Повышение энергоэффективности систем вентиляции и кондиционирования общественных зданий за счёт теплоутилизаци

Введение. В настоящее время уже существует ряд систем, которые обеспечивают тепловой комфорт помещений, но они имеют свои недостатки.
Система отопления способна поддерживать на заданном уровне температуру внутреннего воздуха, что соответствует условиям теплового комфорта и требованиям технологического процесса [1, 8].
Система вентиляции способна обеспечить поддержание на необходимом уровне широкого набора параметров воздуха: температуры (не во всех случаях), подвижности (скорости), относительной влажности (не во всех случаях), запыленности, концентрации вредных веществ [1, 2, 9].
Для обеспечения необходимого, согласно санитарных норм, качества воздушной среды, необходима постоянная смена воздуха в помещении: вместо удаляемого (вытяжного) воздуха после соответствующей обработки должен подаваться свежий воздух [3, 4].
Система кондиционирования воздуха, в отличие от приточно-вытяжной вентиляции, обеспечивает не только необходимое изменение воздуха в помещении, но и автоматически поддерживает заданные условия в нем независимо от внешних климатических факторов и внутреннего режима работы в помещении [2]. В систему кондиционирования входит оборудование для необходимых процессов обработки приточного воздуха (очистка, нагрев и охлаждение, увлажнения и осушения) и его поступления, а также источники тепло- и холодоснабжения, насосы и трубы для перемещения тепло- и хладоносителя, устройства для распределения воздуха, местные доводчики (подогреватели, охладители, увлажнители) и средства автоматического регулирования, дистанционного управления и контроля.
Создание новых и ультра эффективных технологий использования возобновляемых источников энергии – это не просто использование солнца или ветра, а использование энергии, образовавшейся в самих домах и офисных зданиях. Использование того тепла, которое уже есть во внутреннем воздухе зданий и сооружений, помогает уменьшить негативное воздействие на окружающую среду. Системы рекуперации тепла работают, преобразовуя этот потенциально ценный теплый воздух или тепло сточных вод в доме, что позволяет использовать его повторно в системах вентиляции и кондиционирования.
В мире без «зеленой технологии», такой как рекуперация тепла, воздух циркулирует по помещению, становится отработанным и заменяется более холодным воздухом, который нагревается системой вентиляции. Теплый, отработанный воздух выбрасывается в атмосферу. Системы рекуперации тепла не устраняют необходимость в котле или другой технологии для обогрева радиаторов, но они помогают им работать более эффективно за счет рециркуляции и рекуперации этого теплого воздуха и обеспечения максимальной отдачи тепла от него.
Система рекуперации тепла может работать в составе системы вентиляции, которая расположена в верхней части здания (к примеру на чердаке или техническом этаже). Вместо того, чтобы просто вытягивать несвежий воздух и заменять его свежим – наружным, она, прежде всего, работает для отбора тепла от выходящего воздуха и передачи его поступающему приточному воздуху [6, 9].
Вентиляция с рекуперацией тепла работает независимо от обычной системы отопления. В каждой комнате есть вентиляционные каналы с фильтрами, которые подают воздух в помещение и выводят отработанный из него к теплообменнику, который размещается либо на чердаке, либо на крыше здания. Теплообменник является основой системы рекуперации тепла, принцип его работы заключается в перемещении несвежего воздуха через сотни маленьких каналов, одновременно втягивая холодный воздух снаружи в другие параллельные каналы. Они проходят мимо друг друга, не смешиваясь физически, но тепло передается от вытяжного воздуха к холодному воздуху, который затем подается обратно в воздухораспределительные каналы и через приточные решетки далее в помещения. Вытяжной, отработанный воздух после отбора из него тепла выбрасывается в атмосферу.
За последние годы технология систем рекуперации тепла значительно улучшилась, и теперь существуют системы, которые позволяют извлекать до 90% тепла из несвежего воздуха, и использовать его для нагрева свежего воздуха, подаваемого в систему раздающих вентиляционных каналов и решеток

. Различные теплоутилизационные системы необходимы, чтобы максимизировать ценность ненужной энергии, превращая ее в нечто полезное, что может снизить затраты на нагрев приточного воздуха и уменьшить воздействие на окружающую среду. 
Рекуперация тепла может осуществляться с помощью роторных колес, технологии пластинчатой утилизации, тепловых насосов или более сложных промышленных процессов или систем.
Наибольшей эффективностью среди всех систем рекуперации воздуха обладают роторные утилизаторы тепла, которые тем не менее представляют собой агрегаты больших размеров [9]. Они состоят из двух больших колес с сотовой решеткой, одна из которых втягивает несвежий / вытяжной воздух, а другая половина – свежий воздух снаружи. Колеса вращаются в противоположных направлениях друг к другу, и энергия отработанного воздуха передается поступающему воздуху, нагревая его.
Рисунок 1 – Роторный утилизатор тепловой энергии вытяжного воздуха в составе воздухообрабатывающей установки
Колеса теплообменника обычно изготавливаются из алюминия, но на самом деле могут быть изготовлены из широкого спектра материалов, включая пластик и даже бумагу. Преимущество теплового колеса в том, что оно высокоэффективно (КПД до 80%) по сравнению с другими системами и, при правильной настройке, может обеспечить более быстрый возврат инвестиций. В качестве системы рекуперации тепла скорость вращения колес и количество передаваемой энергии можно регулировать для повышения или понижения температуры воздуха, который подается обратно в здание.
Более распространенным является пластинчатый утилизатор тепловой энергии, поскольку его можно использовать в меньших масштабах [2;6]. Он состоит из коробки с рядом параллельных пластин, выполненных из металла или пластика, которые позволяют отработанному воздуху проходить над входящим воздухом, передавая энергию и нагревая его. Воздушные потоки разделены пластинами и никогда не соприкасаются, поэтому одним из ключевых факторов эффективности любой системы является то, насколько тонкими и проводящими являются отдельные пластины. Системы рекуперации тепла в пластинах обычно имеют КПД около 70%.
Некоторые системы требуют больше затрат на обслуживание, чем другие. Например, самое простое и дешевое решение для рекуперации тепла – это пластинчатый теплообменник, который, хотя и имеет низкую эффективность, также довольно прост в обслуживании. Система с обтеканием катушки требует немного больше времени на обслуживание со временем, но является более эффективным методом рекуперации тепла. Вращающиеся колеса, как правило, не используются для большинства систем из-за их размера, и к ним также прилагается высокая стоимость обслуживания. 
Тепловые насосы отбирают тепло из одной среды и переносят его в другую среду [2]. Они работают аналогично холодильной установке и могут использоваться как для охлаждения, так и для подогрева воздуха. Существует множество различных разновидностей, которые могут получать тепло как из наружного воздуха, так и из земли с помощью сети труб. 
 К преимуществам рекуперации тепла можно отнести: постоянная подача свежего, отфильтрованного воздуха в помещение, доступная система вентиляции для новых или существующих помещений, не требуется вентиляционные отверстия или вытяжные вентиляторы, устраняет плесень и борется с конденсатом, восстанавливает до 95% тепла, выделяемого из влажных помещений, естественное охлаждение без открывания окон, сбалансированное распределение тепла по всему дому, сокращение расходов на отопление до 25%.
Исходя из поставленных задач статьи, рассмотрим в работе пошаговую методику теплового и аэродинамического расчета пластинчатого рекуперативного теплообменника, применяемого в воздухообрабатывающих установках [2, 6, 9]