Рекуперация тепла в коммерческой вентиляции: когда она действительно эффективна

Рекуперация тепла позволяет использовать энергию удаляемого из здания воздуха для предварительного нагрева или охлаждения наружного приточного воздуха. Для коммерческой вентиляции это один из основных способов снизить нагрузку на калорифер, холодильную машину и другие элементы системы обработки воздуха.

Однако наличие рекуператора само по себе ещё не означает, что система будет экономить столько энергии, сколько можно предположить по паспортному КПД теплообменника. Реальный результат зависит от наружной температуры, продолжительности работы вентиляции, расхода воздуха, соотношения притока и вытяжки, типа рекуператора, алгоритма защиты от обмерзания и даже качества технического обслуживания.

Поэтому при проектировании коммерческого объекта в Ростове-на-Дону правильнее задавать не вопрос «нужен ли рекуператор вообще», а оценивать, сколько энергии он сможет реально вернуть именно в условиях конкретного здания.

Паспортная эффективность рекуператора и фактическое снижение энергозатрат вентиляционной системы — не одно и то же. Чтобы понять реальный эффект, необходимо рассматривать весь годовой режим работы установки.

Как рекуперация тепла работает в коммерческой вентиляции

В холодное время года наружный воздух необходимо нагреть перед подачей в помещения. Одновременно из здания удаляется уже нагретый вытяжной воздух. Без рекуперации значительная часть содержащейся в нём тепловой энергии просто выбрасывается наружу.

Рекуператор позволяет передать часть этой энергии приточному воздуху.

Упрощённый пример: наружный воздух поступает при −10 °C, а из помещения удаляется воздух температурой около +22 °C. После прохождения через теплообменник приточный воздух может нагреться ещё до калорифера, поэтому системе потребуется значительно меньше энергии для доведения его до расчётной температуры подачи.

Летом процесс может работать в обратном направлении. Если внутри здания прохладнее и суше, чем снаружи, теплообменник способен частично уменьшить нагрузку на систему охлаждения приточного воздуха.

Подробнее принцип построения такой вентиляции мы рассматривали в материале «Приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепла».

В этой статье важнее другой вопрос — насколько значительным будет фактический эффект на конкретном объекте.

Почему одного значения КПД недостаточно

В характеристиках вентиляционного оборудования часто указывается эффективность рекуперации, например 70, 80 или 85 %. Такие значения полезны для сравнения оборудования, но воспринимать их как прямое снижение расходов на отопление всего здания нельзя.

Эффективность теплообменника показывает, насколько хорошо он передаёт энергию между двумя воздушными потоками в определённых условиях. При этом реальная эксплуатация гораздо сложнее.

На фактический результат влияют:

• наружная температура;
• температура вытяжного воздуха;
• расход притока;
• расход вытяжки;
• влажность воздуха;
• режим работы установки;
• степень загрязнения фильтров и теплообменника;
• обмерзание;
• работа байпаса;
• алгоритмы автоматики;
• потери давления на теплообменнике.

Кроме того, сам рекуператор создаёт аэродинамическое сопротивление. Вентиляторам приходится преодолевать дополнительное давление, а значит, часть полученной тепловой экономии сопровождается дополнительным расходом электроэнергии на перемещение воздуха.

На правильно спроектированной крупной системе этот расход обычно существенно меньше возвращаемой тепловой энергии, но учитывать его всё равно необходимо.

Когда рекуперация даёт наибольший эффект

Рекуперация особенно выгодна там, где через вентиляцию постоянно проходит большой объём наружного воздуха и установка работает продолжительное время.

Чем больше расход воздуха и чем сильнее отличается наружная температура от температуры внутри здания, тем больше потенциальный объём энергии, который можно вернуть.

Поэтому наиболее интересны объекты с:

• большим расчётным воздухообменом;
• длительным ежедневным графиком работы;
• круглогодичной эксплуатацией;
• значительным отопительным периодом;
• сбалансированными приточным и вытяжным расходами;
• дорогим источником тепловой энергии;
• большой нагрузкой на нагрев наружного воздуха.

Например, если приточно-вытяжная установка обслуживает офисный комплекс 12–14 часов ежедневно, через неё за сезон проходит огромный объём воздуха. Даже небольшое снижение необходимой мощности нагрева в каждый час работы превращается в существенную годовую экономию.

Совсем другая ситуация — небольшое помещение, где вентиляция включается эпизодически на несколько часов в неделю. Здесь потенциальная экономия может оказаться слишком небольшой по отношению к стоимости более сложного оборудования.

Расход воздуха влияет на экономику сильнее, чем кажется

Количество возвращаемой энергии напрямую связано с количеством воздуха, проходящего через теплообменник.

Условно говоря, установка на 2 000 м³/ч и установка на 30 000 м³/ч могут использовать теплообменники с похожей паспортной эффективностью, но абсолютное количество возвращаемой энергии будет совершенно разным.

Поэтому рекуперация особенно актуальна для:

• бизнес-центров;
• торговых комплексов;
• гостиниц;
• учебных заведений;
• фитнес-центров;
• общественных зданий;
• производственных объектов с большим общеобменным воздухообменом.

Но и здесь есть нюанс. Для эффективной передачи тепла необходимо наличие достаточного вытяжного потока. Если приток составляет 20 000 м³/ч, а через рекуператор удаётся пропустить только 8 000 м³/ч вытяжного воздуха, возможности теплоутилизации ограничиваются именно этим дисбалансом.

Почему баланс притока и вытяжки так важен

Теплообменник работает между двумя потоками — приточным и вытяжным. Поэтому максимальный эффект достигается, когда через обе его стороны проходят сопоставимые объёмы воздуха.

На реальных объектах этого условия удаётся достичь не всегда.

Например, часть воздуха может удаляться отдельными системами:

• вытяжкой санузлов;
• кухонными зонтами;
• локальными технологическими системами;
• помещениями со специальным режимом давления.

Если эти потоки не проходят через общий рекуператор, их энергия не участвует в теплоутилизации.

Поэтому при оценке эффективности нужно смотреть не только на общий расход вентиляции здания, но и на то, какая часть приточного и вытяжного воздуха физически проходит через теплообменник.

Пластинчатый и роторный рекуператор: эффективность — не единственный критерий

В коммерческих вентиляционных установках применяются разные типы теплоутилизаторов. Наиболее распространены пластинчатые и роторные.

Пластинчатый теплообменник разделяет приточный и вытяжной воздушные потоки стенками теплообменных пластин. В классическом исполнении непосредственного смешивания потоков практически нет.

К его преимуществам относятся:

• относительно простая конструкция;
• отсутствие вращающихся частей в самом теплообменнике;
• хорошее разделение приточного и вытяжного потоков;
• понятное техническое обслуживание.

При низкой наружной температуре одним из важных вопросов становится защита от обмерзания.

Роторный рекуператор использует вращающийся теплоаккумулирующий ротор, который попеременно проходит через вытяжной и приточный потоки.

Такой вариант может обеспечивать высокую эффективность и в зависимости от конструкции частично передавать не только явное тепло, но и влагу.

Однако ротор требует привода и имеет небольшой перенос воздуха между потоками, который необходимо учитывать для конкретного назначения объекта.

Поэтому нельзя выбирать тип рекуператора исключительно по максимальному проценту эффективности в каталоге.

Необходимо учитывать:

• назначение помещений;
• допустимость перетока между притоком и вытяжкой;
• влажностный режим;
• наружные расчётные температуры;
• риски обмерзания;
• требования к обслуживанию;
• габариты установки;
• дополнительное аэродинамическое сопротивление.

Обмерзание может заметно изменить зимнюю эффективность

При низкой наружной температуре вытяжной воздух охлаждается внутри теплообменника. Содержащаяся в нём влага может конденсироваться, а затем замерзать.

Если процесс не контролировать, лёд постепенно увеличивает сопротивление теплообменника и уменьшает расход воздуха.

Поэтому в приточно-вытяжных установках применяются различные алгоритмы защиты:

• предварительный нагрев наружного воздуха;
• снижение производительности приточного вентилятора;
• периодическое изменение режима работы;
• управление байпасом;
• регулирование производительности рекуператора;
• комбинация нескольких методов.

Но защита от обмерзания влияет на энергетику всей установки.

Например, если для предотвращения замерзания необходимо включать электрический преднагреватель, часть экономии от рекуперации будет расходоваться на него.

Это не означает, что рекуператор становится бессмысленным. Важно лишь учитывать такие периоды при годовом расчёте, а не ориентироваться исключительно на одну паспортную точку.

Зачем рекуператору байпас

Есть режимы, когда возвращать тепло вытяжного воздуха наоборот невыгодно.

Классический пример — прохладная летняя ночь после жаркого дня. Если наружный воздух холоднее воздуха в здании, может быть полезнее подавать его напрямую, не нагревая от вытяжного потока.

Для этого используется байпас — воздушный путь в обход теплообменника.

Автоматика сравнивает параметры наружного, вытяжного и иногда приточного воздуха и выбирает наиболее выгодный режим.

Правильно работающий байпас позволяет использовать так называемое свободное охлаждение тогда, когда наружные условия это позволяют.

Поэтому круглогодично держать теплообменник в одном положении также неправильно.

Как VAV влияет на рекуперацию

В современных коммерческих зданиях расход воздуха часто меняется в течение суток. В VAV-системе при снижении загрузки помещений уменьшается общий приточный и вытяжной расход.

Одновременно уменьшается и абсолютное количество энергии, проходящей через рекуператор.

На первый взгляд может показаться, что это снижает смысл теплоутилизации. Но в действительности VAV и рекуперация решают разные задачи:

• VAV сокращает сам объём воздуха, который необходимо обработать;
• рекуперация уменьшает затраты на обработку того объёма, который всё-таки необходимо подать.

В хорошо спроектированной системе эти способы энергосбережения дополняют друг друга.

Например, в период низкой загрузки объект сначала уменьшает расход воздуха, а затем оставшийся наружный поток предварительно нагревается за счёт вытяжного.

Но автоматика должна обеспечивать устойчивую работу рекуператора во всём расчётном диапазоне расходов.

Почему фактическая экономия зависит от графика здания

Сравним два объекта с одинаковой вентиляционной установкой.

Первый работает 16 часов ежедневно семь дней в неделю. Второй — только по будням с 09:00 до 18:00.

Даже при одинаковой эффективности теплообменника годовое количество возвращённой энергии будет существенно различаться.

Поэтому для оценки окупаемости необходимо учитывать:

• количество рабочих часов в год;
• сезонность;
• график загрузки;
• ночное снижение производительности;
• периоды полного отключения;
• фактическую наружную температуру по сезонам.

Особенно выгодна рекуперация на объектах, которые одновременно имеют большой воздухообмен и продолжительный режим работы.

В каких случаях эффект может быть меньше ожидаемого

Рекуперация не является универсальной гарантией большой экономии.

Фактический эффект может быть относительно небольшим, если:

• вентиляция используется редко;
• расход воздуха небольшой;
• между притоком и вытяжкой большой дисбаланс;
• значительная часть вытяжного воздуха удаляется отдельными системами;
• наружный климат большую часть года мягкий;
• тепловая энергия для нагрева воздуха стоит сравнительно недорого;
• рекуператор сильно загрязнён;
• система часто работает в режиме защиты от обмерзания;
• автоматика настроена неправильно;
• дополнительное сопротивление неоправданно велико.

Отдельно нужно учитывать технологические ограничения. Если вытяжной воздух содержит вещества, которые нельзя допускать к притоку даже в минимальном количестве, выбор типа теплоутилизации становится более жёстким.

На некоторых объектах применение определённого типа рекуператора может быть ограничено самим назначением помещений.

Почему обслуживание напрямую влияет на эффективность

Даже правильно спроектированная установка постепенно теряет эффективность, если её не обслуживать.

Загрязнённые фильтры увеличивают сопротивление системы. Загрязнение поверхности теплообменника ухудшает передачу тепла. Неисправность привода байпаса или ротора может привести к работе системы в неправильном режиме.

При эксплуатации необходимо контролировать:

• состояние фильтров;
• чистоту теплообменника;
• дренаж конденсата;
• работу байпаса;
• привод ротора, если он используется;
• датчики температуры;
• датчики перепада давления;
• алгоритмы защиты от обмерзания;
• фактические расходы притока и вытяжки.

Если расчётная система должна пропускать 15 000 м³/ч, а из-за загрязнённых фильтров фактические расходы существенно изменились, расчётная картина теплоутилизации уже нарушается.

Как правильно оценивать эффективность до выбора оборудования

Для коммерческого объекта лучше рассматривать рекуперацию как часть общего энергетического баланса вентиляции.

До выбора установки необходимо определить:

• расчётный приточный расход;
• расчётный вытяжной расход;
• график работы;
• расчётные наружные температуры;
• температуру вытяжного воздуха;
• тип источника теплоснабжения;
• стоимость тепловой и электрической энергии;
• допустимое аэродинамическое сопротивление;
• риски обмерзания;
• необходимость влагопереноса;
• санитарные ограничения на переток воздуха;
• режим работы летом.

После этого можно сравнить несколько вариантов: без рекуперации, с пластинчатым теплообменником, с роторным или другим технически допустимым решением.

Для каждого варианта желательно оценивать не только первоначальную стоимость, но и годовое энергопотребление.

Самый высокий паспортный КПД не всегда означает самое выгодное решение для здания. Оптимальной будет система, которая эффективно работает именно в реальном диапазоне температур, расходов и режимов конкретного объекта.

Когда рекуперацию стоит закладывать уже на стадии концепции

На крупных объектах решение о теплоутилизации лучше принимать до окончательной компоновки вентиляционных камер и трасс воздуховодов.

Рекуператор влияет на:

• габариты вентиляционной установки;
• её длину и массу;
• необходимое сервисное пространство;
• сопротивление системы;
• мощность вентиляторов;
• дренаж;
• автоматику;
• электроснабжение;
• общую компоновку приточных и вытяжных каналов.

Если вопрос рекуперации появляется только после того, как техническое помещение уже сформировано, может оказаться, что нужный теплообменник физически невозможно разместить или для него нет достаточного сервисного доступа.

Поэтому для коммерческих объектов в Ростове-на-Дону теплоутилизацию желательно оценивать одновременно с общей концепцией вентиляции, а не добавлять её в последний момент как отдельную опцию.

Подводим итог

Рекуперация тепла действительно способна существенно уменьшить энергозатраты коммерческой вентиляции, особенно на объектах с большим расходом наружного воздуха, продолжительным графиком работы и значительной разницей между наружной и внутренней температурой.

Но эффективность определяется не одной цифрой КПД.

На реальный результат влияют баланс притока и вытяжки, тип теплообменника, обмерзание, байпас, аэродинамическое сопротивление, автоматика, режим эксплуатации и техническое обслуживание.

Поэтому корректный подход — сравнивать варианты по годовой работе всей системы, а не только по паспортным характеристикам рекуператора.

«Сплит Центр» выполняет расчёт, проектирование и подбор коммерческих систем вентиляции с рекуперацией тепла. При выборе решения учитываются расход воздуха, климатические условия, график работы здания, тип теплообменника, автоматика и ожидаемые эксплуатационные затраты.

Часто задаваемые вопросы