Нередко возникает вопрос: когда и при каких условиях применение воздухо-воздушных теплообменников экономически эффективно?

Большинство инженеров знают, что для существенного сокращения нагрузок на системы климатизации и, соответственно, для уменьшения затрат на климатизацию здания могут применяться воздухо-воздушные устройства утилизации тепла и влаги (например, пластинчатые или вращающиеся регенеративные теплообменники).

Однако инженеры не всегда до конца понимают, как работают эти устройства, каким образом выбрать их параметры и как смонтировать эти устройства для создания системы климатизации, позволяющей добиться наибольшей экономии.

Кроме того, не ясно, какого уровня экономии можно ожидать и увеличивают или уменьшают эти устройства общие затраты на оборудование.

В данной статье рассматриваются различные воздухо-воздушные теплообменники и предлагается оптимальный способ их интеграции в систему климатизации здания.

Эти вопросы совсем не простые, поскольку при проектировании систем климатизации должны учитываться многие факторы.

Кроме того, речь идет не просто о системе, которая должна надежно работать для покрытия максимальных летних и зимних нагрузок.

В системе климатизации, разработанной для обеспечения наибольшей эффективности, предполагается использование утилизации теплоты, высокопроизводительных устройств, определенных методов и средств оптимизации.

В настоящей статье рассматриваются воздухо-воздушные устройства, экономически эффективно использующие вторичные источники теплоты в здании и являющиеся частью системы климатизации, которая может содержать один или несколько теплообменников, а также обычное оборудование для систем вентиляции и обеспечения комфортных параметров микроклимата помещений.

Для всех внутренних помещений, в которых находятся люди, необходима система вентиляции. Результаты последних исследований показывают, что существует заметная связь между качеством микроклимата помещений (температурой, влажностью, газовым составом воздуха) и производительностью труда людей, находящихся в здании.

В настоящее время, используя различные воздухо-воздушные теплообменники, возможно поддерживать хорошее качество воздуха и комфортные условия в помещениях при меньших эксплуатационных и капитальных затратах по сравнению с традиционными системами климатизации.

Теплообменники

Теплообменники производят перенос ощутимой (явной) энергии благодаря разности температур на поверхностях.

Воздухо-воздушные теплообменники применяются в системах климатизации уже более 100 лет.

В вентиляционных установках обычно используется несколько типов воздухо-воздушных теплообменников: пластинчатые, с тепловой трубой, вращающиеся (регенеративные) и циркуляционные с водным раствором гликоля (табл. 1).

Эти устройства характеризуются большой площадью теплообменной поверхности на единицу объема (например, от 100 до 4 000 м2/м3) и изготавливаются из недорогих материалов, не вступающих в реакцию с конденсатом из уходящего воздуха или водяного пара.

Для оценки производительности теплообменников используются такие показатели, как тепловая эффективность, падение давления, перетекание вытяжного воздуха в приточный и утечки приточного воздуха.

Тепловая эффективность характеризуется коэффициентом эффективности переноса ощутимой (явной) энергии εs, определяемым в установившемся состоянии как отношение:

где Cs = mcp — массовый расход приточного (s) или вытяжного (е) воздуха, умноженный на удельную теплоемкость;

Cmin — меньшая из величин Cs и Ce;

∆ts = t1 — t2;

∆tmax = t1 — t3;

Индексы 1, 2, 3 и 4 относятся к потокам воздуха, обозначенным на рис. 1.

Вообще, все цифровые индексы, используемые в этой статье, относятся к потокам, обозначенным на рис. 1, за исключением потоков, используемых в примерной конструкции и связанных с местами, определенными на рис. 2.

На рис. 1 показана схема одного из таких устройств с потоками приточного и вытяжного воздуха.

При сp = const можно записать:

Значение εs, лежащее в пределах от нуля до единицы (0 ≤ εs≤ 1,0) увеличивается с возрастанием площади поверхности теплообмена и уменьшается с ростом скорости воздушного потока в сечении.

В системах климатизации со сбалансированными потоками приточного и вытяжного воздуха значения этого показателя выше 0,85 неприемлемы с экономической точки зрения.

В табл. 1 представлены типичные значения εs для каждого типа теплообменников. Для конкретного воздухо-воздушного теплообменника значение εs определяется в независимой испытательной лаборатории.

Рисунок 1

Падение давления на воздуховоздушном теплообменнике не обязательно должно быть одинаковым для потоков приточного и вытяжного воздуха.

Этот показатель для обоих потоков должен задаваться для всех значений скорости в сечении и температуры на входе. Типичные значения падения давления для каждого типа теплообменников представлены в табл. 1.

Эти значения должны определяться в независимой лаборатории.

Рисунок 2

Перетекание вытяжного воздуха в приточный характеризуется коэффициентом передачи вытяжного воздуха (EATR, Exhaust Air Transfer Ratio), представляющего собой долю вытяжного (рециркуляционного) воздуха, перетекающего в приточный воздух в теплообменнике.

Меньшее значение коэффициента EATR лучше, чем большее. Однако умеренные значения этого коэффициента могут быть приемлемы во многих случаях, когда в помещения подается смесь наружного и рециркуляционного воздуха, хотя это может потребовать и увеличения расхода вентиляционного воздуха для достижения нужного эффекта.

Перетекание вытяжного воздуха в приточный существенно увеличивает долю рециркуляционного воздуха, подаваемого во внутренние помещения здания, поэтому в чистых комнатах больниц и исследовательских лабораторий даже небольшое значение EATR, отличное от нуля, может быть неприемлемым. Для сбалансированных по массе потоков воздуха выполняется следующее соотношение:

где сi представляет собой концентрацию инертного пробного газа в воздушном потоке i (рис. 1).

Значения коэффициента передачи вытяжного воздуха могут замеряться в независимой лаборатории.

Типичные значения этого коэффициента приведены в таблице 1.

С помощью поправочного коэффициента для наружного воздуха (OACF, Outside Air Correction Factor) учитываются утечки приточного воздуха в воздуховоде воздухо-воздушного устройства. Для сбалансированных по массе потоков воздуха этот коэффициент равен:

При постоянной плотности подаваемого воздуха этот коэффициент равен отношению объемных расходов (рис. 1).

Типичные значения поправочного коэффициента для наружного воздуха представлены в табл. 1 (при условии отсутствия утечек вытяжного воздуха в приточный).

Если поправочный коэффициент больше 1, воздух переносится от впускного отверстия приточного воздуха к выпускному отверстию вытяжного воздуха и, таким образом, для обеспечения требуемого воздухообмена внутри здания подача наружного воздуха должна быть соответственным образом увеличена.

В холодную погоду в воздухо-воздушном теплообменнике любого типа может образовываться конденсат или наблюдаться промерзание оборудования, хотя различные технологии могут обладать разной устойчивостью к этим неблагоприятным явлениям.

Если выпадение конденсата может иметь место при расчетных условиях, необходимо обеспечить дренаж для конденсата. Если замораживание может ухудшить работу системы вентиляции или повредить оборудование, необходимо установить систему контроля замораживания.

Такой контроль может обеспечиваться при помощи различных методов, включая байпасирование приточного воздуха, применение дросселирования, предварительный подогрев воздуха, контроль скорости вращения вращающегося (регенеративного) теплообменника.

Производитель должен решить проблему контроля замораживания для установок, применяемых в условиях холодного климата.

Рисунок 3

Влагообменники.

Роторные осушители, покрытые влагопоглотителем, предназначенные для осушения влажного воздуха, были запатентованы в 1974 году. Они широко применяются в установках с утилизацией теплоты.

Могут использоваться различные типы влагопоглощающих покрытий, каждое из которых имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее часто используются молекулярное сито 4А (ангстрема) и силикагель.

При теплой и влажной погоде одним из наиболее естественных методов уменьшения влажности воздуха является использование адсорбции водяного пара из воздуха, подаваемого в здание, и десорбции этой влаги потоком теплого вытяжного воздуха.

Для ограничения передачи тепла в приточный воздух из вытяжного воздуха может быть использована небольшая секция продувки. Такие, покрытые влагопоглотителем роторные осушители поглощают водяной пар довольно медленно. Они обычно вращаются со скоростью менее 1 оборота в минуту, и для них необходима большая площадь поверхности влагообмена на единицу массового расхода подаваемого воздуха.

Чем выше температура вытяжного воздуха, тем меньшая поверхность необходима для регенерации. Часто она занимает только небольшую долю всей поверхности диска.

Для оценки эффективности роторных осушителей воздуха с влагопоглощающим покрытием часто используется коэффициент полезного действия (СОР). Этот коэффициент является отношением количества скрытой энергии, отводимой от приточного воздуха, к количеству энергии, необходимой для нагрева вытяжного воздуха.

Обычные значения этого коэффициента лежат в пределах от 0,4 до 1, как можно видеть из данных табл. 2. Кроме того, можно определить СОР в форме, аналогичной выражению показателя тепловой эффективности теплообменников. Коэффициент эффективности влагообмена em роторных осушителей выражается как:

где ∆Ws = W1 — W2 выражает уменьшение удельной влажности в приточном воздухе,

а ∆Wmax = W1 — W3 выражает максимальное снижение удельной влажности в регенераторе (рис. 1).

Так как между потоками воздуха имеется большая разность температуры, эффективность влагообмена может превышать 100 %, но для этого необходима большая затрата энергии, что выражается в низком значении СОР.

Для полной характеристики теплообменников должны использоваться и другие показатели их эффективности (например, падение давления, коэффициент передачи вытяжного воздуха и поправочный коэффициент для наружного воздуха).

В таблице 2 приведены типичные значения этих показателей.

Известно, что влагопоглотители, наряду с водяным паром, имеют значительное родство со многими другими газами и парами.

Поэтому влагопоглотители могут использоваться в роторных осушителях для ассимиляции некоторых нежелательных загрязнителей, имеющихся в приточном воздухе, таких как летучие органические смеси и, возможно, некоторые токсичные газы и пары.

Выбор материала для влагопоглощающего покрытия становится более сложным, поскольку эффективность ассимиляции каждого газообразного или парообразного химического вещества зависит от типа влагопоглотителя и условий регенерации. В некоторых установках в качестве покрытий роторного осушителя могут использоваться влагопоглотители нескольких типов, поглощающие и водяной пар, и некоторые другие газы.

В этом случае коэффициент эффективности (значение εci, аналогичное приведенному в уравнении (5) должен определяться для концентрации ci каждого химического вещества, удаляемого из приточного воздуха. По аналогии можно записать:

Тепловлагообменники.

Роторный рекуператор, используемый как для тепло-, так и для влагообмена между приточным и вытяжным воздухом, был запатентован в 1978 году.

Так как основной целью систем климатизации является поддержание требуемой температуры и влажности воздуха в помещении при обеспечении должной вентиляции, такой рекуператор может охлаждать и осушать приточный воздух в летнее время и подогревать и увлажнять в зимнее.

Потенциальная экономия при охлаждении и осушении приточного воздуха летом при помощи роторных рекуператоров может быть настолько большой, что могут быть не только снижены эксплуатационные затраты, но и уменьшена мощность чиллера и котла.

Скорость вращения большинства рекуператоров с влагопоглощающим покрытием варьируется в диапазоне от 20 до 60 об/мин. Такая скорость необходима для достижения хороших показателей эффективности теплообмена (например, в пределах 60 < εs < 85 %).

Следовательно, влагопоглощающие покрытия должны быть способны поглощать влагу приблизительно в 100 раз интенсивнее, чем роторные осушители с влагопоглощающим покрытием, предназначенные только для осушения воздуха, оптимальная скорость вращения которых составляет менее одного оборота в минуту.

В таблице 2 содержатся показатели эффективности роторных рекуператоров. Эти данные включают в себя семь показателей (три показателя эффективности, два показателя падения давления, коэффициенты EATR и OACF).

Интересно, что три показателя эффективности, в общем, имеют разные значения. Они различаются, поскольку относятся к разным рабочим условиям. Для приведения всех данных к единым условиям стандарт, разработанный Американским институтом кондиционирования воздуха и холодильной техники (ARI), задает один набор рабочих условий для летних испытаний и другой набор — для зимних. Эти рабочие условия используются при испытаниях всех сертифицируемых теплообменников.

Для сравнения с роторными осушителями в таблице 2 приведены показатели эффективности утилизации энергии (RER) для роторных рекуператоров.

Эффективность утилизации энергии (RER) определяется так же, как и степень энергетической эффективности (EER), используемая при сравнении чиллеров, т. е. показатель RER равен количеству утилизируемой в теплообменнике энергии (в условиях испытаний ARI), деленному на сумму общего количества электроэнергии, потребляемой вентиляторами, вспомогательными электродвигателями и нагревателями. Для типичных роторных рекуператоров значения RER варьируются в пределах от 40 до 100.

Пластинчатые теплообменники, способные переносить как водяной пар, так и тепло, используются уже в течение многих лет. Известны два типа влагопроницаемых теплообменных пластин.

Пластины первого типа, выполненные из обработанной бумаги, пропускают воду сквозь поверхность, как газ или другую жидкость, благодаря наличию разности парциальных давлений водяных паров в приточном и вытяжном воздухе. Такие теплообменники имеют умеренную эффективность утилизации скрытой энергии (от 30 до 40 %).

В теплообменниках второго типа применяются гидрофильные химические вещества, заключенные между очень тонкими влагопроницаемыми пластмассовыми пластинами. В теплообменниках этого типа достигается более высокая эффективность утилизации скрытой энергии.

Системная интеграция

Раньше в традиционных системах климатизации обычно не использовались воздухо-воздушные теплообменники.

Подогрев, охлаждение и осушение (или увлажнение) полностью обеспечивались за счет затрат энергии. В настоящее время в хорошо спроектированных системах климатизации при обработке приточного воздуха часто используются один или несколько воздухо-воздушных теплообменников.

Примеры таких систем показаны на рис. 2, который демонстрирует использование рекуператора (8) и теплообменника (10), и на рис. 3, на котором представлена система с теплообменником (10) и роторным осушителем (14).

В системе, показанной на рис. 2, предполагается, что единственным используемым источником утилизируемой энергии является рециркуляционный и вытяжной воздух, в то время как в системе, приведенной на рис. 3, для работы роторного осушителя используется также теплый приточный воздух.

Могут применяться и другие источники энергии, такие как горячая вода технологического процесса или пар, но в этом обзоре мы не рассматриваем такие источники. Рециркуляция воздуха (9) присутствует в системах на обоих рисунках, поскольку часто необходимо достижение комфортной температуры приточного воздуха с расходом, при котором обеспечивается хорошее перемешивание воздуха в каждом помещении.

Иногда используются увлажнение и испарительное охлаждение воздуха. Эти процессы экономически эффективны, но они также здесь не рассматриваются, поскольку применяются сравнительно редко, и соответствующие устройства не относятся к типу воздухо-воздушных теплообменников.

В системе, представленной на рис. 2, предполагается, что тепло- и влагообмен в устройствах (8) и (10) контролируются направлением потока, зависящим от потенциальной разности температуры и давления водяного пара.

Производится контроль электроснабжения вентиляторов (11), оборудования охлаждения (5) и нагрева (6), обеспечивающий необходимый массовый расход приточного воздуха (m), температуру и влажность в точке 7. Заслонки регулируют массовый расход приточного воздуха (m1).

Естественно, в какой-либо конкретной системе или при определенных рабочих условиях может использоваться не все указанное оборудование. Часть оборудования может вообще отсутствовать в системе, поскольку оно никогда не будет использоваться или если комфортные параметры микроклимата в помещении достигаются другими методами (например, непосредственным отоплением помещения).

Процесс проектирования системы климатизации является последовательным и итеративным. Он начинается с определения требований к микроклимату помещений и расчетных параметров в летний и зимний периоды для данных климатических условий.

Процесс проектирования системы климатизации

1. Перечислить все требования к системам климатизации в здании и все ограничения, включая ограничения на коммунальные затраты всех видов. Спроектировать процесс подачи приточного воздуха с использованием утилизируемой энергии удаляемого воздуха и других воздушных потоков.

2. На основании показателей производительности воздухо-воздушных теплообменников, приведенных в табл. 1 и 2, оценить характеристики каждой станции, а также определить снижение пиковых затрат энергии на тепло- и влагообмен при летних и зимних расчетных условиях. Используя эти результаты, оценить остающуюся величину пикового потребления энергии.

3. На основании оценок средней продолжительности и условий работы при частичной нагрузке оценить годовые энергетические нагрузки и эксплуатационные затраты.

4. На основании известных данных оценить уровень первоначальных затрат или затрат на установленное оборудование для всех компонентов системы.

5. Произвести итерацию шагов 2, 3 и 4, используя вышеуказанные оценки и цены производителей, а также данные производительности сертифицированного оборудования, тарифы на энергию, предоставляемую коммунальными службами, и, возможно, результаты моделирования, направленные на удовлетворение проектных требований по уменьшению капитальных затрат и затрат за весь срок службы.