Tiekiamoji-ištraukiamoji ventiliacija su šilumos rekuperacija: veikimo principas, privalumų ir trūkumų apžvalga

Šviežio oro patekimas šaltuoju metų laiku lemia būtinybę jį šildyti, siekiant užtikrinti tinkamą patalpų mikroklimatą. Siekiant sumažinti elektros energijos sąnaudas, gali būti naudojama tiekiamoji ir ištraukiamoji ventiliacija su šilumos rekuperacija.

Jos veikimo principų supratimas leis kuo efektyviau sumažinti šilumos nuostolius, išlaikant pakankamą keičiamo oro kiekį. Pabandykime išsiaiškinti šį klausimą.

Energijos taupymas vėdinimo sistemose

Rudenį ir pavasarį vėdinant patalpas rimta problema yra didelis įeinančio ir viduje esančio oro temperatūrų skirtumas. Šaltas srautas veržiasi žemyn ir sukuria nepalankų mikroklimatą gyvenamuosiuose namuose, biuruose ir gamyklose arba neleistiną vertikalų temperatūros gradientą sandėlyje.

Dažnas problemos sprendimas yra šildymo įrenginio integravimas į tiekiamąją ventiliaciją, kuriuo šildomas srautas. Tokia sistema reikalauja elektros energijos sąnaudų, o didelis išeinančio šilto oro kiekis lemia didelius šilumos nuostolius.

Oro išėjimas į lauką su intensyviais garais yra didelių šilumos nuostolių indikatorius; tą šilumą būtų galima panaudoti įeinančiam srautui šildyti.

Jei oro įtekėjimo ir ištekėjimo kanalai yra šalia, galima dalį išeinančio srauto šilumos perduoti įeinančiam. Tai leis sumažinti šildytuvo elektros energijos suvartojimą arba visai jo atsisakyti. Įrenginys, užtikrinantis šilumos mainus tarp skirtingų temperatūrų dujų srautų, vadinamas rekuperatoriumi.

Šiltuoju metų laiku, kai lauko oro temperatūra gerokai viršija kambario temperatūrą, rekuperatorių galima naudoti įeinančiam srautui vėsinti.

Bloko su rekuperatoriumi sandara

Tiekiamosios ir ištraukiamosios ventiliacijos sistemų su integriniu rekuperatoriumi vidinė sandara yra pakankamai paprasta, todėl galimas jų savarankiškas elementų pirkimas ir montavimas. Jei surinkimas ar savarankiškas įrengimas kelia sunkumų, galima įsigyti paruoštus sprendimus – standartinių monoblokinių ar individualių surenkamų konstrukcijų pagal užsakymą.

Tipinė tiekiamosios ir ištraukiamosios vėdinimo sistemos įrenginio schema su viename korpuse integruotu rekuperatoriumi gali būti papildyta kitais mazgais, vartotojo nuožiūra

Pagrindiniai elementai ir jų parametrai

Korpusas su šilumos ir triukšmo izoliacija paprastai gaminamas iš lakštinio plieno. Sieninio montavimo atveju jis turi atlaikyti slėgį, kylantį užputojant tarpus aplink bloką, ir neleisti atsirasti vibracijai nuo ventiliatorių veikimo.

Paskirstyto oro paėmimo ir tiekimo skirtingoms patalpoms atveju prie korpuso prijungiama ortakių sistema. Ji aprūpinama vožtuvais ir sklendėmis srautams paskirstyti.

Jei nėra ortakių, ant tiekimo angos iš patalpos pusės montuojamos grotelės arba difuzorius oro srautui paskirstyti. Ant tiekimo angos iš gatvės pusės montuojama lauko tipo oro įsiurbimo grotelė, kad į vėdinimo sistemą nepatektų paukščiai, stambūs vabzdžiai ir šiukšlės.

Oro judėjimą užtikrina du ašinio arba išcentrinio veikimo tipo ventiliatoriai. Esant rekuperatoriui, natūrali oro cirkuliacija pakankamu tūriu neįmanoma dėl šio mazgo sukuriamo aerodinaminio pasipriešinimo.

Rekuperatoriaus buvimas numato smulkaus valymo filtrų montavimą abiejų srautų įėjimuose. Tai būtina norint sumažinti šilumokaičio plonų kanalų užsiteršimo dulkėmis ir riebalų nuosėdomis intensyvumą. Priešingu atveju, norint užtikrinti visaverčią sistemos veiklą, reikės padidinti profilaktinių darbų dažnį.

Smulkaus valymo filtrus būtina periodiškai keisti arba valyti. Priešingu atveju padidėjęs pasipriešinimas oro srautui taps ventiliatorių gedimo priežastimi.

Vienas ar keli rekuperatoriai užima pagrindinį tiekiamojo-ištraukiamojo įrenginio tūrį. Jie montuojami konstrukcijos centre.

Esant tipiškų stiprių šalčių ir nepakankamo rekuperatoriaus naudingumo koeficiento lauko orui šildyti, galima papildomai įrengti šildytuvą. Taip pat pagal poreikį montuojamas drėkintuvas, jonizatorius ir kiti įrenginiai palankiam mikroklimatui patalpoje sukurti.

Šiuolaikiniai modeliai numato elektroninį valdymo bloką. Sudėtingesnės modifikacijos turi darbo režimų programavimo funkcijas, priklausomai nuo fizinių oro aplinkos parametrų. Išorinės plokštės yra patrauklios išvaizdos, todėl gerai dera prie bet kokio patalpos interjero.

Kondensato atsiradimo problemos sprendimas

Iš patalpos patenkančio oro aušinimas sudaro prielaidas drėgmės išsiskyrimui ir kondensato susidarymui. Esant dideliam srauto greičiui, didesnė jo dalis nespėja susikaupti rekuperatoriuje ir išeina į lauką. Lėtai judant orui, didelė vandens dalis lieka įrenginio viduje. Todėl būtina užtikrinti drėgmės surinkimą ir jos išvedimą už korpuso ribų tiekiamojo-ištraukiamojo vėdinimo sistemos.

Elementarus kondensato surinkimo ir nuvedimo įrenginys yra padėklas, esantis po rekuperatoriumi su nuolydžiu link išleidimo angos

Drėgmė išvedama į uždarą talpą. Ji dedama tik patalpos viduje, kad išvengti nutekėjimo kanalų užšalimo esant neigiamoms temperatūroms. Nėra patikimo vandens kiekio, gaunamo naudojant sistemas su rekuperatoriumi, apskaičiavimo algoritmo, todėl jis nustatomas eksperimentiniu būdu.

Kondensato pakartotinis naudojimas oro drėkinimui yra nepageidautinas, nes vanduo sugeria daug teršalų, tokių kaip žmogaus prakaitas, kvapai ir kt.

Žymiai sumažinti kondensato kiekį ir išvengti su jo atsiradimu susijusių problemų galima, įrengus atskirą ištraukimo sistemą iš vonios kambario ir virtuvės. Būtent šiose patalpose oras turi didžiausią drėgmę. Esant kelioms ištraukimo sistemoms, oro mainai tarp techninės ir gyvenamosios zonos turi būti apriboti įrengiant atbulinius vožtuvus.

Išeinančio oro srautui atvėsus iki neigiamos temperatūros rekuperatoriaus viduje, kondensatas virsta ledu, dėl ko sumažėja srauto gyvasis skerspjūvis ir, kaip pasekmė, sumažėja vėdinimo tūris arba jis visiškai sustoja.

Periodiniam ar vienkartiniam rekuperatoriaus atitirpinimui įrengiamas aplinkkelio kanalas – bypass'as tiekiamo oro judėjimui. Praleidžiant srautą pro šalį įrenginiui, šilumos perdavimas sustoja, šilumokaitis įšyla ir ledas virsta skystu pavidalu. Vanduo nuteka į kondensato surinkimo talpą arba išgaruoja į lauką.

Aplinkkelio kanalo įrenginio principas nėra sudėtingas, todėl esant ledo susidarymo rizikai, tikslinga numatyti tokį sprendimą, nes rekuperatoriaus atšildymas kitais būdais yra sudėtingas ir ilgai trunkantis.

Kai srautas praeina per aplinkkelio kanalą, tiekiamo oro šildymas rekuperatoriumi nevyksta. Todėl įjungus šį režimą būtinas automatinis kaloriferio įjungimas.

Įvairių tipų rekuperatorių ypatybės

Yra keletas konstrukciškai besiskiriančių šilumos mainų tarp šalto ir šildomo oro srautų realizavimo variantų. Kiekvienas iš jų turi savo skiriamuosius bruožus, kurie lemia pagrindinę kiekvieno rekuperatoriaus tipo paskirtį.

Plokštelinis kryžminio srauto rekuperatorius

Plokštelinio rekuperatoriaus konstrukcijos pagrindą sudaro plonasieniai skydai, sujungti pakaitomis taip, kad būtų kaitaliojamas skirtingos temperatūros srautų praleidimas tarp jų 90 laipsnių kampu. Viena iš tokio modelio modifikacijų yra įrenginys su briaunuotais kanalais oro praėjimui. Jis pasižymi aukštesniu šilumos perdavimo koeficientu.

Pakaitinis šilto ir šalto oro srauto praleidimas per plokštes realizuojamas užlenkus plokščių kraštus ir sandarinant jungtis poliesterio derva.

Šilumokaičio skydai gali būti pagaminti iš įvairių medžiagų:

• Varis, žalvaris ir aliuminio pagrindu pagaminti lydiniai pasižymi gera šilumos laidumu ir nėra linkę rūdyti;
• Polimerinės hidrofobinės medžiagos plastmasė su aukštu šilumos laidumo koeficientu pasižymi mažu svoriu;
• Higroskopinė celiuliozė leidžia kondensatui prasiskverbti pro plokštę ir grįžti atgal į patalpą.

Trūkumas – galimybė susidaryti kondensatui esant žemoms temperatūroms. Dėl nedidelio atstumo tarp plokščių drėgmė arba ledas žymiai padidina aerodinaminį pasipriešinimą. Užšalimo atveju būtina uždaryti įeinančio oro srautą, kad plokštės atšiltų.

Plokštelinių rekuperatorių pranašumai yra šie:

• maža kaina;
• ilgas tarnavimo laikas;
• ilgas laikotarpis tarp profilaktinių priežiūrų ir jos atlikimo paprastumas;
• nedideli matmenys ir masė.

Toks rekuperatoriaus tipas yra labiausiai paplitęs gyvenamosiose ir biuro patalpose. Taip pat jis naudojamas kai kuriuose technologiniuose procesuose, pavyzdžiui, degalų degimo optimizavimui eksploatuojant krosnis.

Būgninis arba rotorinis tipas

Rotorinio rekuperatoriaus veikimo principas pagrįstas šilumokaičio sukimu, kurio viduje yra didelės šiluminės talpos gofruoto metalo sluoksniai. Dėl sąveikos su išeinančiu srautu įvyksta būgno sektoriaus įkaitimas, kuris vėliau atiduoda šilumą įeinančiam orui.

Smulkiaaklis rotorinio rekuperatoriaus šilumokaitis yra linkęs užsikimšti, todėl ypatingą dėmesį reikia skirti kokybiškam filtrų, skirtų smulkiam valymui, darbui.

Rotorinių rekuperatorių pranašumai yra šie:

• pakankamai aukštas efektyvumas, palyginti su konkuruojančiais tipais;
• didelio drėgmės kiekio grąžinimas, kuri kondensato pavidalu lieka ant būgno ir išgaruoja kontaktuodama su įeinančiu sausu oru.

Šis rekuperatoriaus tipas rečiau naudojamas gyvenamiesiems pastatams su butine ar kotedžų ventiliacija. Dažnai jis taikomas didelėse katilinėse šilumai grąžinti į krosnis arba erdvioms pramonės ar prekybos ir pramogų paskirties patalpoms.

Tačiau šio tipo prietaisai turi esminių trūkumų:

• gana sudėtinga konstrukcija su judančiomis dalimis, apimanti elektros variklį, būgną ir diržinę pavarą, o tai reikalauja nuolatinės priežiūros;
• padidėjęs triukšmo lygis.

Kartais tokio tipo prietaisams galima rasti terminą “regeneracinis šilumokaitis”, kuris yra tikslesnis nei “rekuperatorius”. Reikalas tas, kad nedidelė išeinančio oro dalis grįžta atgal dėl nepakankamo būgno prigludimo prie konstrukcijos korpuso.

Tai nustato papildomus apribojimus galimybei naudoti tokio tipo prietaisus. Pavyzdžiui, kaip šilumnešį negalima naudoti užteršto oro iš šildymo krosnių.

Sistema su vamzdeliais ir gaubtu

Vamzdelinio tipo rekuperatorius sudarytas iš izoliuotame korpuse išdėstytų plonasienių mažo skersmens vamzdelių sistemos, kuriais teka lauko oro įtekėjimas. Korpusu išvedama šilta oro masė iš patalpos, kuri šildo įeinančią srovę.

Šilto oro išvedimas turi būti atliekamas būtent per korpusą, o ne per vamzdelių sistemą, nes iš jų kondensato pašalinti neįmanoma

Pagrindiniai vamzdinių rekuperatorių privalumai yra šie:

• aukštas naudingumo koeficientas dėl priešpriešinio šilumnešio ir įeinančio oro judėjimo principo;
• konstrukcijos paprastumas ir judančių dalių nebuvimas užtikrina žemą triukšmo lygį ir retai kylančią priežiūros būtinybę;
• ilgas tarnavimo laikas;
• mažiausias skerspjūvis tarp visų rekuperacijos įrenginių tipų.

Tokio tipo įrenginiams naudojami vamzdeliai iš lengvųjų lydinių metalų arba, rečiau, – polimeriniai. Šios medžiagos nėra higroskopinės, todėl esant dideliam srautų temperatūrų skirtumui, korpuse gali susidaryti intensyvus kondensatas, o tai reikalauja konstrukcinio sprendimo jam pašalinti. Kitas trūkumas yra tas, kad metalinis užpildas turi didelį svorį, nepaisant mažų gabaritų.

Vamzdinio rekuperatoriaus konstrukcijos paprastumas daro šį įrenginių tipą populiarų savarankiškai gamybai. Kaip išorinis korpusas dažniausiai naudojami plastikiniai ortakių vamzdžiai, apšiltinti poliuretano putų apvalkalu.

Įrenginys su tarpiniu šilumnešiu

Kartais tiekimo ir ištraukimo ortakiai yra tam tikru atstumu vienas nuo kito. Tokia situacija gali susidaryti dėl pastato technologinių ypatumų arba sanitarinių reikalavimų, užtikrinant patikimą oro srautų atskyrimą.

Šiuo atveju naudojamas tarpinis šilumnešis, cirkuliuojantis tarp ortakių izoliuotu vamzdynu. Kaip terpė šiluminei energijai perduoti naudojamas vanduo arba vandens ir glikolio tirpalas, kurio cirkuliaciją užtikrina šilumos siurblio darbas.

Rekuperatorius su tarpiniu šilumnešiu yra didelės apimties ir brangus įrenginys, kurio naudojimas ekonomiškai pagrįstas didelio ploto patalpoms.

Jei yra galimybė naudoti kitokį rekuperatoriaus tipą, geriau nenaudoti sistemos su tarpiniu šilumnešiu, nes ji turi šiuos esminius trūkumus:

• mažas naudingumo koeficientas, palyginti su kitų tipų įrenginiais, todėl mažoms patalpoms su nedideliu oro srautu tokie įrenginiai nenaudojami;
• dideli visos sistemos tūris ir svoris;
• būtinybė naudoti papildomą elektrinį siurblį skysčio cirkuliacijai;
• padidėjęs siurblio darbo triukšmas.

Egzistuoja šios sistemos modifikacija, kai vietoj priverstinės šilumos mainų skysčio cirkuliacijos naudojama žemos virimo temperatūros terpė, pavyzdžiui, freonas. Tokiu atveju judėjimas kontūru galimas natūraliai, bet tik jei tiekiamo oro ortakis yra virš ištraukiamo.

Tokia sistema nereikalauja papildomų elektros energijos išlaidų, tačiau šildymui veikia tik esant dideliam temperatūrų skirtumui. Be to, būtinas tikslus šilumos mainų skysčio agregatinės būsenos kitimo taško nustatymas, kurį galima įgyvendinti sukuriant reikiamą slėgį arba tam tikrą cheminę sudėtį.

Pagrindiniai techniniai parametrai

Žinant reikiamą vėdinimo sistemos našumą ir rekuperatoriaus šilumos mainų naudingumo koeficientą, nesunku apskaičiuoti sutaupymą šildant patalpos orą konkrečiomis klimato sąlygomis. Palyginus galimą naudą su sistemos įsigijimo ir priežiūros išlaidomis, galima pagrįstai pasirinkti rekuperatorių arba standartinį šildytuvą.

Dažnai įrangos gamintojai siūlo modelių liniją, kurioje vėdinimo blokai su panašiu funkcionalumu skiriasi oro mainų kiekiu. Gyvenamosioms patalpoms šį parametrą reikia apskaičiuoti pagal 9.1 lentelę. SP 54.13330.2016

Naudingumo koeficientas

Rekuperatoriaus naudingumo koeficientu laikomas šilumos perdavimo efektyvumas, kuris apskaičiuojamas pagal šią formulę:

K = (T_p – T_n) / (T_v – T_n)

Kurioje:

• T_p – į patalpą patenkančio oro temperatūra;
• T_n – lauko oro temperatūra;
• T_v – patalpos oro temperatūra.

Maksimali naudingumo koeficiento vertė esant standartiniam oro srauto greičiui ir tam tikram temperatūros režimui nurodoma įrenginio techninėje dokumentacijoje. Jo tikroji vertė bus šiek tiek mažesnė.

Savarankiškai gaminant plokštelinį ar vamzdinį rekuperatorių, norint pasiekti maksimalų šilumos perdavimo efektyvumą, būtina laikytis šių taisyklių:

• Geriausią šilumos mainą užtikrina priešpriešinio srauto įrenginiai, po to kryžminio srauto, o mažiausią – vienakrypčiai abiejų srautų judėjimo įrenginiai.
• Šilumos mainų intensyvumas priklauso nuo srautus skiriančių sienelių medžiagos ir storio, taip pat nuo oro buvimo įrenginio viduje trukmės.

Žinant rekuperatoriaus naudingumo koeficientą, galima apskaičiuoti jo energijos vartojimo efektyvumą esant įvairioms lauko ir vidaus oro temperatūroms:

E (W) = 0,36 × R × K × (T_v – T_n)

kur R (m³/h) – oro srautas.

Rekuperatoriaus efektyvumo skaičiavimas pinigine išraiška ir palyginimas su jo įsigijimo ir montavimo išlaidomis dviejų aukštų kotedžui, kurio bendras plotas 270 m2, rodo tokios sistemos įrengimo tikslingumą.

Aukšto naudingumo koeficiento rekuperatorių kaina yra gana didelė, jie turi sudėtingą konstrukciją ir didelius matmenis. Kartais šių problemų galima išvengti įrengiant kelis paprastesnius įrenginius taip, kad įeinantis oras nuosekliai praeitų per juos.

Vėdinimo sistemos našumas

Pralaidžiamo oro tūris nustatomas pagal statinį slėgį, kuris priklauso nuo ventiliatoriaus galios ir pagrindinių mazgų, sukuriančių aerodinaminį pasipriešinimą. Paprastai tikslus jo apskaičiavimas neįmanomas dėl matematinio modelio sudėtingumo, todėl tipinėms monoblokinėms konstrukcijoms atliekami eksperimentiniai tyrimai, o individualiems įrenginiams atliekamas komponentų parinkimas.

Ventiliatoriaus galią reikia pasirinkti atsižvelgiant į bet kokio tipo įrengiamų rekuperatorių pralaidumo gebą, kuri techninėje dokumentacijoje nurodoma kaip rekomenduojamas srauto greitis arba įrenginio praleidžiamo oro tūris per laiko vienetą. Paprastai leistinas oro greitis įrenginio viduje neviršija 2 m/s.

Priešingu atveju, esant dideliam greičiui siauruose rekuperatoriaus elementuose, staigiai padidėja aerodinaminis pasipriešinimas. Tai lemia papildomas elektros energijos sąnaudas, neefektyvų lauko oro šildymą ir ventiliatorių tarnavimo laiko sumažėjimą.

Aukšto našumo rekuperatorių modelių slėgio nuostolių priklausomybės nuo oro srauto greičio diagrama rodo netiesinį pasipriešinimo didėjimą, todėl būtina laikytis rekomenduojamo oro mainų kiekio reikalavimų, nurodytų įrenginio techninėje dokumentacijoje.

Oro srauto krypties keitimas sukuria papildomą aerodinaminį pasipriešinimą. Todėl modeliuojant ortakio geometriją patalpos viduje pageidautina iki minimumo sumažinti 90 laipsnių vamzdžių posūkių skaičių. Oro sklaidymo difuzoriai taip pat didina pasipriešinimą, todėl pageidautina nenaudoti sudėtingo rašto elementų.

Užteršti filtrai ir grotelės sudaro dideles kliūtis srauto judėjimui, todėl juos reikia periodiškai valyti arba keisti. Vienas iš veiksmingų užterštumo įvertinimo būdų yra jutiklių, stebinčių slėgio skirtumą ruožuose prieš filtrą ir po jo, įrengimas.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Rotorinio ir plokštelinio rekuperatoriaus veikimo principas:

Plokštelinio tipo rekuperatoriaus naudingumo koeficiento matavimas:

Buitinės ir pramoninės vėdinimo sistemos su integruotu rekuperatoriumi įrodė savo energetinį efektyvumą išlaikant šilumą patalpų viduje. Šiuo metu yra daug pasiūlymų parduoti ir įrengti tokius įrenginius tiek kaip paruoštus ir išbandytus modelius, tiek pagal individualų užsakymą. Reikiamų parametrų skaičiavimą ir montavimą galima atlikti savarankiškai.

Jei susipažinus su informacija kilo klausimų arba radote netikslumų mūsų medžiagoje, prašome palikti savo komentarus žemiau esančiame bloke.