Необходимость энергосбережения при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий любого назначения не подлежит сомнению и связана в первую очередь с исчерпанием запасов органического топлива и, как следствие, его непрерывным удорожанием. Особое внимание при этом необходимо уделять сокращению затрат теплоты именно на системы вентиляции и кондиционирования воздуха, поскольку доля этих расходов в общем энергетическом балансе может быть даже выше, чем трансмиссионные теплопотери, в первую очередь в общественных и промышленных зданиях и после повышения теплозащиты наружных ограждений .
Одно из наиболее перспективных, малозатратных и быстроокупаемых энергосберегающих мероприятий в системах механической вентиляции и кондиционирования — это утилизация теплоты вытяжного воздуха для частичного подогрева притока в холодный период года. Для осуществления теплоутилизации используются аппараты различных конструкций, в т.ч. пластинчатые перекрестноточные рекуперативные теплообменники и регенераторы с вращающимся ротором, а также устройства с так называемыми тепловыми трубами (термосифоны).
Однако можно показать, что в условиях сложившегося в РФ уровня цен на вентиляционное оборудование и, главным образом, ввиду практического отсутствия собственного производства перечисленных типов устройств, с техникоэкономической точки зрения целесообразно рассматривать утилизацию теплоты только на базе аппаратов с промежуточным теплоносителем. Такая конструкция, как известно, обладает целым рядом преимуществ .
Во-первых, для ее реализации используется серийное оборудование, поскольку здесь приточная установка дополняется только калорифером-утилизатором, а вытяжная — охладителем-утилизатором, которые конструктивно аналогичны обычным калориферам и охладителям. Это особенно существенно, поскольку в РФ имеется ряд предприятий, ведущих собственное производство рассматриваемых изделий, в т.ч. такие крупные, как ООО «Веза ».
Кроме того, теплоутилизационное оборудование данного типа очень компактно, а соединение приточного и вытяжного агрегатов только через циркуляционный контур с промежуточным теплоносителем позволяет выбирать место для их размещения практически независимо друг от друга. В качестве теплоносителя обычно используются низкозамерзающие жидкости типа антифризов, причем небольшой объем циркуляционного контура позволяет пренебречь затратами на антифриз, а герметичность контура и нелетучесть антифриза делают второстепенным вопрос о его токсичности.
Наконец, отсутствие непосредственного контакта потоков подаваемого и удаляемого воздуха не накладывает ограничений на чистоту вытяжки, что практически безгранично расширяет группу зданий и помещений, где можно применять теплоутилизацию. В качестве недостатка обычно указывают не слишком высокую температурную эффективность, не превышающую 50-55% .
Но это как раз тот случай, когда вопрос о целесообразности использования теплоутилизации должен решаться технико-экономическим расчетом, о чем мы и будем говорить далее в нашей статье. Можно показать, что срок окупаемости дополнительных капитальных затрат по устройству теплоутилизации с промежуточным теплоносителем не превышает трех-четырех лет.
Это особенно существенно в условиях нестабильной рыночной экономики с заметно меняющимся уровнем цен на оборудование и тарифов на энергетические ресурсы, что не позволяет применять капиталоемкие инженерные решения. Однако остается открытым вопрос об экономически наиболее целесообразной температурной эффективности такого теплоутилизационного оборудования k эф, т.е. доли теплоты, затрачиваемой на подогрев притока за счет теплоты вытяжного воздуха, по отношению к общей тепловой нагрузке. Обычно используемые значения данного параметра лежат в диапазоне от 0,4 до 0,5. Сейчас мы покажем, на каком основании приняты указанные значения.
Эта проблема будет рассмотрена на примере приточно-вытяжной вентиляционной установки производительностью 10 000 м 3 /ч, использующей оборудование ООО «Веза». Данная задача является оптимизационной, поскольку сводится к выявлению значения k эф, обеспечивающего минимум совокупных дисконтированных затрат СДЗ на устройство и эксплуатацию вентиляционного оборудования.
Расчет следует вести при условии использования заемных средств на сооружение вентустановок и приведения СДЗ к концу рассматриваемого временного интервала Т по следующей формуле :
где К — общие капитальные затраты, руб; Э — суммарные годовые эксплуатационные издержки, руб/год; p — норма дисконта, %. При вычислениях ее можно принимать равной ставке рефинансирования ЦБ РФ. С 15 января 2004 г. эта величина равна 14% годовых. В данном случае удается исследовать задачу в достаточно полном объеме сравнительно элементарными средствами, поскольку все составляющие затрат легко учитываются и достаточно просто вычисляются.
Впервые решение этой задачи было опубликовано автором в работе для уровня цен и тарифов, действовавших на тот момент. Однако, как легко будет убедиться, при пересчете на более поздние данные основные выводы сохраняют свою силу. Одновременно мы покажем, как следует осуществлять сам технико-экономический расчет при необходимости выбора оптимального варианта инженерного решения, поскольку все другие задачи будут отличаться только определением величины К.
Но это легко делается по каталогам и прайслистам предприятий-производителей соответствующего оборудования. В нашем примере капитальные затраты определялись по данным компании «Веза», исходя из производительности и принятого набора секций приточной и вытяжной установок: передняя панель с одним вертикальным клапаном,фильтр ячейковый класса G3, вентиляторный блок; кроме того, в приточной установке также дополнительно воздухонагреватель системы теплоутилизации и догревающий калорифер с теплоснабжением от теплосети, а в вытяжной — воздухоохладитель системы теплоутилизации, а также циркуляционный насос.Схема такой установки показана на рис. 1. Расходы на монтаж и наладку вентиляционных агрегатов принимались в размере 50% от основных капиталовложений.
Затраты на теплоутилизационное оборудование и догревающий калорифер вычислялись по результатам расчетов на ЭВМ по программам компании «Веза» в зависимости от эффективности утилизатора. При этом с ростом эффективности величина К растет, поскольку число рядов трубок теплообменников системы утилизации увеличивается быстрее (для k эф = = 0,52 — до 12 в каждой установке), чемсокращается число рядов догревающего калорифера (с 3 до 1 в тех же условиях).
Эксплуатационные издержки складываются из годовых затрат соответственно на тепловую и электрическую энергию и амортизационные отчисления. При их расчете продолжительность работы установки в течение суток в расчетах принималась равной 12 ч, температура воздуха за догревающим калорифером +18°С, а после теплоутилизатора — в зависимости от k эф через среднюю наружную температуру за отопительный период и температуру вытяжного воздуха.
Последняя по умолчанию равна +24,7°С (программа подбора теплоутилизаторов ООО «Веза»). Тариф на тепловую энергию принимался по данным ОАО «Мосэнерго» на середину 2004 г. в размере 325 руб/Гкал (для бюджетных потребителей). Очевидно, что с ростом k эф величина затрат на тепловую энергию уменьшается, что, вообще говоря, и является целью теплоутилизации.
Затраты на электроэнергию рассчитываются через электрическую мощность, требуемую для привода циркуляционного насоса системы теплоутилизации и вентиляторов приточной и вытяжной установок. Эта мощность определяется, исходя из потерь давления в циркуляционном контуре, плотности и расхода промежуточного теплоносителя, а также аэродинамического сопротивления вентиляционных установок и сетей. Все перечисленные величины, кроме плотности теплоносителя, принятой равной 1200 кг/м 3 , вычисляются по программам подбора теплоутилизационного и вентиляционного оборудования ООО «Веза». Кроме того, в выражениях для мощности участвуют также коэффициенты полезного действия применяемых насосов и вентиляторов.
В расчетах использовались средние значения: 0,35 для насосов типа GRUNDFOS с мокрым ротором и 0,7 для вентиляторов типа RDН. Тариф на электроэнергию учитывался по данным ОАО «Мосэнерго» на середину 2004 г. в размере 1,17 руб/(кВт ֹч). При увеличении k эф уровень затрат на электроэнергию возрастает, поскольку с ростом числа рядов утилизационных теплообменников повышается их сопротивление потоку воздуха, а также потери давления в циркуляционном контуре промежуточного теплоносителя.
Однако в целом данная составляющая расходов существенно меньше затрат на тепловую энергию. Амортизационные отчисления также возрастают с увеличением k эф постольку, поскольку при этом увеличиваются капитальные затраты. Расчет этих отчислений проводится исходя из обеспечения затрат на полное восстановление, капитальный и текущий ремонт оборудования, с учетом расчетного срока службы оборудования ТАМ, принятого при вычислениях равным 15 годам.
В целом, однако, суммарные эксплуатационные затраты с ростом эффективности утилизации уменьшаются. Поэтому возможно существование минимума СДЗ при том или ином уровне k эф и фиксированном значении Т. Результаты соответствующих расчетов показаны на рис. 2. На графиках легко можно видеть, что минимум на кривой СДЗ появляется практически при любом горизонте расчета, который по смыслу задачи равен требуемому сроку окупаемости.
Это означает, что при существующих ценах на оборудование и тарифах на энергетические ресурсы любые, даже самые незначительные капиталовложения в теплоутилизацию окупаются, и достаточно быстро. Поэтому утилизация теплоты с промежуточным теплоносителем оправдана практически всегда. С ростом предполагаемого срока окупаемости минимум на кривой СДЗ быстро смещается в область более высокой эффективности, достигая 0,47 при Т = Т АМ = 15 лет.
Понятно, что оптимальным значением k эф для принятого срока окупаемости будет то, при котором наблюдается минимум СДЗ. График зависимости такого оптимального значения k эф от Т приведен на рис. 3. Поскольку более длительный срок окупаемости, превышающий расчетный срок службы оборудования, вряд ли оправдан, следует, видимо, остановиться на уровне k эф = 0,4-0,5, тем более что при дальнейшем росте Т увеличение оптимальной эффективности резко замедляется.
Кроме того, следует учесть, что рассматриваемый способ теплоутилизации при любой поверхности теплообмена и расходе теплоносителя вообще принципиально не может обеспечить величину k эф выше 0,52-0,55, что и подтверждается расчетом по программе компании «Веза». Если принять тариф на тепловую энергию как для коммерческих потребителей в размере 547 руб/Гкал, снижение годовых издержек за счет теплоутилизации будет выше, поэтому график на рис. 3 показывает верхний предел возможного срока окупаемости.
Таким образом, указанный диапазон значений k эф от 0,4 до 0,5 находит полное технико-экономическое обоснование. Поэтому основной практической рекомендацией по итогам приведенного исследования является возможно более широкое использование утилизации теплоты вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем в любых зданиях, где предусматривается механическая приточно-вытяжная вентиляция и кондиционирование воздуха, с выбором коэффициента температурной эффективности, близкого к максимально возможному для данного типа установок. Другой рекомендацией является обязательный для рыночной экономики учет дисконтирования капитальных и эксплуатационных затрат при технико-экономическом сравнении вариантов инженерных решений по формуле (1).
При этом, если сравниваются только два варианта, как это чаще всего и бывает, удобно сравнивать только дополнительные затраты и считать, что в первом случае К = 0, а во втором, наоборот, Э = 0, а К равно дополнительным вложениям в мероприятия, целесообразность которых обосновывается. Тогда вместо Э в первом варианте нужно использовать разность годовых издержек по вариантам. После этого строятся графики зависимости СДЗ от Т, и в точке их пересечения определяется расчетный срок окупаемости.
Если он оказывается выше Т АМ, или графики вообще не пересекаются, мероприятия экономически необоснованы. Полученные результаты имеют весьма общий характер, поскольку зависимость изменения капитальных затрат от степени утилизации теплоты при существующей ситуации на рынке мало связана с конкретным производителем вентиляционного оборудования, а основное влияние на эксплуатационные издержки вообще оказывают только затраты тепловой и электрической энергии.
Поэтому предлагаемые рекомендации могут быть использованы при принятии экономически обоснованных решений по энергосбережению в любых системах механической вентиляции и кондиционирования воздуха. Кроме того, данные результаты имеют простой и инженерный вид и легко допускают уточнение при изменении действующих цен и тарифов.
Необходимо также заметить, что получающийся в приведенных расчетах срок окупаемости, в зависимости от принятого k эф достигающий величины 15 лет, т.е. вплоть до ТАМ, является в некотором отношении предельным, возникающим при учете всех капитальных затрат. Если же учитывать только дополнительные капиталовложения непосредственно в теплоутилизацию, срок окупаемости действительно сокращается до 3-4 лет, как и было указано выше.
Следовательно, утилизация теплоты вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем действительно является малозатратным и быстроокупаемым мероприятием и заслуживает самого широкого применения в условиях рыночной экономики.
- О.Д. Самарин. О нормировании тепловой защиты зданий. Журнал «С.О.К.», №6/2004.
- О.Я. Кокорин. Современные системы кондиционирования воздуха.- М.: «Физматлит», 2003.
- В.Г. Гагарин. О недостаточной обоснованности повышенных требований к теплозащите наружных стен зданий. (Изменения №3 СНиП II-3–79). Сб. докл. 3-й конф. РНТОС 23–25 апреля 1998 г.
- О.Д. Самарин. Экономически целесообразная эффективность теплоутилизаторов с промежуточным теплоносителем. Монтажные и специальные работы в строительстве, №1/2003.
- СНиП 23-01–99* «Строительная климатология».- М:ГУП ЦПП, 2004.
Затраты теплоты на подогрев санитарной нормы приточного наружного воздуха при современных методах теплозащиты ограждающих конструкций составляют в жилых домах до 80 % тепловой нагрузки на отопительные приборы, а в общественно-административных зданиях - более 90%. Поэтому энергосберегающие системы отопления в современных конструкциях зданий могут быть созданы только при условии
утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха.
Также успешен опыт применения в административном здании в Москве установки утилизации с насосной циркуляцией промежуточного теплоносителя - антифриза.
При расположении приточных и вытяжных агрегатов на расстоянии более 30 м друг от друга система утилизации с насосной циркуляцией антифриза является наиболее рациональной и экономичной. В случае расположения их рядом возможно еще более эффективное решение. Так в климатических районах с мягкими зимами, когда температура наружного воздуха не опускаются ниже -7 °С, широко применяются пластинчатые теплоутилизаторы.
На рис. 1 показана конструктивная схема пластинчатого рекуперативного (теплоотдача осуществляется через разделительную стенку) теплоутилизационного теплообменника. Здесь показан (рис. 1, а) «воздухо-воздушный» теплоутилизатор, собранный из пластинчатых каналов, которые могут изготавливаться из тонкой листовой оцинкованной стали, алюминия и др.
Рисунок 1. а - пластинчатые каналы, в которых сверху над разделительными стенками каналов поступает вытяжной воздух L y , а горизонтально-приточный наружный воздух L п.н; б - трубчатые каналы, в которых сверху в трубках проходит вытяжной воздух L y , а горизонтально в межтрубном пространстве проходит приточный наружный воздух L п.н
Пластинчатые каналы заключаются в кожух, имеющий фланцы для присоединения к приточным и вытяжным воздуховодам.
На рис. 1, б показан «воздухо-воздушный» теплообменник из трубчатых элементов, которые могут быть также изготовлены из алюминия, оцинкованной стали, пластмассы, стекла и др. Трубы закрепляются в верхние и нижние трубные решетки, что формирует каналы для прохода вытяжного воздуха. Боковые стенки и трубные решетки образуют каркас теплообменника, с открытыми фасадными сечениями, которые присоединяются к воздуховоду поступления приточного наружного воздуха L п.н.
Благодаря развитой поверхности каналов и устройства в них турбулизирующих воздух насадок в таких «воздухо-воздушных» теплообменниках достигается высокая теплотехническая эффективность θ t п.н (до 0,75), и это является главным достоинством таких аппаратов.
Недостатком этих рекуператоров является необходимость предподогрева приточного наружного воздуха в электрокалориферах до температуры не ниже -7 °С (во избежание замерзания конденсата на стороне влажного вытяжного воздуха).
На рис. 2 показана конструктивная схема приточно-вытяжного агрегата с пластинчатым утилизатором теплоты вытяжного воздуха L у на нагрев приточного наружного воздуха L п.н. Приточный и вытяжной агрегаты выполняются в едином корпусе. Первыми на входе приточного наружного L п.н и удаляемого вытяжного L у воздуха установлены фильтры 1 и 4. Оба очищенных потока воздуха от работы приточного 5 и вытяжного 6 вентиляторов проходят через пластинчатый теплоутилизатор 2, где энергия отепленного вытяжного воздуха L у передается холодному приточному L п.н.
Рисунок 2. Конструктивная схема приточного и вытяжного агрегатов с пластинчатым утилизатором, имеющим обводной воздушный канал по приточному наружному воздуху: 1 - воздушный фильтр в приточном агрегате; 2 - пластинчатый утилизационный теплообменник; 3 - фланец присоединения воздушного тракта поступления вытяжного воздуха; 4 - фильтр карманный для очистки вытяжного воздуха L у; 5 - приточный вентилятор с электродвигателем на одной раме; 6 - вытяжной вентилятор с электродвигателем на одной раме; 7 - поддон сбора из каналов прохождения вытяжного воздуха сконденсированной влаги; 8 - трубопровод отвода конденсата; 9 - обводной воздушный канал для прохода приточного воздуха L п.н; 10 - автоматический привод воздушных клапанов в обводном канале; 11 - калорифер догрева приточного наружного воздуха, питаемый горячей водой
Как правило, вытяжной воздух имеет повышенное влагосодержание и температуру точки росы не ниже +4 °С. При поступлении в каналы теплоутилизатора 2 холодного наружного воздуха с температурой ниже +4 °С на разделительных стенках установится температура, при которой на части поверхности каналов со стороны движения удаляемого вытяжного воздуха будет происходить конденсация водяных паров.
Образовавшийся конденсат под воздействием потока воздуха L у, будет интенсивно стекать в поддон 7, откуда по присоединенному к патрубку 8 трубопроводу отводится в канализацию (или бак-накопитель).
Для пластинчатого утилизатора характерно следующее уравнение теплового баланса переданной теплоты к наружному приточному воздуху:
где Q ту - утилизируемая приточным воздухом теплоэнергия; L у, L п.н - расходы отепленного вытяжного и наружного приточного воздуха, м 3 /ч; ρ у, ρ п.н - удельные плотности отепленного вытяжного и наружного приточного воздуха, кг/м 3 ; I y 1 и I y 2 - начальная и конечная энтальпия отепленного вытяжного воздуха, кДж/кг; t н1 и t н2 , с р - начальные и конечные температуры, °С, и теплоемкость, кДж/(кг · °С), наружного приточного воздуха.
При низких начальных температурах наружного воздуха t н.х ≈ t н1 на разделительных стенках каналов выпадающий из вытяжного воздуха конденсат не успевает стекать в поддон 7, а замерзает на стенках, что приводит к сужению проходного сечения и увеличивает аэродинамическое сопротивление проходу вытяжного воздуха. Это увеличение аэродинамического сопротивления воспринимается датчиком, который передает команду на привод 10 на открытие воздушных клапанов в обводном канале (байпасе) 9.
Испытания пластинчатых утилизаторов в климате России показали, что при снижении температуры наружного воздуха до t н.х ≈ t н1 ≈ -15 °С, воздушные клапаны в байпасе 9 полностью открыты и весь приточный наружный воздух L п.н проходит, минуя пластинчатые каналы теплоутилизатора 2.
Нагрев приточного наружного воздуха L п.н от t н.х до t п.н осуществляется в калорифере 11, питаемом горячей водой из центрального источника теплоснабжения. В этом режиме Q ту, вычисляемое по уравнению (9.10), равно нулю, так как через присоединенный теплоутилизатор 2 проходит только вытяжной воздух и I y 1 ≈ I y 2 , т.е. утилизация теплоты отсутствует.
Вторым методом предотвращения замерзания конденсата в каналах теплообменника 2 является электрический предподогрев приточного наружного воздуха от t н.х до t н1 = -7 °С. В расчетных условиях холодного периода года в климате Москвы холодный приточный наружный воздух в электрокалорифере нужно нагревать на ∆t т.эл = t н1 - t н.х = -7 + 26 = 19 °С. Нагрев приточного наружного воздуха при θ t п.н = 0,7 и t у1 = 24 °С составит t п.н = 0,7 · (24 + 7) - 7 = 14,7 °С или ∆t т.у = 14,7 + 7 = 21,7 °С.
Расчет показывает, что в этом режиме нагрев в теплоутилизаторе и в калорифере практически одинаков. Использование байпаса или электрического предподогрева значительно снижает теплотехническую эффективность пластинчатых теплообменников в системах приточно-вытяжной вентиляции в климате России.
Для устранения этого недостатка отечественными специалистами разработан оригинальный метод быстрого периодического размораживания пластинчатых теплоутилизаторов путем подогрева удаляемого вытяжного воздуха, обеспечивающий надежную и энергоэффективную круглогодовую работу агрегатов.
На рис. 3 показана принципиальная схема установки утилизации теплоты вытяжного воздуха X на нагрев приточного наружного воздуха L п.н с быстрым устранением обмерзания каналов 2 для улучшения прохода удаляемого воздуха через пластинчатый теплоутилизатор 1.
Воздуховодами 3 теплоутилизатор 1 соединен с трактом прохождения приточного наружного воздуха L п.н, а воздуховодами 4 с трактом прохождения удаляемого вытяжного воздуха L у.
Рисунок 3. Принципиальная схема применения пластинчатого теплоутилизатора в климате России: 1 - пластинчатый теплоутилизатор; 2 - пластинчатые каналы для прохода холодного приточного наружного воздуха L п.н и теплого вытяжного удаляемого воздуха L у; 3 - присоединительные воздуховоды прохода приточного наружного воздуха L п.н; 4 - присоединительные воздуховоды прохода удаляемого вытяжного воздуха L у; 5 - калорифер в потоке удаляемого воздуха L у на входе в каналы 2 пластинчатого теплообменника 1,6- автоматический клапан на трубопроводе подачи горячей воды G w г; 7 - электрическая связь; 8 - датчик контроля сопротивления воздушного потока в каналах 2 для прохода вытяжного воздуха L у; 9 - отвод конденсата
При низких температурах приточного наружного воздуха (t н1 = t н. x ≤ 7 °С) через стенки пластинчатых каналов 2 теплота от вытяжного воздуха передается полностью теплоте, отвечающей уравнению теплового баланса [см. формулу (1)]. Снижение температуры вытяжного воздуха происходит с обильной конденсацией влаги на стенках пластинчатых каналов. Часть конденсата успевает стечь из каналов 2 и по трубопроводу 9 удаляется в канализацию (или бак-накопитель). Однако большая часть конденсата замерзает на стенках каналов 2. Это вызывает возрастание перепада давления ∆Р у в потоке удаляемого воздуха, замеряемого датчиком 8.
При возрастании ∆Р у до настроенной величины от датчика 8 через проводную связь 7 последует команда на открытие автоматического клапана 6 на трубопроводе подачи горячей воды G w г в трубки калорифера 5, установленного в воздуховоде 4 поступления удаляемого вытяжного воздуха в пластинчатый утилизатор 1. При открытом автоматическом клапане 6 в трубки калорифера 5 поступит горячая вода G w г, что вызовет повышение температуры удаляемого воздуха t y 1 до 45-60 °С.
При прохождении по каналам 2 удаляемого воздуха с высокой температурой произойдет быстрое оттаивание со стенок каналов наледей и образующийся конденсат по трубопроводу 9 стечет в канализацию (или в бак-накопитель конденсата).
После оттайки наледей перепад давлений в каналах 2 понизится и датчик 8 через связь 7 подаст команду на закрытие клапана 6 и подача горячей воды в калорифер 5 прекратится.
Рассмотрим процесс утилизации теплоты на I-d диаграмме, представленный на рис. 4.
Рисунок 4. Построение на I-d-диаграмме режима работы в климате Москвы установки утилизации с пластинчатым теплообменником и размораживанием его по новому методу (по схеме на рис. 3). У 1 -У 2 - расчетный режим извлечения теплоты из вытяжного удаляемого воздуха; Н 1 - Н 2 - нагрев утилизируемой теплотой приточного наружного воздуха в расчетном режиме; У 1 - У под 1 - нагрев вытяжного воздуха в режиме размораживания от наледей пластинчатых каналов прохождения удаляемого воздуха; У 1. раз - начальные параметры удаляемого воздуха после отдачи теплоты на оттаивание наледей на стенках пластинчатых каналов; H 1 -Н 2 - нагрев приточного наружного воздуха в режиме размораживания пластинчатого утилизационного теплообменника
Проведем оценку влияния метода размораживания пластинчатых теплоутилизаторов (по схеме на рис. 3) на теплотехническую эффективность режимов утилизации теплоты вытяжного воздуха на следующем примере.
ПРИМЕР 1. Исходные условия: В крупном московском (t н.х = -26 °С) производственно-административном здании в системе приточно-вытяжной вентиляции смонтирована теплоутилизационная установка (ТУУ) на базе рекуперативного пластинчатого теплообменника (с показателем θ t п.н = 0,7). Объем и параметры удаляемого вытяжного воздуха в процессе охлаждения составляют: L у = 9000 м 3 /ч, t у1 = 24 °С, I y 1 = 40 кДж/кг, t р.у1 = 7 °С, d у1 = 6,2 г/кг (см. построение на I-d-диаграмме на рис. 4). Расход приточного наружного воздуха L п.н = 10 000 м 3 /ч. Размораживание теплоутилизатора производится методом периодического повышения температуры удаляемого воздуха, как это показано на схеме рис. 3.
Требуется: Установить теплотехническую эффективность режимов утилизации теплоты с использованием нового метода периодической оттайки пластин аппарата.
Решение: 1. Вычисляем температуру нагретого утилизируемой теплотой приточного наружного воздуха в расчетных условиях холодного периода года при t н.х = t н1 = -26 °С:
2. Вычисляем количество утилизируемой теплоты за первый час работы установки утилизации, когда обмерзание пластинчатых каналов не повлияло на теплотехническую эффективность, но повысило аэродинамическое сопротивление в каналах прохождения удаляемого воздуха:
3. Через час работы ТУУ в расчетных зимних условиях на стенках каналов накопился слой инея, который вызвал повышение аэродинамического сопротивления ∆Р у. Определим возможное количество льда на стенках каналов прохода вытяжного воздуха через пластинчатый теплоутилизатор, образованного в течение часа. Из уравнения теплового баланса (1) вычислим энтальпию охлажденного и осушенного вытяжного воздуха:
Для рассматриваемого примера по формуле (2) получим:
На рис. 4 представлено построение на I-d-диаграмме режимов нагрева приточного наружного воздуха (процесс H 1 - H 2) утилизируемой теплотой вытяжного воздуха (процесс У 1 -У 2). Построением на I-d-диаграмме получены остальные параметры охлажденного и осушенного вытяжного воздуха (см. точку У 2): t у2 = -6,5 °С, d у2 = 2,2 г/кг.
4. Количество выпавшего из вытяжного воздуха конденсата вычисляется по формуле:
По формуле (4) вычисляем количество холода, затраченного на понижение температуры льда: Q = 45 · 4,2 · 6,5/3,6 = 341 Вт · ч. На образование льда затрачивается следующее количество холода:
Общее количество энергии, идущей на образование наледей на разделительной поверхности пластинчатых теплоутилизаторов, составит:
6. Из построения на I-d-диаграмме (рис. 4) видно, что при противоточном движении по пластинчатым каналам приточного L п.н и вытяжного L у воздушных потоков на входе в пластинчатый теплообменник наиболее холодного наружного воздуха по другую сторону разделительных стенок пластинчатых каналов проходит охлажденный до отрицательных температур вытяжной воздух. Именно в этой части пластинчатого теплообменника и наблюдаются интенсивные образования наледей и инея, которые будут перекрывать каналы для прохода вытяжного воздуха. Это вызовет повышение аэродинамического сопротивления.
Датчик контроля при этом подаст команду на открытие автоматического клапана поступления горячей воды в трубки теплообменника, смонтированного в вытяжном воздуховоде до пластинчатого теплообменника, что обеспечит нагрев вытяжного воздуха до температуры t у.под.1 = +50 °С.
Поступление горячего воздуха в пластинчатые каналы обеспечило за 10 мин оттайку замерзшего конденсата, который в жидком виде удаляется в канализацию (в бак-накопитель). За 10 мин нагрева вытяжного воздуха затрачено следующее количество теплоты:
или по формуле (5) получим:
7. Подведенная в калорифере 5 (рис. 3) теплота частично расходуется на растаивание наледей, что по расчетам в п. 5 потребует Q т.рас = 4,53 кВт · ч теплоты. На передачу теплоты к приточному наружному воздуху из затраченной теплоты в калорифере 5 на нагрев вытяжного воздуха останется теплоты:
8. Температура подогретого вытяжного воздуха после затраты части теплоты на размораживание вычисляется по формуле:
Для рассматриваемого примера по формуле (6) получим:
9. Подогретый в калорифере 5 (см. рис. 3) вытяжной воздух будет способствовать не только размораживанию наледей конденсата, но и увеличению передачи теплоты к приточному воздуху через разделительные стенки пластинчатых каналов. Вычислим температуру нагретого приточного наружного воздуха:
10. Количество теплоты, переданной на нагрев приточного наружного воздуха в течение 10 мин размораживания, вычисляется по формуле:
Для рассматриваемого режима по формуле (8) получим:
Расчет показывает, что в рассматриваемом режиме размораживания нет потерь теплоты, так как часть теплоты подогрева из удаляемого воздуха Q т.у =12,57 кВт · ч переходит на дополнительный догрев приточного наружного воздуха L п.н до температуры t н2.раз = 20,8 °С, вместо t н2 = +9 °С при использовании только теплоты вытяжного воздуха с температурой t у1 = +24 °С (см. п. 1).
Сегодня энергосбережение является приоритетным направлением развития мировой экономики. Истощение естественных энергетических запасов, повышение стоимости тепловой и электрической энергии неминуемо приводит нас к необходимости разработки целой системы мероприятий, направленных на повышения эффективности работы энергопотребляющих установок. В этом контексте снижение потерь и вторичное использования затрачиваемой тепловой энергии становится действенным инструментом в решении поставленной проблемы.
В условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов все большее внимание привлекает проблема дальнейшего совершенствования систем кондиционирования воздуха как крупных потребителей тепловой и электрической энергии. Важную роль в решении этой задачи призваны сыграть мероприятия по повышению эффективности работы тепломассообменных аппаратов, составляющих основу подсистемы политропной обработки воздуха, затраты на функционирование которой достигают 50 % всех затрат на эксплуатацию СКВ.
Утилизация тепловой энергии вентиляционных выбросов является одним из ключевых методов экономии энергетических ресурсов в системах кондиционирования воздуха и вентиляции зданий и сооружений различного назначения. На рис. 1 приведены основные схемы утилизации теплоты вытяжного воздуха, реализуемые на рынке современного вентиляционного оборудования.
Анализ состояния производства и применения теплоутилизационного оборудования за рубежом указывает на тенденцию преимущественного использования рециркуляции и четырех типов утилизаторов теплоты вытяжного воздуха: вращающихся регенеративных, пластинчатых рекуперативных, на базе тепловых труб и с промежуточным теплоносителем. Применение этих устройств зависит от условий работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха, экономических соображений, взаимного расположения приточных и вытяжных центров, эксплуатационных возможностей .
В табл. 1 приведен сравнительный анализ различных схем утилизации теплоты вытяжного воздуха. Среди основных требований со стороны инвестора к теплоутилизационным установкам следует отметить: цену, эксплуатационные затраты и эффективность работы. Наиболее дешевые решения характеризуются простотой конструкции и отсутствием движущихся частей, что позволяет выделить среди представленных схем установку с перекрестноточным рекуператором (рис. 2) как наиболее соответствующую для климатических условий европейской части России и Польши.
Исследования последних лет в области создания новых и совершенствования существующих теплоутилизационных установок систем кондиционирования воздуха указывают на отчетливую тенденцию разработки новых конструктивных решений пластинчатых рекуператоров (рис. 3), решающим моментом при выборе которых является возможность обеспечения режимов безаварийной работы установки в условиях конденсации влаги при отрицательных температурах наружного воздуха.
Температура наружного воздуха, начиная с которой наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха, зависит от следующих факторов: температуры и влажности удаляемого воздуха, отношения расходов приточного и удаляемого воздуха, конструктивных характеристик. Отметим особенность работы теплоутилизаторов при отрицательных температурах наружного воздуха: чем выше эффективность теплообмена, тем больше опасность появления инея на поверхности каналов вытяжного воздуха.
В связи с этим низкая эффективность теплообмена в перекрестноточном теплоутилизаторе может оказаться преимуществом с точки зрения снижения опасности обледенения поверхностей каналов вытяжного воздуха. Обеспечение безопасных режимов как правило связано с реализацией следующих традиционных мер по предотвращению обмерзания насадки: периодическое отключение подачи наружного воздуха, его байпасирование или предварительный подогрев, осуществление которых безусловно снижает эффективность утилизации теплоты вытяжного воздуха .
Одним из путей решения этой проблемы является создание теплообменных аппаратов, в которых обмерзание пластин либо отсутствует, либо наступает при более низких температурах воздуха. Особенностью работы воздухо-воздушных утилизаторов теплоты является возможность реализации процессов тепломассопереноса в режимах «сухого» теплообмена, одновременного охлаждения и осушения удаляемого воздуха с выпадением конденсата в виде росы и инея на всей или части теплообменной поверхности (рис. 4).
Рациональное использование теплоты конденсации, величина которой при определенных режимах работы теплоутилизаторов достигает 30 %, позволяет существенно увеличить диапазон изменения параметров наружного воздуха, при которых обледенение теплообменных поверхностей пластин не происходит. Однако решение задачи определения оптимальных режимов работы рассматриваемых теплоутилизаторов, соответствующих определенным эксплуатационным и климатическим условиям, и области его целесообразного применения, требует детальных исследований тепломассообмена в каналах насадки с учетом процессов конденсации и инееобразования.
В качестве основного метода исследования выбран численный анализ. Он обладает и наименьшей трудоемкостью, и позволяет определить характеристики и выявить закономерности процесса на основании обработки информации о влиянии исходных параметров. Поэтому экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в рассматриваемых аппаратах проводились в значительно меньшем объеме и, в основном, для проверки и корректировки зависимостей, полученных в результате математического моделирования.
При физико-математическом описании тепломассообмена в исследуемом рекуператоре было отдано предпочтение одномерной модели переноса (ε-NTUмодель). В этом случае течение воздуха в каналах насадки рассматривается как поток жидкости с постоянными по его сечению скоростью, температурой и потенциалом массопереноса, равными среднемассовым значениям . С целью повышения эффективности утилизации теплоты в современных теплообменниках используется оребрение поверхности насадки.
Тип и расположение ребер значительно влияет на характер протекания процессов тепломассообмена. Изменение температуры по высоте ребра приводит к реализации различных вариантов процессов тепломассообмена (рис. 5) в каналах удаляемого воздуха, что существенно усложняет математическое моделирование и алгоритм решения системы дифференциальных уравнений.
Уравнения математической модели процессов тепломассопереноса в перекрестно-точном теплообменнике реализуются в ортогональной системе координат с осями ОX и ОY, направленными параллельно потокам холодного и теплого воздуха соответственно, и осями Z1 и Z2, перпендикулярной поверхности пластин насадки в каналах приточного и удаляемого воздуха (рис. 6), соответственно.
В соответствии с допущениями данной ε-NTU-модели тепломассоперенос в исследуемом утилизаторе описывается дифференциальными уравнениями теплового и материального балансов, составляемых для взаимодействующих потоков воздуха и насадки с учетом теплоты фазового перехода и термического сопротивления образующегося слоя инея. Для получения однозначного решения система дифференциальных уравнений дополняется граничными условиями, устанавливающими значения параметров обменивающихся сред на входах в соответствующие каналы рекуператора.
Сформулированная нелинейная задача не может быть решена аналитически, поэтому интегрирование системы дифференциальных уравнений осуществлялось численными методами. Достаточно большой объем проведенных численных экспериментов, проведенных на ε-NTU-моделе, позволил получить массив данных, который был использован для анализа характеристик процесса и выявления его общих закономерностей.
В соответствии с задачами исследования работы теплоутилизатора выбор изучаемых режимов и диапазоны варьирования параметров обменивающихся потоков осуществлялся так, чтобы наиболее полно моделировались реальные процессы тепломассообмена в насадке при отрицательных значениях температуры наружного воздуха, а также условия протекания наиболее опасных с точки зрения эксплуатации вариантов режимов работы теплоутилизационного оборудования.
Представленные на рис. 7-9 результаты расчета режимов работы исследуемого аппарата, характерных для климатических условий с низкой расчетной температурой наружного воздуха в зимний период времени года, позволяют судить о качественно ожидавшейся возможности образования трех зон активного тепломассообмена в каналах удаляемого воздуха (рис. 6), отличающихся по характеру протекающих в них процессов.
Анализ тепломассообменных процессов, протекающих в этих зонах, позволяет оценить возможные пути реализации эффективного улавливания теплоты удаляемого вентиляционного воздуха и снижения опасности образования инея в каналах насадки теплообменника на основе рационального использования теплоты фазового перехода. На основании проведенного анализа установлены граничные температуры наружного воздуха (табл. 2), ниже которых наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха.
Выводы
Представлен анализ различных схем утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Отмечены преимущества и недостатки рассмотренных (существующих) схем утилизации теплоты вытяжного воздуха в установках вентиляции и кондиционирования воздуха. На основе проведенного анализа предложена схема с пластинчатым перекрестноточным рекуператором:
- на базе математической модели разработан алгоритм и программа расчета на ЭВМ основных параметров тепломассообменных процессов в исследуемом теплоутилизаторе;
- установлена возможность образования различных зон конденсации влаги в каналах насадки утилизатора, в пределах которых характер тепломассообменных процессов существенно меняется;
- анализ полученных закономерностей позволяет установить рациональные режимы работы исследуемых аппаратов и области их рационального использования для различных климатических условий российской территории.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ
Условные обозначения: h реб — высота ребра, м; l реб — длина ребра, м; t — температура, °C; d — влагосодержание воздуха, кг/кг; ϕ — относительная влажность воздуха, %; δ реб — толщина ребра, м; δ ин — толщина слоя инея, м.
Индексы: 1 — наружный воздух; 2 — удаляемый воздух; e — на входе в каналы насадки; р еб — ребро; ин — иней, o — на выходе из каналов насадки; рос — точка росы; sat — состояние насыщения; w — стенка канала.
В системе кондиционирования воздуха теплоту удаляемого воздуха из помещений можно утилизировать двумя способами:
· Применяя схемы с рециркуляцией воздуха;
· Устанавливая утилизаторы теплоты.
Последний способ, как правило, применяют в прямоточных схемах систем кондиционирования воздуха. Однако использование утилизаторов теплоты на исключается и в схемах с рециркуляцией воздуха.
В современных системах вентиляции и кондиционирования воздуха применяется самое разнообразное оборудование: нагреватели, увлажнители, различные виды фильтров, регулируемые решетки и многое другое. Все это необходимо для достижения требуемых параметров воздуха, поддержания или создания комфортных условий для работы в помещении. На обслуживание всего этого оборудования требуется достаточно много энергии. Эффективным решением сбережения энергии в системах вентиляции становятся теплоутилизаторы. Основной принцип их работы – нагрев потока воздуха, подаваемого в помещение, с использованием теплоты потока, удаляемого из помещения. При использовании теплоутилизатора требуется меньшая мощность калорифера на подогрев приточного воздуха, тем самым уменьшается количество энергии, необходимое для его работы.
Утилизация теплоты в зданиях с кондиционированием воздуха может быть произведена посредством утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Утилизация сбросной теплоты для нагрева свежего воздуха (или охлаждение поступающего свежего воздуха сбросным воздухом после системы кондиционирования летом) является простейшей формой утилизации. При этом можно отметить четыре типа систем утилизации, о которых уже упоминалось: вращающиеся регенераторы; теплообменники с промежуточным теплоносителем; простые воздушные теплообменники; трубчатые теплообменники. Вращающийся регенератор в системе кондиционирования воздуха может повышать температуру приточного воздуха зимой на 15 °С, а летом он может снижать температуру поступающего воздуха на 4-8 °С {6.3). Как и в других системах утилизации, за исключением теплообменника с промежуточным теплоносителем, вращающийся регенератор может функционировать только в том случае, если вытяжной и всасывающий каналы прилегают друг к другу в какой-то точке системы.
Теплообменник с промежуточным теплоносителем менее эффективен, чем вращающийся регенератор. В представленной системе вода циркулирует через два теплообменных змеевика, и так как применяется насос, то два змеевика могут быть расположены на некотором расстоянии друг от друга. И в этом теплообменнике, и во вращающемся регенераторе имеются подвижные части (насос и электродвигатель приводятся в движение и это отличает их от воздушного и трубчатого теплообменников. Одним из недостатков регенератора является то, что в каналах может происходить загрязнение. Грязь может осаждаться на колесе, которое затем переносит его во всасывающий канал. В большинстве колес в настоящее время предусмотрена продувка, которая сводит перенос загрязнений до минимума.
Простой воздушный теплообменник представляет собой стационарное устройство для теплообмена между отработанным и поступающим потоками воздуха, проходящими через него противотоком. Этот теплообменник напоминает прямоугольную стальную коробку с открытыми концами, разделенную на множество узких каналов типа камер. По чередующимся каналам идет отработанный и свежий воздух, и теплота передается от одного потока воздуха к другому просто через стенки каналов. Перенос загрязнений в теплообменнике не происходит, и поскольку значительная площадь поверхности заключена в компактном пространстве, достигается относительно высокая эффективность. Теплообменник с тепловой трубой можно рассматривать как логическое развитие конструкции вышеописанного теплообменника, в котором два потока воздуха в камеры остаются абсолютно раздельными, связанными пучком ребристых тепловых труб, которые переносят теплоту от одного канала к другому. Хотя стенка трубы может рассматриваться как дополнительное термическое сопротивление, эффективность теплопередачи внутри самой трубы, в которой происходит цикл испарения-конденсации, настолько велика, что в этих теплообменниках можно утилизировать до 70% сбросной теплоты. Одно из основных преимуществ этих теплообменников по сравнению с теплообменником с промежуточным теплоносителем и вращающимся регенератором - их надежность. Выход из строя нескольких труб лишь незначительно снизит эффективность работы теплообменника, но не остановит полностью систему утилизации.
При всем многообразии конструктивных решений утилизаторов тепла вторичных энергоресурсов в каждом из них имеются следующие элементы:
· Среда- источник тепловой энергии;
· Среда- потребитель тепловой энергии;
· Теплоприемник- теплообменник, воспринимающий тепло от источника;
· Теплопередатчик- теплообменник, передающий тепловую энергию потребителю;
· Рабочее вещество, транспортирующее тепловую энергию от источника к потребителю.
В регенеративных и воздуховоздушных (воздухожидкостных) рекуперативных теплоутилизаторах рабочим веществом являются сами теплообменивающиеся среды.
Примеры применения.
1. Подогрев воздуха в системах воздушного отопления.
Калориферы предназначены для быстрого нагрева воздуха с помощью водяного теплоносителя и равномерного его распределения с помощью вентилятора и направляющих жалюзи. Это хорошее решение для строительства и производственных цехов, где требуется быстрый нагрев и поддержание комфортной температуры только в рабочее время (в это же время, как правило, работают и печи).
2. Нагрев воды в системе горячего водоснабжения.
Применение теплоутилизаторов позволяет сгладить пики потребления энергии, так как максимальное потребление воды приходится на начало и конец смены.
3. Подогрев воды в системе отопления.
Закрытая система
Теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру. Таким образом, отсутствует риск его загрязнения.
Открытая система. Теплоноситель нагревается горячим газом, а затем отдает тепло потребителю.
4. Подогрев дутьевого воздуха, идущего на горение. Позволяет сократить потребление топлива на 10%–15%.
Подсчитано, что основным резервом экономии топлива при работе горелок для котлов, печей и сушилок является утилизация теплоты отходящих газов путем нагрева воздухом сжигаемого топлива. Рекуперация тепла отходящих дымовых газов имеет большое значение в технологических процессах, поскольку тепло, возвращенное в печь или котел в виде подогретого дутьевого воздуха, позволяет сократить потребление топливного природного газа до 30 %.
5. Подогрев топлива, идущего на горение с использованием теплообменников "жидкость – жидкость". (Пример – подогрев мазута до 100˚–120˚ С.)
6. Подогрев технологической жидкости с использованием теплообменников "жидкость – жидкость". (Пример – подогрев гальванического раствора.)
Таким образом, теплоутилизатор – это:
Решение проблемы энергоэффективности производства;
Нормализация экологической обстановки;
Наличие комфортных условий на вашем производстве – тепла, горячей воды в административно-бытовых помещениях;
Уменьшение затрат на энергоресурсы.
Рисунок 1.
Структура энергопотребления и потенциала энергосбережения в жилых зданиях: 1 – трансмиссионные теплопотери; 2 – расход теплоты на вентиляцию; 3 – расход теплоты на горячее водоснабжение; 4– энергосбережение
Список использованной литературы.
1. Караджи В. Г., Московко Ю.Г.Некоторые особенности эффективного использования вентиляционно-отопительного оборудования. Руководство - М., 2004
2. Еремкин А.И, Бызеев В.В. Экономика энергоснабжения в системах отопления, венталиции и кондиционирования воздаха. Издателество Ассоциации строительных вузов М., 2008.
3. Сканави А. В., Махов. Л. М. Отопление. Издательство АСВ М., 2008
