СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
База Данных Технологий    Устройства-преобразователи и накопители энергии УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА ВЫТЯЖНОГО ВОЗДУХА НА ОСНОВЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА.

 

УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА ВЫТЯЖНОГО ВОЗДУХА НА ОСНОВЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА.

 

© Хамзя Умяров

Контакт с автором: fatihamza@yandex.ru

 

Управляемая система вентиляции с утилизацией тепла вытяжного воздуха 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, паров горячей воды кухонь и ванных, а также инсоляции и т.д.). Бытовые тепловыделения вместо того, чтобы "перегревать" помещение, в котором они возникают, перераспределяются по системе воздуховодов в те помещения, где есть "недогрев" или “недотоп”. Также следует иметь в виду, что во многих квартирах длительное проветривание через открытые окна часто нежелательно из-за высокого уровня городского шума, высокой запыленности или загазованности. Использование в системе механической вентиляции установок утилизации тепла делает ее более энергоэкономичной.

_________________________________________________________________________________

В СССР ещё в 70-е годы проводились исследования и разработка установок утилизации тепла вытяжного воздуха. Но они, как правило, использовались только в крупных специализированных производственных цехах, помещениях зрелищно-массовых зданий, торговых и выставочных центрах, гостиницах и т.п.

За рубежом подобные установки стали разрабатывать и широко использовать в ходе и после энергетического кризиса 1973-79 годов. Причём, утилизаторы тепла вытяжного воздуха изначально получили широкое распространение именно в жилых зданиях многоквартирного типа и в коттеджах индивидуальной застройки. В Российской Федерации интерес к климатическому оборудованию значительно возрос только в результате массового строительства индивидуальных жилых загородных домов, коттеджей в 90-е годы.

Одним из источников вторичных энергоресурсов в здании является тепловая энергия воздуха, удаляемого в атмосферу. Расход тепловой энергии на подогрев поступающего воздуха составляет 40...80% теплопотребления, большая её часть может быть сэкономлена в случае применения так называемых теплообменников-утилизаторов или рекуператоров.

Рекуператоры являются логическим дополнением к вентиляционным системам, используемым на крупных объектах. Они позволяют экономить от 10 до 50% тепла, раньше буквально "вылетавшего в форточку".  Однако для систем более скромного масштаба с воздухообменом менее одной тысячи кубометров в час затраты на приобретение, монтаж и обслуживание теплообменной установки, как правило, окупается слишком медленно и специалисты не советуют заказчикам закладывать подобное оборудование в небольшие проекты с ограниченным бюджетом. Что касается небольших систем, то применение утилизаторов тепла в установках с расходом до одной тысячи кубометров в час в большинстве случаев не оправдано. Ведь экономия энергии порядка 15% при удорожании установки в два раза и при увеличении её габаритных размеров (объект маленький) эта экономия не является существенной. Как отмечают разработчики ведущих мировых производителей подобного оборудования, нужны совершенно иные технологические подходы, технологические решения для устранения экономических противоречий в этом случае.

Огромное разнообразие производимой техники можно свести к следующим видам классификации утилизаторов: а) кожухотрубные и пластинчатые теплообменники, в том числе, перекрёстноточные; б) роторные (регенеративные); в) тепловые насосы с промежуточным рабочим телом. Существующая техника в большинстве случаев может гарантированно обеспечить лишь не более 60% возврата тепла удаляемого воздуха. Для объектов с воздухообменом менее одной тысячи кубометров в час, как утверждают разработчики ведущих мировых фирм-производителей, в целях устранения очевидных экономических противоречий требуется оборудование, которое гарантированно обеспечивало бы не менее 90% возврата тепла удаляемого воздуха.

Предлагаемые в данном проекте технологические решения, основанные на использовании технологии приготовления ультра-дисперсии газов в жидкостях, как предполагает основной разработчик, как раз и могут обеспечить 90-95% возврата тепла удаляемого воздуха.

В ходе опытов и экспериментов с экспериментальным образцом "Генератора пузырьков" в марте-апреле-мае 2007 года были получены образцы газожидкостных растворов, в которых газ (атмосферный воздух) был "упакован" в объёмы мельчайших пузырьков в составе объёма воды.

Размеры пузырьков были гораздо меньше 1 мм. В лаборатории Радиофизического факультета Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского была организована попытка разглядеть пузырьки и оценить их размеры с использованием оптического микроскопа с 1000-кратным увеличением. Оценить размеры пузырьков, их количество на единицу объёма (например, в 1 куб. мм), - тогда не удалось из-за прекращения финансирования работ.

Полученные газожидкостные дисперсионные системы обладали очень высокой стабильностью. Теоретически газ при столь малых размерах пузырьков по зависимости Оствальда и лапласовского давления под действием сил поверхностного натяжения должен раствориться в объёме жидкости, а пузырьки должны были исчезнуть. Но в течение одного месяца наблюдений полного исчезновения пузырьков не произошло. То есть, по крайней мере, в течение одного месяца наблюдалась устойчивость существования системы "газ (в объёмах пузырьков)/жидкость".

Другой особенностью данной технологии является способность “упаковывать” в 1 объёме жидкости газа в объёме, сопоставимом с объёмом самой жидкости, и даже больше. Напрашивается аналогия с газовыми гидратами, когда в единичном объёме жидкости заключено от 1 до 300 объёмов газа. Так в природных метангидратах в 1 кубометре воды содержится 164 кубометра метана. Но природные газовые гидраты являются системами, использующими так называемые “соединения включения”. То есть, атомы и молекулы газа, не вступая в химические связи с атомами и молекулами жидкости, тем не менее, прочно удерживаются внутри полостей, именуемых “клатратами”. Механизм образования клатратов с “соединениями включения” на сегодня до конца не изучен и мало исследован и поэтому полного объяснения не имеет.

Но на обнаруженную технологию “упаковывания” газа в объём жидкости можно взглянуть совершенно иначе, а именно: с точки зрения технической термодинамики имеют место процессы тепло- и массопереноса. То есть, в этих процессах наблюдается не только перемещение вещества одного компонента в другой (массоперенос), но и одновременно передача теплоты внутри обрабатываемого материала (теплоперенос). Причем, в объёме жидкости происходит передача всей теплоты, содержащейся в газе, в том числе, скрытой теплоты водяных паров вытяжного воздуха жилых помещений.

В уже упомянутых образцах импортной техники используются технологии, которые могут утилизировать скрытую теплоту водяных паров лишь частично. Поэтому утверждение некоторых наших торговцев-дилеров о том, что представляемое им оборудование зарубежной фирмы, способно утилизировать 80, а то и 90% тепла вытяжного воздуха, надо воспринимать как рекламный ход, который ничего общего с истинами физики и термодинамики не имеет. Если к представленным зарубежным образцам подходить физически строго, то и величина энергоэффективности в 60% выглядит чересчур завышенной. Дело в том, что воздух всегда содержит пары воды. Так, при температуре 0 °C 1 м³ воздуха может вмещать максимально 5 граммов воды, а при температуре +10 °C — уже 10 граммов. Но в зависимости от природы зарождения водяных паров величина скрытой теплоты, содержащейся в них, может быть даже больше суммарной величины тепла остального объема воздуха. И если внимательнее и более пристально взглянуть на физическую суть теплообменных процессов названных зарубежных образцов рекуператоров, то становится ясно, что, не отняв скрытую теплоту водяных паров, говорить о 80, тем более о 90% энергоэффективности попросту не приходится. Только “загнав” воздух в объем воды, можно быть уверенным в том, что все тепло, содержащееся в воздухе, также будет передано воде. Без этого, все цифры рекламных проспектов – от лукавого.

Вода, как хорошо известно, обладает наибольшей величиной теплоёмкости в сравнении со всеми другими жидкими веществами. Теплоёмкость воды в 4,5 раза выше теплоёмкости воздуха. Коэффициент теплопроводности воды в 25 раз больше коэффициента теплопроводности воздуха. Кроме того, в последние годы многочисленными исследованиями доказано, что наличие огромного числа парогазовых пузырьков микронных диаметров, полученных, например, в результате кавитационных процессов, способствует резкому увеличению скорости передачи тепла в теплообменных аппаратах. Объясняется это тем, что пузырьки микронных размеров разрушительно действуют на пограничный слой жидкости поверхностей теплообменного аппарата, который является главным термическим и гидродинамическим сопротивлением в процессах теплопередачи.

Все эти вышеприведённые доводы дают возможность уверенно утверждать, что использование технологии приготовления ультра-дисперсии газов в жидкостях (в данном конкретном случае – ультра-дисперсии удаляемого воздуха в воде), вне всякого сомнения, позволит обеспечить 90-95% возврата тепла удаляемого воздуха. Более того, установка утилизации тепла удаляемого воздуха будет компактной и конструктивно более простой в изготовлении, что, естественно, скажется на цене единицы подобного оборудования, а впоследствии, и на стоимости сервисного обслуживания.

На приложенных цветных вкладках-иллюстрациях представлены рисунки эскизной конструкторской проработки проекта установки утилизации тепла вытяжного воздуха со схемами циркуляции и теплопередачи производительностью от 60 до 200 кубических метров воздуха в час – как вытяжного, так и приточного.

Как следует из эскизной проработки проекта, постоянная потребляемая электрическая мощность не превысит 0,7 – 0,8 КВт (электронасос – 0,45 КВт, вентилятор приточного воздуха 0,25 – 0,30 КВт). То есть, удельная эффективность бытового квартирного или коттеджного утилизатора не превысит величину в 4,5 Вт/м3 удаляемого воздуха.

Показанные встроенные термоэлектрические нагреватели (ТЭНы) раствора, - мощность каждого от 1 до 3 КВт, - предназначены для поддержания температуры раствора не ниже 20°C при экстремально низких температурах наружного воздуха, то есть, в минус 25°C и ниже. При таких температурах наружного воздуха необходимо исключить образование наледи на входе приточного воздуха в трубки теплообменника.

Но данная разработка имеет ещё более интересные перспективы. Установка утилизации вытяжного воздуха на основе процессов тепло- и массопереноса способна стать самостоятельной единицей отопительной системы квартиры или коттеджа.

До недавних пор шли очень острые споры о возможности широкого использования электрической энергии в целях отопления. И, похоже, происходит перелом в сознании проектировщиков и специалистов в результате освоения все новых и новых строительных технологий и материалов. Одним из доводов возможности использования электрической энергии для отопления может служить переход с 2000 года на новые нормы, требующие повышения теплозащиты жилых зданий. По новым нормам трансмиссионные теплопотери через наружные ограждения сокращаются в 2,5–3,0 раза по сравнению со зданиями, сооруженными до 1995 года. Удельное теплопотребление на отопление жилого дома типовой серии выше 10 этажей за отопительный период составляет теперь не более 95 кВт-час на один квадратный метр общей площади квартир или 35% от общего энергопотребления (на горячее водоснабжение – около 110 кВт-час на кв.м, электропотребление вместе с общедомовой нагрузкой – около 55 кВт-час на кв.м).

А удельное теплопотребление на отопление более эффективного ширококорпусного дома (25-этажный жилой дом в основании 26х26 м с приведенным сопротивлением теплопередачи стен 3,2 градуса каждого кв.м на 1 Вт тепла, построенный в Марьинском парке по проектам Моспроекта–1 и МНИИТЭП) снижается до 65–70 кВт-час на кв.м.

Однако в среднечасовой нагрузке за расчетные сутки доля отопления остается еще высокой – до 70% (с удельным показателем около 50 Вт на кв.м площади). Применение утилизации тепла вытяжного воздуха для нагрева приточного (с эффективностью установки около 0,9), еще больше снижает теплопотребление на отопление в расчетной часовой нагрузке до 21 Вт на кв.м площади. Тогда, доля отопления в общем энергопотреблении снизится до 15%. Далее, использование электроэнергии для отопления и горячего водоснабжения позволяет выровнять внутрисуточный график электропотребления, а введение сниженного ночного тарифа – уменьшить затраты на оплату за использованную электроэнергию. Применение автоматики ограничения максимума электропотребления, путем предпочтения осветительной и розеточной нагрузки отоплению и горячему водоснабжению, дает возможность перенести пиковое электропотребление на ночное время суток.

Дальнейшее повышение теплозащиты жилых зданий и коттеджей с повышением сопротивления теплопередаче стен, сокращением до полного исчезновения самого понятия инфильтрации воздуха, то есть, фактически полной герметизации внутренних объёмов жилья, даёт реальную возможность использовать предлагаемую конструкцию утилизатора вытяжного воздуха в качестве отопительного оборудования. Действительно, если используемая электроэнергия встроенных ТЭНов будет направлена не только на восполнение недостающих 10% тепловой энергии, переданной приточному воздуху от вытяжного воздуха, а будет поступать с некоторым регулируемым превышением, то утилизатор незаметно может стать отопительным устройством. На первых порах – в те зимние месяцы, которые сопровождаются не столь сильными морозами. Например, в ярко выраженный период от поздней осени до становления морозной настоящей зимы в условиях европейской части России (естественно, и в обратный период плавного перехода от зимы к весне). А по мере совершенствования конструкции, совершенствования строительных технологий и материалов, утилизатор вполне может стать самостоятельной единицей отопительной системы жилого дома или квартиры, тогда нужда в традиционных системах отопления и отопительных приборах отпадёт сама собой. Одно это позволит значительно – в разы, - уменьшить инвестиционные затраты на строительство жилья в России, уменьшить последующие эксплуатационные расходы потребителей на отопление и вентиляцию.

В общем-то, давно пора в России переходить к воздушным системам отопления. Надо признать, наконец, что существующие системы водяного отопления стали в моральном плане технологиями “каменного века”. Заниматься совершенствованием водяных систем отопления, значит, консервировать технологическую отсталость.

Технологии воздушного отопления сегодня наиболее широко распространены в Канаде и в северо-восточных штатах США. В Канаде, например, совершенно отсутствуют системы отопления, в которых вода используется в качестве промежуточного рабочего тела (водяное отопление). В России, к сожалению, с данной технологией знакомятся только при покупке подобной продукции, произведённой в названных странах. Хотя справедливости ради, следует отметить, что воздушное отопление не является канадским или американским изобретением. В России, богатой лесными ресурсами, избы с древних времен топились “набело”. То есть, в конструкции русских печей мастерами закладывались каналы, в которых шёл процесс нагрева приточного воздуха, с помощью которого прогревалось жилое помещение, а дым удалялся в надстроенную трубу. Кстати, в Европе очень долгое время подобную систему отопления называли “русской”. Тогда там признавали большую эффективность русской печи в сравнении с их каминным отоплением. О конструкциях русских печей написано множество трактатов, в том числе, заезжими европейцами. Начав всерьёз заниматься вопросами утилизации тепла, мы, я считаю, однажды всё же вернёмся к своим истокам, только на более высоком технологическом уровне.

Российская Федерация, готовясь к вступлению в ВТО, уже фактически взяла на себя обязательство довести внутренние цены на энергоресурсы до уровня мировых в течение обговоренного срока. И если сейчас вопросы утилизации тепла вытяжного воздуха не стоят так остро, как это происходит в остальном мире, то после перехода на мировые цены на тот же природный газ мы вынуждены будем вплотную заниматься ими. Учитывая опыт освоения новой технологической продукции российскими производителями, когда от первого чертежа до серийного производства проходит 5-7 лет, необходимо уже сейчас иметь готовые технологические наработки со всеми стадиями НИР и ОКР. В данном предложении имеется не только эскизная проработка конструкции самого утилизатора, но и фанкойлы. То есть, предлагается дополнить функции утилизации тепла функцией подмены отопления.

Интересен также вывод специалистов отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы о преимуществах использовании электроэнергии для горячего водоснабжения. Они имеют основание (подтверждённое расчётами) предполагать, что ограниченная ёмкость электроводонагревателей горячего водоснабжения “дисциплинирует” жителей в использовании горячей водой и снизит её потребление. Во всяком случае, они настаивают на опытном строительстве жилого микрорайона с домами новой серии, для которых основным энергоносителем на отопление и горячее водоснабжение была бы электрическая энергия.

Я считаю, что не стоит прибегать к “дисциплинирующему фактору” методами ограничения в потреблении, от которого за версту тянет насилием и произволом. Нужны другие технологические подходы, которые реально способствовали бы снижению норм расхода горячей воды. Например, многократно доказано, что жидкость, насыщенная мельчайшими парогазовыми пузырьками, имеет повышенную моющую способность. В стирально-моющих средствах (СМС) всегда содержатся поверхностно-активные вещества (ПВА), назначение которых в том и состоит, чтобы в воде появлялось огромное множество пузырьков. Используется активность пузырьков на поверхности ткани одежды или кожи человека по разрушению жировых прослоек, за счёт которых загрязняющие вещества удерживаются на поверхности. Кроме того, пузырьки, участвуя в явлении флотации, уносят с собой грязевые частицы веществ. В этом заключаются процессы стирки и мойки.

В конструкции утилизатора уже используется вода, насыщенная мельчайшими (микронных размеров) пузырьками воздуха. Поддерживать температуру, например, комфортную для тела человека в 50-55°C, - труда не составляет. Установленная электрическая мощность ТЭНов справится с расходом в нужном объёме горячей воды. То есть, утилизатор может быть использован и как источник горячего водоснабжения в квартире или коттедже с разводкой на кухню, ванную, стирально-моющую технику.

В Интернете можно найти множество материалов, размещаемых дилерскими компаниями импортной техники вентиляции и кондиционирования с встроенными утилизаторами тепла вытяжного воздуха. Так на одном из сайтов приводится расчёт суммарных расходов потенциального потребителя на установку приточно-вытяжной вентиляционной установки с рекуператором тепла типа VAM 500 F фирмы DAIKIN стоимостью $3300 для семьи из четырёх человек (комнаты – детская, спальня, гостиная и кухня). Перечислены все комплектующие со стоимостью выполнения работ. Итог: потребитель должен выложить $9292. На подобные расходы может пойти только достаточно состоятельный человек. А выиграть он может лишь 30-40%-ное снижение затрат на нужды отопления. То есть, подобная техника в условиях России фактически никогда не окупит первоначальных затрат.

Другое дело, если устанавливаемое оборудование – пусть даже дорогое, - способно быть многофункциональным. Тогда суммарная экономия расходов на нужды отопления, вентиляции и горячее водоснабжение, вполне возможно, оптимизирует первоначальные капиталовложения до уровня приемлемых затрат рядовой среднестатистической российской семьи.

 

Литература:

  1. А.Н. Сканави, Л.М. Мохов, Отопление. М., АСВ, 2002
  2. О.Я. Кокорин, Современные системы кондиционирования воздуха. М “Физматлит”, 2003.
  3. В.В. Нащокин, Техническая термодинамика и теплопередача, М. “Высшая школа”, 1975
  4. Номера журнала “АВОК” №5, 1998; №5, 2002; №4, 2004
  5. Журнал “Энергосбережение”, №2, 2000

 

Дата публикации: 9 июня 2009
Источник: SciTecLibrary.ru

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.