Рекуперация тепла снижает энергозатраты вентиляционной системы, когда количество тепловой энергии, возвращаемой из вытяжного воздуха, обеспечивает полезное сокращение нагрузки на нагрев притока, а дополнительные затраты электроэнергии на преодоление сопротивления теплообменника не перекрывают полученный эффект. Поэтому наличие рекуператора и высокий паспортный коэффициент возврата тепла сами по себе не подтверждают экономию.
Для технически обоснованной оценки необходимо сопоставить температуры и расходы приточного и вытяжного воздуха, фактическую эффективность теплообменника, дополнительное аэродинамическое сопротивление и потребление электрической мощности вентиляторами. Расчёт выполняют с учётом продолжительности работы установки и изменения условий в течение сезона.
За счёт чего рекуператор уменьшает потребность в нагреве воздуха
Рекуперация представляет собой передачу части тепловой энергии удаляемого воздуха приточному потоку через теплообменник. В холодный период вытяжной воздух обычно теплее наружного. Благодаря теплообмену температура наружного воздуха, проходящего через рекуператор, повышается до его поступления в последующую ступень нагрева.
В результате уменьшается количество тепла, которое необходимо дополнительно подвести для достижения требуемой температуры притока. Именно сокращение этой тепловой нагрузки составляет основной полезный эффект рекуперации.
Однако возвращаемая тепловая энергия зависит от температурных условий и фактических расходов воздуха. При небольшой разности температур между потоками потенциальный тепловой эффект снижается. Если установка работает непродолжительное время, даже высокая эффективность теплообменника не обязательно обеспечивает значительное сокращение сезонного энергопотребления.
Поэтому оценивать рекуперацию необходимо не по одному паспортному показателю, а по количеству тепла, фактически возвращаемого в характерных режимах эксплуатации.
Какие данные необходимы для оценки эффективности рекуперации
Основными исходными показателями являются температуры вытяжного и приточного воздуха, расходы обоих потоков и эффективность теплообменника. Для оценки работы за сезон эти сведения сопоставляют с паспортом рекуператора, журналом обмерзаний и архивом эксплуатации вентиляционной установки.
Температуры воздуха позволяют определить условия теплообмена и изменение теплового состояния приточного потока. Для корректного расчёта необходимо различать температуру воздуха перед рекуператором и после него.
Расходы приточного и вытяжного воздуха определяют количество воздуха, участвующего в теплообмене. Даже при одинаковых температурах различие расходов влияет на количество передаваемой тепловой энергии.
Эффективность теплообменника характеризует степень использования доступного температурного потенциала. При этом фактическое значение может отличаться от паспортного вследствие изменения эксплуатационных условий.
Паспорт рекуператора содержит характеристики оборудования для установленных условий. Его используют как техническую основу сравнения, но не подменяют паспортными значениями реальные измерения.
Журнал обмерзаний помогает установить периоды, когда состояние теплообменника могло изменять условия передачи тепла или требовало изменения режима работы установки.
Архив работы вентиляционной установки необходим для определения продолжительности отдельных режимов и перехода от оценки мгновенного теплового эффекта к сезонному энергетическому результату.
Как рассчитать количество возвращаемого тепла
Для оценки тепловой мощности, передаваемой приточному воздуху, используют изменение его температуры при прохождении через рекуператор и соответствующий массовый расход.
При применимости расчёта по постоянной удельной теплоёмкости воздуха зависимость имеет вид:
Qрек = Gпр × cp × (tпосле − tдо),
где Qрек — тепловая мощность, переданная приточному воздуху; Gпр — массовый расход приточного воздуха; cp — удельная теплоёмкость воздуха; tдо и tпосле — температуры притока непосредственно до и после рекуператора.
Если используются объёмные расходы, для перехода к массовому расходу необходимо учитывать плотность воздуха. Единицы измерения должны быть согласованы.
Эта зависимость позволяет определить полезную тепловую мощность в конкретном режиме. Для расчёта количества возвращённой энергии за период дополнительно учитывают продолжительность работы при соответствующих расходах и температурах.
При переменных режимах нельзя использовать одну измеренную величину тепловой мощности как постоянную для всего сезона. Необходимо учитывать изменения температурного перепада, расходов и фактической работы рекуператора.
Как интерпретировать эффективность теплообменника
Температурную эффективность рекуператора при соответствующих условиях можно характеризовать отношением фактического повышения температуры притока к доступной разности температур между вытяжным и наружным воздухом:
εt = (tпр,после − tнар) / (tвытх,до − tнар),
где εt — температурная эффективность, tпр,после — температура приточного воздуха после рекуператора, tнар — температура наружного воздуха перед теплообменом, tвытх,до — температура вытяжного воздуха перед рекуператором.
Такое отношение применяют при корректно определённых точках измерения и достаточной разности температур. Оно характеризует температурный результат, но не является самостоятельным показателем годовой экономии энергии.
При различающихся расходах приточного и вытяжного воздуха температурная эффективность не должна автоматически отождествляться с долей всей доступной тепловой энергии, возвращённой системой.
Для энергетического расчёта необходимо использовать фактические расходы и тепловые состояния потоков. Иначе высокий температурный коэффициент может создать завышенное представление о полезном количестве возвращённого тепла.
Почему необходимо учитывать дополнительное сопротивление рекуператора
Воздух проходит через теплообменник с определёнными потерями давления. Это сопротивление необходимо преодолевать вентиляторам, которые обеспечивают требуемый воздухообмен.
Дополнительные потери давления могут повышать потребность в электрической мощности. Конкретный результат зависит от характеристик вентиляторов, фактических расходов воздуха и способа управления приводами.
Поэтому нельзя считать всю возвращённую тепловую энергию чистой энергетической экономией системы. Необходимо отдельно оценить дополнительные затраты на перемещение воздуха через рекуператор.
Для сопоставимых расходов полезно рассматривать зависимость потребляемой мощности вентиляторов от создаваемого давления и эффективности привода. В упрощённой форме мощность, необходимая для преодоления соответствующего сопротивления, определяется произведением объёмного расхода на перепад давления с учётом КПД оборудования.
При этом рост аэродинамического сопротивления не означает одинакового прироста электрической мощности для любой установки. Если изменяется рабочая точка вентилятора, необходимо учитывать его фактическую характеристику.
Таким образом, энергетическая оценка должна содержать две самостоятельные величины: полезное сокращение тепловой нагрузки и дополнительные затраты электрической энергии на работу вентиляционной системы.
Как обмерзание и загрязнение изменяют эффективность по сезонам
Фактические характеристики рекуператора могут изменяться в процессе эксплуатации. Особенно существенны обмерзание и загрязнение теплообменника.
При обмерзании изменяются условия движения воздуха и передачи тепла. Для сохранения работоспособности установка может переходить в другие режимы, вследствие чего фактическое количество возвращаемой энергии отличается от расчёта для штатных условий.
Загрязнение также может изменять условия теплообмена и аэродинамическое сопротивление. Поэтому паспортные характеристики чистого теплообменника не всегда описывают его состояние после определённого периода эксплуатации.
Эти обстоятельства необходимо учитывать в сезонном расчёте. Если для всех периодов используется одна паспортная эффективность, результат может не отражать фактическую работу оборудования во время обмерзаний или при изменившемся состоянии поверхностей.
Журнал обмерзаний позволяет определить периоды, требующие отдельной интерпретации. Архив работы установки показывает продолжительность соответствующих режимов. Их совместное рассмотрение помогает установить, какие условия действительно определяли сезонный возврат тепла.
При отсутствии этих данных нельзя уверенно распространить эффективность, полученную в одном устойчивом режиме, на весь отопительный период.
Почему рециркуляция и короткое время работы ограничивают выгоду
Высокая доля рециркуляции может снижать дополнительную полезность рекуперации. Если значительная часть воздуха уже возвращается в систему без полного удаления наружу, объём доступного теплового обмена между удаляемым и свежим воздухом необходимо оценивать с учётом фактической схемы движения потоков.
Нельзя рассчитывать полезный возврат тепла так, будто через рекуператор постоянно проходят максимальные проектные расходы наружного и вытяжного воздуха, если реальный воздухообмен организован иначе.
Короткая продолжительность работы ограничивает суммарное количество возвращённой энергии. Даже если рекуператор обеспечивает значительную тепловую мощность в отдельный момент, сезонный эффект определяется временем действия такого режима.
Поэтому две установки с одинаковой паспортной эффективностью могут иметь различный энергетический результат из-за отличий в расходах воздуха, схеме рециркуляции и графике эксплуатации.
Для вывода о целесообразности необходимо рассматривать фактический объём наружного воздухообмена и продолжительность работы, а не только характеристики самого теплообменника.
Как выполнить энергетическое сравнение за сезон
Основной метод — сопоставление количества полезно возвращённого тепла с дополнительными энергетическими затратами, возникающими из-за работы рекуператора.
Для характерных эксплуатационных режимов определяют тепловую мощность рекуперации по температурам и расходам воздуха. Затем учитывают продолжительность каждого режима на основании архива работы установки.
Полученные значения суммируют для определения сезонного количества возвращённой тепловой энергии. При этом отдельно учитывают периоды, для которых фактическая эффективность могла измениться из-за обмерзания или загрязнения.
После этого оценивают изменение электрического потребления вентиляторов, связанное с дополнительным сопротивлением теплообменника. Сравнение необходимо выполнять при обеспечении одинакового требуемого воздухообмена.
Тепловую и электрическую энергию первоначально отражают раздельно. Для оценки совокупных энергозатрат необходимо определить обоснованный способ их сопоставления с учётом фактического источника тепла и применяемого энергетического критерия.
Если рассматривается денежный эффект, дополнительно требуются соответствующие условия расчёта стоимости тепла и электроэнергии. Само уменьшение тепловой нагрузки не доказывает положительный финансовый результат без учёта дополнительных электрических затрат.
Такой подход позволяет оценивать не паспортную эффективность оборудования, а ожидаемый результат его эксплуатации в рассматриваемом сезонном режиме.
Когда применение рекуператора технически целесообразно
Рекуперация имеет энергетический смысл при наличии достаточного температурного потенциала между вытяжным и наружным воздухом, подтверждённых расходов и продолжительности работы, обеспечивающей существенный возврат тепла.
При этом необходима проверка дополнительного аэродинамического сопротивления и связанных с ним затрат электрической энергии. Если они существенны относительно полезного теплового эффекта, ожидаемая выгода уменьшается.
Если установка значительную часть сезона работает в условиях обмерзания, загрязнения или изменённого воздухообмена, необходимо использовать фактические характеристики соответствующих режимов.
Если значительную роль играет рециркуляция либо время работы рекуператора невелико, нельзя автоматически переносить результаты расчёта для непрерывной подачи наружного воздуха на реальную эксплуатацию.
Поэтому техническая целесообразность определяется совокупностью подтверждённых условий, а не отдельным высоким значением эффективности теплообменника.
Какой результат должен дать расчёт
Итогом анализа являются условия целесообразной рекуперации с энергетическим расчётом за сезон. Результат должен показывать количество тепла, которое может быть возвращено в фактических режимах работы, и дополнительные затраты на обеспечение необходимого воздухообмена.
Для его формирования используют температуры и расходы вытяжного и приточного воздуха, характеристики теплообменника, паспорт рекуператора, журнал обмерзаний и архив работы вентиляционной установки.
Сопоставление этих данных позволяет установить, в каких режимах рекуперация даёт полезный энергетический эффект, как он изменяется в течение сезона и какие параметры необходимо подтвердить дополнительными измерениями.
Граница достоверности: паспортный коэффициент возврата тепла не гарантирует годовую экономию. Без достоверных температур и расходов воздуха, сведений об обмерзании, загрязнении, продолжительности работы и дополнительном сопротивлении нельзя количественно подтвердить сезонный результат. Расчёт должен разделять полезно возвращённую тепловую энергию и дополнительные затраты электроэнергии, не обещая экономию без сопоставимых эксплуатационных данных.