этот принцип применяется для экономии теплоты.

Аналогично, в жаркое время года возможно осуществление рекуперации холодного воздуха – теплые приточные массы отдают тепло выталкиваемому «отработанному» воздуху, в результате чего их температура понижается.

Рекуперация тепловой энергии в системах вентиляции способствует снижению расходов на обслуживание, при этом сохраняя требуемый уровень воздухообмена.

Использовать установки для тепловой рекуперации стоит в системах вентиляции с механическим движением воздуха.

Рекуператоры обычно устанавливают на чердаке или в других подсобных помещениях, чтобы работающие устройства не мешали жителям домов, посетителям спортивных учреждений и рабочим в производственных цехах.

Смешанный поток воздуха, уже прошедший через рекуперацию и дополненный свежим воздухом, подается в помещения через вентиляционные решетки в воздуховодах.

При проектировании вентиляционных контуров для производственных помещений с учетом сохранения тепла и добавлением свежего воздуха, оборудование для обработки воздушного потока располагается на чердаке, а воздуховоды монтируются под потолком.

Кроме повторного использования тепла, оборудование вентиляции также осуществляет фильтрацию воздуха, удаляя пыль и токсические вещества.

Современные рекуператоры оснащены системами, которые уменьшают потребление энергии, благодаря чему значительно снижены затраты на электроэнергию.

Хотя рекуперация является экономичным решением для систем с принудительной вентиляцией, ее чаще используют только как дополнение – основное количество воздуха в зимний период обрабатывается нагревателем.

Процесс возврата тепла осуществляется в рекуперационных теплообменниках. Эти устройства включают теплообменный элемент и вентиляторы для обеспечения движения воздуха различных направлений. Используется автоматизированная система для контроля и управления подачей воздуха.

Конструкция агрегатов разработана так, чтобы потоки свежего и вытяжного воздуха не смешивались, а теплообмен происходил только через стенки теплообменника.

Наглядная схема циркуляции позволяет лучше понять, как работает вентиляция с рекуперацией.

Вентиляционные отверстия в помещениях с повышенной влажностью (таких как ванная, туалет и кухня) предназначены для оттока отработанного воздуха. Перед тем как выйти на улицу, этот воздух проходит через рекуператор и отдаёт часть своего тепла. Постоянно поступающий воздух двигается навстречу, нагревается и попадает в жилые комнаты (+)

Целесообразность рекуператора в вентиляции

Оптимальность конструкции рекуперативной вентиляции можно оценить через её эффективность, сопоставив преимущества и недостатки системы.

Из вытяжного воздуха извлекается тепловая энергия и передаётся в свежие воздушные потоки, что позволяет сократить теплопотери до 70% (+)

Необходимость применения ветро-рекуперации особенно актуальна в зданиях с принудительной системой вентиляции. Чаще всего это малоинерционные объекты, построенные с использованием современных теплоизоляционных технологий (например, из сэндвич-панелей, газосиликатных блоков и пеноблоков).

В подобных постройках стены не обладают хорошей теплоаккумуляцией, а естественный воздухообмен может быть крайне неэффективным.

Однако трудности с циркуляцией воздуха наблюдаются и в «традиционных» зданиях, построенных из кирпича и бетона. Герметичные окна из ПВХ, эффективно изолирующие и звукоизолирующие, блокируют естественный воздухообмен, что приводит к прекращению притока свежего воздуха, а тяга в вентиляционных каналах может понижаться или полностью исчезать.

Одним из решений проблемы с «евроокнами» является внедрение принудительной вентиляции. Эта система восстанавливает воздухообмен, однако приводит к увеличению теплопотерь до 60%, и в таком случае становится необходимой тепловая рекуперация.

Эффективность процесса обмена теплом выражается в процентах и отражает, сколько тепла из вытяжного воздуха используется для нагрева свежего воздуха.

Показатели эффективности рекуперации тепла:

• 0% — открытое окно, теплый воздух уходит наружу, а холодный проникает внутрь, что понижает температуру в помещении;
• 100% — приточный воздух нагревается до температуры «отработанного» — это невозможно реализовать на практике;
• 30-90% — приемлемый уровень, рекуперация с эффективностью 60% и выше считается хорошей, КПД свыше 80% — это уже отличный теплообмен.

Эффективность системы зависит от типа рекуператора, размеров помещения и расхода воздуха. В любом случае, применение рекуперативной вентиляции даже с КПД 30% оказывается более выгодным, чем её отсутствие. Она не только позволяет значительно сэкономить на энергии, но и улучшает общий микроклимат в помещениях.

Недостатки использования теплообменника заключаются в следующем:

1. Энергозависимость. Расходы на приобретение климатического оборудования оправданы, если экономия по электроэнергии после установки рекуператора превышает его потребление.
2. Конденсат. На стенках теплообменника возможна конденсация влаги из-за разницы температур, в зимний период это может привести к образованию льда, что негативно сказывается на КПД или может даже вывести рекуператор из строя.
3. Шум. Некоторые модели во время работы могут создавать шум. В дневное время его влияние не сильно ощущается, но ночью это становится проблемой. Рекуператоры с улучшенной звукоизоляцией работают значительно тише.

Высокие первоначальные затраты часто служат основным фактором против внедрения энергоэффективной вентиляции.

Целесообразно инвестировать в систему, которая окупится в течение 5-8 лет. Не забывайте учитывать дополнительные затраты на обслуживание, например, регулярную замену вентиляторов.

Особенности разных видов теплообменников

Конструкция рекуператора определяет схему движения теплоносителя, эффективность всей системы вентиляции, класс энергопотребления и стоимость оборудования. Существует пять типов теплообменников: пластинчатый, роторный, теплообменники с трубами и камерные устройства, а также модели с промежуточным теплоносителем.

Пластинчатый рекуператор – простота в конструкции

Главный элемент теплообменника — герметичная камера, насчитывающая множество параллельных каналов. Эти каналы разделены перегородками – тепло проводящими пластинами из стали или алюминия.

Гофрированные пластины (60-70 штук) в одном блоке расположены так, что образуются перекрестные каналы, создавая турбулентность, что улучшает теплообмен (+)

Газовые потоки движутся навстречу друг другу и пересекаются в кассете рекуператора, но не смешиваются. Теплообмен происходит благодаря одновременному охлаждению и нагреву пластин с разных сторон.

Преимущества перекрестного теплообменника:

• простота установки и настройки;
• исключение смешивания воздушных потоков;
• приемлемая цена и компактные размеры;
• отсутствие движущихся и трущихся компонентов.

Эффективность колеблется в пределах 40-70%.

Среди явных недостатков пластинчатой модели – оседание конденсата в вытяжном канале и вероятность появления наледи зимой. Для размораживают оборудования входящий поток перенаправляется мимо теплообменника, а теплый выходящий воздух способствует растапливанию льда на пластинах.

В ходе размораживания энергия не экономится, для подогрева входящего воздуха потребуются калориферы мощностью до 5 кВт. Среднее значение КПД понижается на 20% (+)

Существуют два решения данной проблемы:

1. Предварительный нагрев входящего потока воздуха до температуры, при которой образование льда исключено.
2. Использование рекуператора с пластинами из гигроскопической целлюлозы, которые впитывают влагу из отходящих воздушных потоков и передают ее вновь поступающим.

При выборе перекрестного теплообменника важно учитывать эксплуатационные характеристики пластин.

Их параметры зависят от применяемого материала:

1. Фольга из алюминия – недорогая, но её эффективность зимой ограничена. Кроме того, она не рекомендуется для жилых помещений из-за чрезмерного осушения воздуха. Модификации с алюминиевыми элементами – оптимальный выбор для ванных и бассейнов.
2. Пластиковые перегородки – по цене сопоставимы с металлическими, однако отличаются более высоким уровнем эффективности.

Теплообменник на основе целлюлозы — предотвращает образование наледи и поддерживает оптимальную влажность в помещениях.

Гигроцеллюлозный рекуператор считается наиболее экономичным вариантом для обеспечения вентиляции жилых зданий.

Роторный рекуператор – высокая эффективность системы

Данная система представляет собой цилиндр, заполненный слоями гофрированного металла. В результате вращения барабана теплые или холодные потоки воздуха последовательно попадают в разные секции.

Конструкция роторного рекуператора включает вал и два канала для воздуха. Один из сегментов ротора подогревается отработанным воздухом, при этом вращающийся барабан передает тепло к холодным потокам, которые находятся в соседнем канале (+)

Эффективность теплообмена зависит от скорость вращения ротора, также есть возможность регулировать его производительность.

Преимущества роторного рекуператора:

• возвращаемое тепло составляет 65-90%;
• экономия на электроэнергии;
• частичное сохранение влаги – наличие увлажнителя не требуется;
• время окупаемости – до 4-х лет.

Несмотря на свою высокую эффективность, роторный теплообменник не стал самым популярным среди аналогичных устройств.

Недостатки вентиляционной системы:

1. Замешивание загрязненного воздуха в приточном потоке. Воздушные массы поочередно циркулируют через микроканалы, и, как следствие, 3-8% «отработки» возвращаются обратно. Барабан часто улавливает запах вытяжного воздуха.
2. Сложность конструкции. Вращающиеся элементы ротора нуждаются в регулярном обслуживании и периодической замене, из-за чего возникают шум и вибрация.
3. Высокая стоимость. Цены на роторные модели выше по сравнению с пластинчатыми из-за сложной механики конструкции.
4. Большие размеры. Устанавливаются только в помещениях с достаточно пространством для венткамера.

Из-за своей громоздкости роторные установки чаще всего применяются в промышленных сферах.

Чтобы уменьшить смешение воздушных потоков, роторные рекуператоры можно дополнить промежуточными секторами, где воздух с микроканалов подается только чистый, который затем возвращается в вытяжку. Однако такая схема приводит к снижению КПД (+)

Связанные теплообменники – гликолевая система

Из-за своих конструктивных особенностей, системы с промежуточным теплоносителем часто называют связанными теплообменниками или гликоловыми агрегатами. Это один из самых универсальных способов теплоутилизации. Один теплообменник монтируется в приточный канал, а второй – в вытяжной.

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

Принцип работы: гликолевая жидкость циркулирует между теплообменниками. Температура теплоносителя увеличивается от нагретого потока, после чего тепловая энергия передается свежему воздуху. Эта замкнутая система исключает смешение встречных воздушных масс.

Характеристики теплообменников с жидкостью:

• КПД – 45-55%;
• возможность регулировки эффективной работы через насос – выбирается скорость движения антифриза;
• рециркуляция возможна на расстоянии до 800 м между приточной и вытяжной системами;
• установка рекуператора возможна как вертикально, так и горизонтально;
• при низких температурах поверхность выходного теплообменника может обмерзать – образуется лед; использование антифриза устраняет необходимость разморозки;
• срок окупаемости – до 2-х лет;
• допускается комбинирование одного вытяжного с несколькими приточными или наоборот.

Необходимо, чтобы объем удаляемого и поступающего воздуха был приблизительно равным. Такие рекуператоры используют, когда приточный воздух токсичен или сильно загрязнен, чтобы предотвратить смешивание потоков.

Камерный узел – универсальность применения

Камерный теплообменник представляет собой закрытый box с разделяющей заслонкой внутри. Открывающаяся перегородка определяет рабочую схему устройства.

Выход потока идет по одному каналу, а вход – по другому. В процессе работы теплые массы нагревают стенки первого отсека. Затем заслонка перемещается, и направление воздушного потока изменяется.

Так, приточный воздух проходит вдоль тепла первого воздуховода, а «отработка» согревает поверхность второго отсека. В определенный момент заслонка возвращается, и цикл повторяется.

Преимущества камерного теплообменника:

• КПД – 80-90%;
• в сочетании с хорошей теплоизоляцией затраты на отопление значительно снижаются;
• простой монтаж – нужна помощь специалистов лишь для подбора параметров установки;
• поддержание нужного уровня влажности;
• исключено образование наледи в системе.

Камерный рекуператор – отличный выбор для регионов с длительным температурным дисбалансом между внутренней и наружной средой в течение года.

Однако у системы есть и недостатки:

• постоянная необходимость техобслуживания подвижных частей;
• встречные воздушные потоки частично смешиваются, что может приводить к повторному поступлению запахов и примесей в помещение.

Чтобы сократить подмес, систему можно дооснастить фильтрующим элементом. Это очистит воздух, но понизит эффективность рекуператора.

Тепловые трубки – закрытая система теплообмена

Рекуператор состоит из множества медных или алюминиевых трубочек, наполненных легковоспламеняющейся жидкостью, например, фреоном. Принцип работы трубчатого теплообменника основан на физических свойствах, изменяющих состояние вещества при нагревании.

Термотрубка установлена вертикально: нижний конец в вытяжном канале, а верхний в приточном воздуховоде. Исходящие потоки обвивают конец трубки, нагревая фреон, который затем превращается в пар (+)

Пар поднимается и отдает свою теплоту в приточный поток, затем фреон конденсируется и стекает вниз по рекуператору. Цикл повторяется с каждым разом.

Технические характеристики трубчатого теплообменника:

• эффективность устройства – до 65%;
• бесшумная работа благодаря отсутствию движущихся элементов;
• простота конструкции и ненужность частого обслуживания;
• компактные размеры и легкий вес;
• энергетическая независимость – теплоноситель движется естественным образом;

Основное преимущество – воздушные потоки притока и возвратного воздуха не смешиваются.

Недостатки тепловых трубок:

• высокий КПД достигается только при узком температурном диапазоне – при резком перегреве весь фреон может испариться, а при недостаточном нагреве скорость парообразования снижается;
• трубки обладают низкой прочностью – изменения формы или утечки могут снизить эффективность системы.

Трубчатые рекуператоры часто используются в частном строительстве, офисных и административных зданиях, а также на малых промышленных площадях.

Способы организации рекуперативной вентиляции

Существует два подхода к установке рекуперации: централизованная и децентрализованная. В первом случае через теплообменник проходит воздух со всего помещения, во втором – с одной комнаты.

Централизованная система – установка приточно-вытяжной вентиляции

Централизованная система чаще всего устанавливается на стадии строительства или капитальной модернизации существующей вентиляции.

Подбирают принудительную приточно-вытяжную установку (ПВУ) с встраиваемым рекуператором. Решающее значение имеет общая производительность комплекса, рассчитанная на весь объем воздуха в здании (+)

ПВУ с рекуператором гарантирует необходимый воздухообмен даже в домах с плотными окнами. Установленная система равномерно распределяет потоки, избегая сквозняков.

Комплектующие приточно-вытяжные установки моноблочного типа включают:

• вентиляторы – постоянная подача очищенного воздуха и удаление загрязненного;
• нагреватели – предварительный подогрев поступающего потока;
• фильтры – улавливают пыль и микрочастицы;
• рекуператор – могут использоваться различные варианты систем.

Некоторые ПВУ имеют расширенные функции, такие как таймер отсрочки, регулятор мощности, датчики влажности и так далее.

Корпус моноблочных моделей покрыт шумоизолирующим материалом, что делает работу ПВУ практически бесшумной. Моноблочные вентустановки могут быть выполнены в вертикальном, горизонтальном или подвесном исполнении.

Особенно хороши рекуперационные моноблочные ПВУ от таких производителей, как: «Вентс» (Украина), Dantherm (Дания), «Daikin» (Япония), «Dantex» (Англия).

Локальные устройства – дополнение к существующим вентиляционным системам

Для улучшения циркуляции воздуха в уже эксплуатируемых помещениях подойдут децентрализованные приточные установки с функцией рекуперации тепла.

Их устанавливают в фасад здания или монтируют через оконные проемы. Основная задача локальных устройств – улучшение свежего притока воздуха в помещение.

В таких рекуператорах имеется вентилятор и пластинчатый теплообменник. «Рукав» установки изолирован шумопоглощающим материалом, а блок управления располагается на внутренней стене.

Особенности децентрализованных вентиляционных систем с рекуперацией:

• Коэффициент полезного действия (КПД) – колеблется от 60 до 96%;
• ограниченная производительность – устройства предназначены для обеспечения воздухообмена в помещениях площадью до 20-35 кв. метров;
• разумная цена и обширный ассортимент, включая как простые стеновые клапаны, так и продвинутые модели с многослойной системой фильтрации и функцией регулировки уровня влажности;
• легкость установки – для запуска не требуется прокладывать воздуховоды, установить стеновой клапан можно без посторонней помощи.

Среди известных брендов локальных рекуператоров можно выделить: Prana (Украина), O.Erre (Италия), Blizzard (Германия), Вентс (Украина), Aerovital (Германия).

Основные факторы при выборе стенового приточника: допустимая стеновая толщина, производительность, коэффициент полезного действия рекуператора, диаметр воздуховода и температура перекачиваемого воздуха.

Выводы и полезное видео по теме

Сравнение работы естественной вентиляции с принудительной системой, использующей рекуперацию:

Принципы работы централизованного рекуператора и расчет его КПД:

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

Вентиляционная система выводит из помещений примерно 25-35% тепла. Для минимизации теплопотерь и повышения эффективности используются рекуператоры. Данное оборудование позволяет использовать энергию отработанного воздуха для нагрева свежего, поступающего в помещение.

Если у вас есть что добавить или появились вопросы о работе различных вентиляционных рекуператоров, оставляйте свои комментарии под статьей, делитесь личным опытом использования данных систем. Форма для обратной связи доступна в нижней части страницы.