Квартирные утилизаторы теплоты вытяжного воздуха

В статье приведено обоснование необходимости использования механической приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха в зданиях, позволяющей существенно снизить энергоемкость инженерных систем зданий. Практика эксплуатации пилотных многоэтажных жилых зданий с поквартирными системами утилизации теплоты вытяжного воздуха показала эффективность этого направления энергосбережения.

В рамках Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» поставлена задача радикального снижения энергоемкости систем инженерного обеспечения зданий. К 2020 году должно быть достигнуто снижение энергоемкости ВВП на 40% к уровню 2007 года.

Особенно остро проблема стоит в жилищном секторе. На рис. 1 показана примерная структура энергопотребления в жилых зданиях и возможный экономически целесообразный потенциал энергосбережения.

Структура энергопотребления и потенциала энергосбережения в жилых зданиях: 1 – трансмиссионные теплопотери; 2 – расход теплоты на вентиляцию; 3 – расход теплоты на горячее водоснабжение; 4– энергосбережение

Наибольшие возможности снижения энергопотребления связаны с совершенствованием систем вентиляции и с утилизацией теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного. Такие системы вентиляции получили распространение в Северной Европе и Скандинавии.

К настоящему времени массовое применение нашли теплоутилизаторы:

• рекуперативного типа на базе пластинчатых воздухо-воздушных теплообменников;
• регенеративные с вращающейся теплообменной насадкой;
• с промежуточным теплоносителем с теплообменниками «жидкость-воздух».

По своему исполнению в многоэтажных жилых зданиях теплоутилизаторы могут быть центральными на все здания или группу квартир и индивидуальными, поквартирными.

При сходных массогабаритных показателях наибольшей энергетической эффективностью обладают регенеративные теплоутилизаторы (80–95%), далее следуют рекуперативные (до 65%) и на последнем месте находятся теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем (45–55%).

По своим конструктивным особенностям теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем мало пригодны для индивидуальной поквартирной вентиляции, и поэтому на практике их используют для центральных систем.

Регенеративные теплоутилизаторы обладают существенным недостатком – вероятностью смешивания определенной части удаляемого воздуха с приточным в корпусе аппарата, что, в свою очередь, может привести к переносу неприятных запахов и болезнетворных бактерий. Рекомендуется ограничить их область применения пределами одной квартиры, коттеджа или одного помещения в общественных зданиях.

Рекуперативные теплоутилизаторы, как правило, включают в свой состав два вентилятора (приточный и вытяжной), пластинчатый теплообменник, фильтры.

Эти системы, по сравнению с традиционными, обладают рядом достоинств, к числу которых следует отнести существенную экономию тепловой энергии, расходуемой на нагрев вентиляционного воздуха – от 50 до 90% в зависимости от типа применяемого утилизатора; а также высокий уровень воздушно-тепловой комфортности, обусловленный аэродинамической устойчивостью вентиляционной системы и сбалансированностью расходов приточного и удаляемого воздуха.

При установке рекуперативных теплоутилизаторов поквартирно появляется возможность:

• гибко регулировать воздушно-тепловой режим в зависимости от режима эксплуатации квартиры, в том числе с использованием рециркуляционного воздуха;
• защиты от городского, внешнего шума (при использовании герметичных светопрозрачных ограждений);
• очистки приточного воздуха с помощью высокоэффективных фильтров.

Практика эксплуатации первых пилотных многоэтажных жилых зданий с поквартирными системами утилизации теплоты вытяжного воздуха показала эффективность этого направления энергосбережения.

Пилотные проекты

ООО «НПО ТЕРМЭК» в 2000 году запроектировало одну из первых систем поквартирной приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха в 18-этажном жилом доме в Москве по Красностуденческому проезду, д. 6. Проект энергоэффективного 260-квартирного дома был выполнен архитектурной мастерской П.П. Пахомова по инженерной концепции НП «АВОК» (руководитель Ю.А. Табунщиков).

В проекте использованы компактные подвесные приточно-вытяжные установки с пластинчатыми теплоутилизаторами RIS 400 P. Установки размещены в подшивном потолке туалетной комнаты. Забор приточного воздуха осуществляется из лоджий квартир или с фасадов.

Вытяжной воздух удаляется в общий вентиляционный стояк. Испытания, проведенные в 2004 году, показали энергетическую эффективность теплоутилизационных вентустановок в диапазоне 65–75%.

В отопительный сезон 2008–2009 годов было проведено энергетическое обследование систем теплопотребления всего жилого дома, показавшее экономию теплоты на отопление и вентиляцию в размере 43% по сравнению с аналогичными домами того же года постройки.

Интересно отметить, что тариф на оплату отопления и вентиляции в 2011 году в доме составляет 6,11 руб./мес. в расчете на 1 м 2 площади квартир и в него входит, помимо обогрева вспомогательных зон, еще более 2000 м 2 нежилых помещений (спорткомплекс, 1-й этаж и др.), в то время как в соседних домах тариф на отопление превышает 16 руб./мес. в расчете на 1 м 2 .

В 2011 году НП «АВОК» совместно с «НПО ТЕРМЭК» запроектировали системы механической приточно-вытяжной вентиляции в двух многоквартирных экспериментальных домах в Северном Измайлове (генпроектировщик – «Капстройпроект»). В одном из домов запроектированы поквартирные системы приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха, в другом – централизованные. В сочетании с другими мерами энергосбережения (усиленная теплозащита ограждающих конструкций, горизонтальные поквартирные системы отопления) расчетный показатель годового теплопотребления на отопление и вентиляцию составил менее 40 кВт·ч/м 2 ·год.

Следует отметить, что новые требования по энергоэффективности зданий в Москве, предусмотренные Постановлением Правительства города № 900 от 5 октября 2010 года «О повышении энергетической эффективности жилых, социальных и общественно-деловых зданий в городе Москве…», устанавливают уровень энергопотребления, обеспечить который возможно с утилизацией теплоты вытяжного воздуха.

Это означает необходимость перехода в массовом строительстве к механической приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха.

К сожалению, массовое применение систем вентиляции с утилизаторами сдерживается отсутствием отечественного серийного производства установок малой производительности по доступным ценам, а импортные предложения стоят достаточно дорого (от 40 до 60 тыс. руб.).

Отечественные разработки

ООО «МИКТЕРМ» разработаны технические решения и макетные образцы бюджетного квартирного теплоутилизатора.

При постановке задачи были сформулированы целевые функции для бюджетного теплоутилизатора:

• простота конструкции и технологичность изготовления;
• отказ от дренажа конденсата, обеспечение увлажнения приточного воздуха за счет конденсата;
• среднегодовая эффективность не ниже 65%;
• защита от обмерзания теплоутилизатора;
• себестоимость установки не более 10 тыс. руб.;
• удобство технического обслуживания.

В качестве материала для рекуперативного теплообменного блока использован сотовый поликарбонат – материал, освоенный в серийном производстве отечественными предприятиями.

Материал обладает высокими санитарно-гигиеническими качествами, легко моется, имеет низкое аэродинамическое сопротивление, устойчив к температуре (+40…–40 ˚С), разрешен к применению в строительстве.

В теплообменнике выполнены специальные отверстия для отвода конденсата из вытяжных каналов в приточные с перегородками из гигроскопичного нетканого материала. Конденсат, проходя через отверстия, «растекается» по гигроскопичному материалу и испаряется сухим приточным воздухом (рис. 2).

Фрагмент теплоутилизатора с системой отвода конденсата

Установку планируется выпускать в двух вариантах:

• с одним вытяжным вентилятором;
• с вытяжным и приточным вентиляторами.

В первом случае вытяжной воздух собирается из туалета, ванной комнаты и кухни и поступает в теплоутилизатор. Приточный воздух поступает в квартиру «самотеком», как через приточный клапан. Установка работает на «дебалансе» – объем прокачиваемого приточного воздуха составляет 60–80% от расхода вытяжного.

Дефицит приточного воздуха восполняется инфильтрацией через светопрозрачные ограждения. Как правило, объем инфильтрации в современных многоэтажных домах составляет 0,1–0,2 воздухообмена.

Приточный воздух сосредоточенно подается в «чистую» зону квартиры (холл, гостиная). Такое решение позволяет повысить температуру приточного воздуха, поступающего через теплоутилизатор, на 2–3 °C и обеспечить незамерзающий режим работы утилизатора до температуры наружного воздуха –15 °C.

При более низкой температуре наружного воздуха предусмотрено устройство снижения расхода приточного воздуха с сохранением незамерзающего режима.

В этом случае воздушный баланс будет сохраняться с помощью приточного клапана в обвод утилизатора.

Время работы установки в таком режиме для условий Москвы составляет не более 5% от продолжительности отопительного периода, зато позволяет отказаться от энергорасточительных электрических догревателей.

Второй вариант установки с приточным вентилятором работает в тех же режимах, что и первый, но позволяет осуществлять разводку приточного воздуха по сети воздуховодов в жилые комнаты квартиры.

Для оценки режимов эксплуатации установки была разработана физико-математическая модель процессов тепловлагопереноса при переменных расходах приточного и вытяжного воздуха.

Расчеты были выполнены для следующих начальных условий:

• расход вытяжного воздуха 150 м 3 /ч;
• температура вытяжного воздуха +24 °C;
• относительная влажность вытяжного воздуха 50%.

Результаты расчетов температуры приточного воздуха при различных значениях его расхода и температуры наружного воздуха представлены на рис. 3, а температура поверхности теплообменника – на рис. 4.

По результатам расчетов, зона незамерзаемости утилизатора при наружной температуре воздуха от –22 °C при расходе приточного воздуха 50 м 3 /ч, от –15 °C при расходе приточного воздуха 112 м 3 /ч и от –11 °C при сбалансированном расходе в 150 м 3 /ч.

Температура приточного воздуха при его расходах ниже 120 м 3 /ч поддерживается выше +15 °C даже при температуре наружного воздуха –15 °C.

Расчетная эффективность теплоутилизатора при наружной температуре –15 °C составляет свыше 60% при расходе приточного воздуха в 112 м 3 /ч и свыше 80% – при наружной температуре –5 °C.

Тестовые испытания макетного образца (рис. 5) при температуре наружного воздуха 0…+5 °C подтвердили расчетную эффективность установки.

Испытательный стенд макетного образца теплоутилизатора

Надо отметить, что авторы разработки не стремились достичь рекордной энергоэффективности установки (эффективность ряда импортных изделий достигает 90%), сделав акцент на простоте конструкции, ее технологичности, низкой себестоимости и удобстве технического обслуживания.

Принятые в стране нормативные акты по энергосбережению ставят строителей перед необходимостью повсеместного применения теплоутилизаторов в жилом фонде уже с 2012 года.

Планируется, что в будущем году предложенные технические решения будут реализованы в опытно-промышленные образцы.

Утилизация тепла

Д. Дросте, ИнноТек Системанализ ГмбХ, Берлин (Германия)

Технология

Основные положения

Системы приточно-вытяжной вентиляции для административных и жилых помещений эффективны не только с санитарно-гигиенической точки зрения. При наличии автоматической утилизации тепла, они также вносят существенный вклад в снижение затрат на отопление. Воздух, удаляемый из помещения, имеет температуру 20-24 o С. Не использовать это тепло — значит, в буквальном смысле, выпускать его в форточку. Тепло удаляемого воздуха можно использовать для подогрева воды и приточного воздуха и, тем самым, внести свой вклад в защиту окружающей среды.

Таким образом, утилизация тепла необходима для снижения потерь при вентиляции.

Технические решения

В вентиляционных системах зданий заданное количество удаляемого воздуха забирается из помещений с высоким содержанием влаги и загрязнений: кухни, туалета, ванной комнаты, — затем охлаждается в перекрестноточном пластинчатом теплообменнике и выбрасывается наружу. Такое же количество предварительно очищенного от пыли наружного приточного воздуха нагревается в теплообменнике без контакта с удаляемым воздухом и подается в жилые помещения, спальные и детские комнаты. Соответствующие устройства располагаются на чердаках, в подвалах или во вспомогательных помещениях.

В системах автоматической приточной вентиляции заданное количество воздуха с помощью вентиляторов подается в помещение непрерывно. Вытяжные вентиляторы отбирают загрязненный воздух из кухонь, туалетов и т.д.

При правильном подборе вентиляторов обеспечивается воздухообмен, соответствующий требованиям Федерального правительства. Для обеспечения утилизации тепла в систему включены специальные теплообменники, например, перекрестноточные, при необходимости снабженные тепловым насосом.

Современные установки в домах с хорошей теплоизоляцией, по сравнению с конвективной системой отопления, позволяют экономить до 50% тепла.

Эффективность передачи тепла от удаляемого воздуха к приточному составляет в пластинчатых теплообменниках около 60%, при влажном удаляемом воздухе даже больше. Это означает, что в квартире жилой площадью 100 м 2 :

— мощность системы отопления ниже на 10 Вт/м 2 жилой площади;

— годовое потребление тепла снижается примерно с 40 до 15 кВт/м 2 ·год.

Экономическая эффективность

Управляемая система вентиляции и утилизации тепла требует энергетических затрат на подогрев воздуха меньше, чем другие системы. При этом, благодаря снижению установочной мощности системы отопления, при новом строительстве снижаются инвестиционные затраты. Дополнительно, за счет использования систем утилизации тепла, снижаются затраты на топливо, так как используются бытовые тепловыделения (имеются в виду тепловые выделения человека, электрических приборов, освещения, а также инсоляция и т.д.). Бытовые тепловыделения вместо того, чтобы «перегревать» помещение, в котором они возникают, перераспределяются по системе воздуховодов в те помещения, где есть «недогрев». Также следует иметь в виду, что во многих квартирах длительное проветривание через открытые окна часто нежелательно из-за высокого уровня шума. Использование в системе механической вентиляции установок утилизации тепла и тепловых насосов делает ее более энергоэкономичной.

Внедрение

Экономические предпосылки внедрения современных отопительных систем достаточно многообразны. В ряде федеральных земель существуют специальные налоговые льготы, благодаря которым первоначальные затраты можно снизить на 20-30%. Кроме того, ряд программ энергосбережения содержит разделы, посвященные вентиляции жилых помещений. Так, например, в программе земли Рейн-Пфальц предусмотрена доплата до 25%, но не более 7500 DМ. Особенно рекомендуется внедрение тепловых насосов, при этом в некоторых землях предусматривается доплата до 30%.

Примеры использования

Утилизация тепла в многоквартирном доме

В типичном многоквартирном доме в Лейпциге 1912 года постройки, который был реконструирован и дополнительно теплоизолирован, голландская вентиляционная фирма Van Ophoven использовала управляемую систему вентиляции с утилизацией тепла. Дома такого типа составляют до 60% жилого фонда Лейпцига. Система приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией тепла в перекрестноточном теплообменнике автономна до момента включения дополнительного подогревателя приточного воздуха. Для обеспечения утилизации тепла в систему включены специальные теплообменники, в нашем примере — перекрестноточные. Речь идет в данном случае о равновесной системе вентиляции. Каждая квартира оборудована прибором, установленном на стене в специально отведенном месте. Наружный воздух предварительно нагревается в утилизационном устройстве, а затем с помощью дополнительного подогревателя нагревается до необходимой температуры. В данном случае речь идет о непрямом отоплении. Анализ эффективности этой системы показал, что экономия энергии составляет 40%, а выбросы СО₂ снизились на 69%.

Воздухообменные установки

Во многих административных зданиях в Носсене, в офисах, больницах, банках благоприятный микроклимат обеспечивают энергоэкономичные воздухообменные установки с утилизацией тепла. Эффективность утилизации тепла в противоточных теплообменниках может достигать 60%. На приведенном здесь снимке видно, что воздухообменные установки хорошо вписываются в обстановку помещения.

Литература

1. Arbeitskreis der Dozenten fur Klimatechnik: Handbuch der Klimatechnik, Verlag C.F. Muller GmbH, Karlsruhe

2. Recknagel/Sprenger: Taschenbuchfur Heizung + Klimatechnik, R. Oldenburg Verlag, Munchen/Wien 83/84

3. Ministerium fur Banuen und Wohnen des Landes Nordrhein-Westfalen: Luftung im Wohngebaude

4. THERMIE-Maxibroschure: Leitfaden energiesparende und emissionsarme Anlagen zur Heizung, Kuhlung und Klimatisierung von kleinen und mittleren Unternehmen in den neuen Bundeslandern, erhaltlich under OPET.