Воздухо-воздушные теплообменники
R. Besant, C. Simonson, Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)
Нередко возникает вопрос: когда и при каких условиях применение воздухо-воздушных теплообменников экономически эффективно?
Большинство инженеров знают, что для существенного сокращения нагрузок на системы климатизации и, соответственно, для уменьшения затрат на климатизацию здания могут применяться воздухо-воздушные устройства утилизации тепла и влаги (например, перекрестноточные или вращающиеся регенеративные теплообменники). Однако инженеры не всегда до конца понимают, как работают эти устройства, каким образом выбрать их параметры и как смонтировать эти устройства для создания системы климатизации, позволяющей добиться наибольшей экономии. Кроме того, не ясно, какого уровня экономии можно ожидать и увеличивают или уменьшают эти устройства общие затраты на оборудование.
В данной статье рассматриваются различные воздухо-воздушные теплообменники и предлагается оптимальный способ их интеграции в систему климатизации здания.
Эти вопросы совсем не простые, поскольку при проектировании систем климатизации должны учитываться многие факторы. Кроме того, речь идет не просто о системе, которая должна надежно работать для покрытия максимальных летних и зимних нагрузок. В системе климатизации, разработанной для обеспечения наибольшей эффективности, предполагается использование утилизации теплоты, высокопроизводительных устройств, определенных методов и средств оптимизации.
В настоящей статье рассматриваются воздухо-воздушные устройства, экономически эффективно использующие вторичные источники теплоты в здании и являющиеся частью системы климатизации, которая может содержать один или несколько теплообменников, а также обычное оборудование для систем вентиляции и обеспечения комфортных параметров микроклимата помещений.
Для всех внутренних помещений, в которых находятся люди, необходима система вентиляции. Результаты последних исследований показывают, что существует заметная связь между качеством микроклимата помещений (температурой, влажностью, газовым составом воздуха) и производительностью труда людей, находящихся в здании. В настоящее время, используя различные воздухо-воздушные теплообменники, возможно поддерживать хорошее качество воздуха и комфортные условия в помещениях при меньших эксплуатационных и капитальных затратах по сравнению с традиционными системами климатизации.
Теплообменники
Теплообменники производят перенос ощутимой (явной) энергии благодаря разности температур на поверхностях.
Воздухо-воздушные теплообменники применяются в системах климатизации уже более 100 лет.
В вентиляционных установках обычно используется несколько типов воздухо-воздушных теплообменников: пластинчатые, с тепловой трубой, вращающиеся (регенеративные) и циркуляционные с водным раствором гликоля (табл. 1). Эти устройства характеризуются большой площадью теплообменной поверхности на единицу объема (например, от 100 до 4 000 м 2 /м 3 ) и изготавливаются из недорогих материалов, не вступающих в реакцию с конденсатом из уходящего воздуха или водяного пара.
Для оценки производительности теплообменников используются такие показатели, как тепловая эффективность, падение давления, перетекание вытяжного воздуха в приточный и утечки приточного воздуха.
Тепловая эффективность характеризуется коэффициентом эффективности переноса ощутимой (явной) энергии εs, определяемым в установившемся состоянии как отношение:
 | (1) |
где Cs = mcp — массовый расход приточного (s) или вытяжного (е) воздуха, умноженный на удельную теплоемкость;
Индексы 1, 2, 3 и 4 относятся к потокам воздуха, обозначенным на рис. 1. Вообще, все цифровые индексы, используемые в этой статье, относятся к потокам, обозначенным на рис. 1, за исключением потоков, используемых в примерной конструкции и связанных с местами, определенными на рис. 2.
На рис. 1 показана схема одного из таких устройств с потоками приточного и вытяжного воздуха.
При сp = const можно записать:
 | (2) |
Значение εs, лежащее в пределах от нуля до единицы (0 ≤ εs≤ 1,0) увеличивается с возрастанием площади поверхности теплообмена и уменьшается с ростом скорости воздушного потока в сечении. В системах климатизации со сбалансированными потоками приточного и вытяжного воздуха значения этого показателя выше 0,85 неприемлемы с экономической точки зрения. В табл. 1 представлены типичные значения εs для каждого типа теплообменников. Для конкретного воздухо-воздушного теплообменника значение εs определяется в независимой испытательной лаборатории.
 | ||||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | (3) |
где сi представляет собой концентрацию инертного пробного газа в воздушном потоке i (рис. 1). Значения коэффициента передачи вытяжного воздуха могут замеряться в независимой лаборатории. Типичные значения этого коэффициента приведены в табл. 1.
Сравнительные характеристики воздухо-воздушных теплообменников
С помощью поправочного коэффициента для наружного воздуха (OACF, Outside Air Correction Factor) учитываются утечки приточного воздуха в воздуховоде воздухо-воздушного устройства. Для сбалансированных по массе потоков воздуха этот коэффициент равен:
 | (4) |
При постоянной плотности подаваемого воздуха этот коэффициент равен отношению объемных расходов (рис. 1). Типичные значения поправочного коэффициента для наружного воздуха представлены в табл. 1 (при условии отсутствия утечек вытяжного воздуха в приточный). Если поправочный коэффициент больше 1, воздух переносится от впускного отверстия приточного воздуха к выпускному отверстию вытяжного воздуха и, таким образом, для обеспечения требуемого воздухообмена внутри здания подача наружного воздуха должна быть соответственным образом увеличена.
В холодную погоду в воздухо-воздушном теплообменнике любого типа может образовываться конденсат или наблюдаться промерзание оборудования, хотя различные технологии могут обладать разной устойчивостью к этим неблагоприятным явлениям. Если выпадение конденсата может иметь место при расчетных условиях, необходимо обеспечить дренаж для конденсата. Если замораживание может ухудшить работу системы вентиляции или повредить оборудование, необходимо установить систему контроля замораживания. Такой контроль может обеспечиваться при помощи различных методов, включая байпасирование приточного воздуха, применение дросселирования, предварительный подогрев воздуха, контроль скорости вращения вращающегося (регенеративного) теплообменника. Производитель должен решить проблему контроля замораживания для установок, применяемых в условиях холодного климата.
 | |||
 | (5) |
где ∆Ws = W1 — W2 выражает уменьшение удельной влажности в приточном воздухе, а ∆Wmax = W1 — W3 выражает максимальное снижение удельной влажности в регенераторе (рис. 1). Так как между потоками воздуха имеется большая разность температуры, эффективность влагообмена может превышать 100 %, но для этого необходима большая затрата энергии, что выражается в низком значении СОР.
Для полной характеристики теплообменников должны использоваться и другие показатели их эффективности (например, падение давления, коэффициент передачи вытяжного воздуха и поправочный коэффициент для наружного воздуха). В табл. 2 приведены типичные значения этих показателей.
Известно, что влагопоглотители, наряду с водяным паром, имеют значительное родство со многими другими газами и парами. Поэтому влагопоглотители могут использоваться в роторных осушителях для ассимиляции некоторых нежелательных загрязнителей, имеющихся в приточном воздухе, таких как летучие органические смеси и, возможно, некоторые токсичные газы и пары. Выбор материала для влагопоглощающего покрытия становится более сложным, поскольку эффективность ассимиляции каждого газообразного или парообразного химического вещества зависит от типа влагопоглотителя и условий регенерации. В некоторых установках в качестве покрытий роторного осушителя могут использоваться влагопоглотители нескольких типов, поглощающие и водяной пар, и некоторые другие газы. В этом случае коэффициент эффективности (значение εci, аналогичное приведенному в уравнении (5) должен определяться для концентрации ci каждого химического вещества, удаляемого из приточного воздуха. По аналогии можно записать:
 | (6) |
Тепловлагообменники
Роторный рекуператор, используемый как для тепло-, так и для влагообмена между приточным и вытяжным воздухом, был запатентован в 1978 году. Так как основной целью систем климатизации является поддержание требуемой температуры и влажности воздуха в помещении при обеспечении должной вентиляции, такой рекуператор может охлаждать и осушать приточный воздух в летнее время и подогревать и увлажнять в зимнее. Потенциальная экономия при охлаждении и осушении приточного воздуха летом при помощи роторных рекуператоров может быть настолько большой, что могут быть не только снижены эксплуатационные затраты, но и уменьшена мощность чиллера и котла.
Скорость вращения большинства рекуператоров с влагопоглощающим покрытием варьируется в диапазоне от 20 до 60 об/мин. Такая скорость необходима для достижения хороших показателей эффективности теплообмена (например, в пределах 60 (7)
— интенсивность скрытого теплообмена на роторном рекуператоре:
 | (8) |
— интенсивность ощутимого теплообмена на роторном рекуператоре:
 | (9) |
б) Для летних расчетных условий критическая температура воздуха на выходе охлаждающего змеевика t5 определяется температурой и влажностью воздуха, подаваемого в помещение:
 |
в) Определение зимних и летних параметров: окончательные отношения температуры и влажности на каждой станции, конструкция которых задана на рис. 2, определяются при помощи уравнений энергетического баланса. Результаты для зимних и летних расчетных условий приведены на рис. 4 и 5. Предполагается, что летом t6 = 15 °С, при условии, что теплообменник (10) обеспечивает поддержание этой температуры. Зимой допускается повышение температуры t6, но только в диапазоне 15 ≤ t6 ≤ 23 °C. Предполагается также, что подводимая мощность вентилятора имеет пренебрежимо малое влияние на температуру воздуха.
 |
 | |
 |
где 
для t7 > t1.
В табл. 4 представлены результаты таких вычислений для температуры и энтальпии при разных значениях потребления энергии на подогрев приточного воздуха, на отопление и охлаждение помещения, и для общего значения потребления. Эти результаты показывают, что общее потребление энергии для обогрева может быть снижено на 56 % зимой и 100 % летом, при этом достигается общегодовое сокращение потребления энергии на обогрев на 64 %. Общее количество энергии, потребляемое чиллером для охлаждения, может быть снижено на 31 %. Данные табл. 3 и 4 показывают, что воздухо-воздушные теплообменники позволяют отказаться от нагрева вентиляционного воздуха зимой и от подогрева этого воздуха летом. Следовательно, для этого примера экономия энергии, необходимой для нагрева вентиляционного воздуха, равна экономии энергии, необходимой для кондиционирования вентиляционного воздуха в течение всего года при температуре подаваемого воздуха 16 °С зимой и 15 °С летом. Так как поступающий в помещение воздух в отопительный сезон всегда подается при температуре выше 16 °С, плинтусные нагревательные приборы работают с меньшей мощностью, по сравнением со случаем, если бы поступающий воздух имел температуру 16 °С. Таким образом, общее потребление тепловой энергии остается неизменным при любой температуре наружного воздуха. Таким же образом, тепло, приобретаемое приточным воздухом при температуре наружного воздуха меньше 10 °С, снижает общую тепловую нагрузку котла, если температура приточного воздуха остается ниже 23 °С. Данные табл. 4 демонстрируют указанную экономию энергии.
Необходимая дополнительная мощность вентиляторов в результате использования теплообменников (8) и (10) и отказа от вспомогательного отопительного змеевика (13) при общей эффективности вентиляторов 50 % составляет около 180 Вт для электродвигателя вентилятора приточного воздуха и 540 Вт для вытяжного воздуха. Без байпаса в режиме частичной нагрузки для теплообменников эта дополнительная мощность постоянна в течение всего времени работы, в результате чего для заданных показателей расхода и при падении давления 200 Па для каждого воздушного потока в каждом теплообменнике потребление энергии за год равно 6 300 кВт•ч. Для вращения роторного рекуператора требуется дополнительная мощность около 200 Вт, что за год выражается в потреблении 1 750 кВт•ч энергии. Отношение всей сэкономленной в течение года энергии, деленное на дополнительную энергию для вентиляторов и вспомогательных электродвигателей, определяет сезонную эффективность утилизации энергии (SRER), равную 18,8.
Из этих результатов следует:
1. При утилизации тепла вытяжного воздуха и при повышении в результате этого температуры приточного воздуха с 15 до 23 °С приточный воздух приобретает значительное количество энергии (около 20 % всей утилизируемой в системе энергии).
2. Количество сэкономленной энергии для охлаждения составляет только 31 % общего количества энергии, используемой для охлаждения без воздухо-воздушной теплоутилизации, несмотря на тот факт, что ожидаемое понижение холодопроизводительности составляет 52 % (табл. 3). Этот результат, являющийся следствием того факта, что для осуществления утилизации энергии охлаждения энтальпия наружного воздуха должна быть выше энтальпии воздуха в помещении, означает, что чиллер, используемый совместно с воздухо-воздушной теплоутилизацией, работает в более узком диапазоне рабочих параметров и имеет более высокие средние показатели СОР и SEER (сезонную меру энергоэффективности).
| Процесс проектирования системы климатизации |
