УДК 651.23.05
Экономия энергии в системах вентиляции Б. А. Унаспеков,
доктор технических наук,профессор кафедры «Строительство»
Евразийского национального университета им.Л.Н.Гумилева,Астана;
e-mail unaspekov@ уаndex.kz А.Ф. Кацович,Б.З.Алиев,,О.Ю.Пяк
8-ая Международная научно-техническая конференция «Энергетика,телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» посвященная 100-летию со дня рождения
академика Ш.Ч.Чокина,27-29 сентября 2012г. Алматы ,2012
Аннотация. Рассмотрены принципы экономии и методы энергосбережения в системах вентиляции, перечень мероприятий по экономии, принципы их осуществления и способы утилизации теплоты воздуха, удаляемого системами вентиляции.
Abstract. Principles of economy and energy saving methods in ventilation systems, the list of actions for economy, principles of their implementation and ways of utilization of warmth of the air deleted by systems of ventilation are considered
Ключевые слова: экономия,энергия,вентиляция,способ,утилизация
Одним из направлений в области энергосбережения на промышленных предприятиях и коммунально-бытовых объектах является утилизация теплоты воздуха, удаляемого системами общеобменной, местной и технологической вентиляции, то есть утилизация теплоты вторичных энергоресурсов[1-3] .
При разработке систем утилизации теплоты воздуха, удаляемого из помещений необходимо руководствоваться следующими общими правилами:
1) теплоту воздуха, удаляемого системами вытяжной вентиляции, следует использовать только в тех случаях, когда исчерпаны резервы экономии теплоты за счет рециркуляции воздуха из помещения или тогда, когда рециркуляция воздуха из помещений не допускается;
2) в первую очередь использованию подлежит теплота удаляемого воздуха, имеющего более высокую температуру (энтальпию);
3) теплоту удаляемого воздуха, содержащего вещества, оказывающие на оборудование теплоутилизационной установки разрушающее действие, использовать не допускается;
4) при использовании теплоты воздуха, содержащего осаждающиеся пыли или аэрозоли, следует предусматривать очистку воздуха перед теплоутилизатором до уровней, соответствующих требуемым техническим условиям или предусматривать возможность очистки оборудования теплоутилизатора от загрязнений;
5) если утилизированной теплоты недостаточно для обеспечения заданной температуры приточного воздуха необходимо устанавливать дополнительные воздухонагреватели.
Для утилизации теплоты удаляемого воздуха могут использоваться жидкостно-воздушные теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем и воздухо-воздушные утилизаторы.
Выбор типа теплоутилизационной установки и вида применяемого оборудования осуществляется на основании технико-экономического сравнения рассматриваемых вариантов проектирования.
Теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем
Рассматриваемые теплоутилизационные установки состоят из воздухоохладителей и воздухонагревателей, соединенных трубопроводами промежуточного теплоносителя в
замкнутый циркуляционный контур. Циркуляция теплоносителя в контуре осуществляется при помощи циркуляционных насосов.
Воздухоохладители и воздухонагреватели размещаются, соответственно, в каналах удаляемого воздуха и в каналах приточного воздуха (или в приточной камере).
В воздухоохладителях удаляемый воздух передает теплоту промежуточному теплоносителю, а в воздухонагревателях промежуточный теплоноситель нагревает приточный воздух[1].
Теплоутилизатоы с промежуточным теплоносителем могут предусматриваться для одиночных установок (одна приточная и одна вытяжная) и для группы установок (несколько приточных и вытяжных) с индивидуальными или сблокированными системами теплоутилизации (одна общая на приточных системах и индивидуальные на вытяжных системах или одна общая на вытяжных системах и индивидуальные на приточных).
К достоинствам систем утилизации теплоты с промежуточным теплоносителем относятся:
1) полная аэродинамическая изоляция потоков приточного и вытяжного воздуха, исключающая возможность переноса запахов, бактерий и других загрязнений из одного потока в другой;
2) возможность размещения воздухоохладителей и воздухонагревателей на значительном расстоянии дуг от друга;
3) возможность объединения в одну систему различного количества приточных и вытяжных установок с разным тепловым потенциалом удаляемого воздуха;
4) возможность устройства систем утилизации как на вновь проектируемых, так и недействующих предприятиях.
К недостаткам систем утилизации теплоты с промежуточным теплоносителем следует отнести их повышенную металлоемкость.
Системы утилизации теплоты удаляемого низкотемпературного воздуха, как правило, не обеспечивают требуемый подогрев наружного воздуха с отрицательными начальными температурами. Требуемая температура приточного воздуха может быть обеспечена за счет дополнительного расхода теплоты от первичного (централизованного) источника теплоснабжения:
1) путем дополнительного подогрева промежуточного теплоносителя в специальных подогревателях;
2) путем дополнительного подогрева приточного воздуха в специальных воздухоподогревателях (калориферах).
Следует учитывать, что при утилизации теплоты влажного удаляемого воздуха и при охлаждении его ниже температуры точки росы на теплообменной поверхности воздухоохладителя будет происходить конденсация водяного пара. Если температура теплообменной поверхности опускается ниже 00С то на ней образуется иней (наледь).
Инееобразование приводит к увеличению аэродинамического сопротивления телоутилизатора по тракту удаляемого воздуха.
Для защиты воздухоохладителя от инееобразования необходимо предусматривать одно из мероприятий:
1) периодическое отключение циркуляционного насоса или приточной установки;
2) обвод по теплоносителю;
3) подогрев промежуточного теплоносителя.
В качестве теплоутилизаторов (воздухоохладителей и воздухонагревателей) могут использоваться теплообменники, выпускаемые промышленностью: калориферы стальные пластинчатые, теплообменники биметаллические со спирально-накатным оребрением и т.п.
Скорость движения теплоносителя в трубках теплоутилизаторов не должна опускаться ниже 0,35 м/с во всех режимах эксплуатации.
Для обеспечения надежной циркуляции промежуточного теплоносителя в системе теплоутилизации предусматривается установка как минимум двух циркуляционных насосов (рабочего и резервного). Для подпитки системы используются либо циркуляционные насосы, либо специальный подпиточный насос[2].
В качестве промежуточного теплоносителя в теплоутилизационной установке могут использоваться незамерзающие растворы или вода. Вид конкретного теплоносителя выбирается на основании теплотехнического расчета теплоутилизационной установки по его температуре после воздухонагревателя приточной установки t жк2:
1) при t жк2>70С - в качестве теплоносителя используется вода;
2) при t жк2 70С - в качестве теплоносителя используется незамерзающий раствор.
В качестве незамерзающих растворов можно использовать водный 28%-ный раствор нитрита натрия, водный 27%-ный раствор хлористого кальция, водные растворы гликолей и др.
Варианты принципиальных схем теплоутилизационных установок с промежуточным теплоносителем представлены на рис. 1и 2.
Рисунок 1- Принципиальная схема теплоутилизационной установки с промежуточным теплоносителем(вариант1)
1 – воздухоохладитель; 2 – воздухонагреватель; 3 – удаляемый воздух;
4 – приточный воздух; 5 – циркуляционный насос; 6 – из водопровода
В системах с положительными начальными температурами приточного воздуха применяется схема утилизации теплоты, показанная на рис.1. В таких системах отсутствует опасность замерзания конденсата на поверхности теплообменников в вытяжной системе.
В системах с отрицательными начальными температурами приточного воздуха необходимо применять схемы утилизации, обеспечивающие защиту от обмерзания поверхностей воздухоохладителей, устанавливаемых в вытяжном канале, или периодическое оттаивание.
Для одиночных установок (одна приточная и одна вытяжная) или для группы установок (несколько приточных и вытяжных), работающих в одном режиме, предпочтительна схема утилизации теплоты удаляемого воздуха с переменным расходом промежуточного
теплоносителя (см. рис.2).
Рисунок 2- Принципиальная схема теплоутилизационной установки с промежуточным теплоносителем (вариант 2)
1 – воздухоохладитель; 2 – воздухонагреватель; 3 – удаляемый воздух;
4 - приточный воздух; 5 – циркуляционный насос; 6 – растворный бак;
7 – дополнительный воздухоподогреватель; 8 – из тепловой сети.
В холодный период года при температурах наружного воздуха ниже критических, при которых возможно образование наледи на поверхности воздухоохладителей,
циркуляционные насосы должны обеспечивать циркуляцию максимального расхода промежуточного теплоносителя, исключающего обмерзание теплообменников.
При повышении температуры наружного воздуха выше критической осуществляется необходимое регулирование расхода промежуточного теплоносителя.
При работе такой установки допускается образование наледи на поверхности воздухоохладителей. Оттаивание наледи обеспечивается за счет перепуска части промежуточного теплоносителя через обводную линию воздухонагревателя.
Для одиночных установок (одна приточная и одна вытяжная) или для группы установок
(несколько приточных и вытяжных), работающих в одном режиме и допускающих временное (до 1 часа) отключение приточной установки, допускается применение схемы утилизации теплоты удаляемого воздуха, приведенной на рис.1, с установкой датчика перепада давления в воздухоохладителе, установленном в вытяжном канале.
При работе такой установки возможно образование наледи на поверхности воздухоохладителей. Оттаивание наледи обеспечивается путем отключения приточной установки при увеличении перепада давления воздуха в воздухоохладителе на величину, равную 50% его расчетного аэродинамического сопротивления.
Для группы установок (несколько приточных и вытяжных), работающих в разных режимах, обеспечивающих различные требования по параметрам приточного воздуха и утилизирующих теплоту удаляемого воздуха разного потенциала, целесообразно применение схемы теплоутилизационной установки с подогревом промежуточного теплоносителя.
При работе этой системы обеспечивается как защита от обмерзания воздухоохладителей, так и требуемая температура приточного воздуха после каждой установки.
Регулирование теплопроизводительности установок утилизации теплоты удаляемого воздуха осуществляется, как правило, путем перепуска части промежуточного теплоносителя через обводную линию, минуя воздухонагреватели, установленные в приточном канале.
Воздуховоздушные теплоутилизаторы
В воздуховоздушых системах утилизации теплоты в качестве теплоутилизаторов используются регенеративные вращающиеся теплообменники (регенераторы), рекуперативные пластинчатые теплообменники (пластинчатые рекуператоры) и рекуперативные теплообменники с тепловыми трубами (рекуператоры с тепловыми трубами).
При отрицательных температурах наружного воздуха количество утилизированной теплоты зачастую оказывается недостаточным для обеспечения требуемых параметров приточного воздух. В этих случаях, в схемах утилизации теплоты, предусматривается установка
дополнительных воздухонагревателей, подключенных к централизованному источнику теплоснабжения.
Регенеративный вращающийся теплоутилизатор
Вращающийся регенератор состоит из корпуса и роторной насадки, приводимой во вращение мотор - редуктором с частотой 12 2 об/мин.Роторная насадка выполняется в виде высокоразвитой теплообменной поверхности с регулярной структурой, образуемой чередующимися плоскими и гофрированными листами из картона или лентами из алюминиевой фольги.
Роторная насадка может быть несорбирующей (негигроскопичной) – алюминиевая фольга или специальный картон, или сорбирующей - картон, пропитанный водопоглощающими составами.
Регенераторы в системах утилизации могут устанавливаться вертикально или горизонтально. Они оборудуются перегородками, разделяющими воздушные потоки, и фланцами для присоединения воздуховодов.
Утилизации теплоты в регенераторе осуществляется при перемещении насадки из потока греющего воздуха в поток нагреваемого воздуха: в одном потоке теплота аккумулируется теплообменной насадкой, в другом – передается нагреваемому воздуху. Помимо передачи явной теплоты происходит перенос из удаляемого воздуха и скрытой теплоты – при конденсации водяных паров на поверхности из вытяжного воздуха и последующем испарении конденсата в поток приточного воздуха.
В несорбирующей насадке при охлаждении поверхности в потоке воздуха до температуры ниже температуры точки росы этого воздуха на части или на всей поверхности теплообмена происходит конденсация водяного пара, а при отрицательных температурах насадки начинается процесс образования инея (наледи).
В сорбирующей насадке влагообмен происходит по всей поверхности насадки независимо от еѐ температуры – влага поглощается (сорбируется) из удаляемого воздуха и в процессе десорбции передается приточному воздуху.
Влага, поглощаемая сорбентом, находится в физико-химической связи с материалом насадки и поэтому инееобразование начинается при более низких температурах наружного воздуха (ниже -180С), чем в несорбирующих насадках.
Выбор типа насадки (сорбирующей или несорбирующей) производится в зависимости от расчетных параметров удаляемого и приточного воздуха, а также влаговыделений внутри помещения.
К достоинствам регенераторов, по сравнению с другими теплоутилизаторами относятся:
1) высокая теплотехническая эффективность;
2) компактность и небольшая масса;
3) неизменность аэродинамического сопротивления в режимах сухого теплообмена и теплообмена с конденсацией влаги.
К недостаткам регенераторов относятся:
1) перетекание воздуха и перенос загрязнений, оседающих на поверхности теплообмена, из одного потока в другой;
2) перенос влаги из потока удаляемого воздуха в поток приточного воздуха.
Таким образом, использование регенераторов целесообразно в системах, для которых предусматривается увлажнение приточного воздуха.
Рекуперативный пластинчатый теплоутилизатор
Рекуперативный пластинчатый теплоутилизатор состоит из корпуса с фланцами для присоединения воздуховодов и пакета пластин с высокоразвитой теплообменной поверхностью.
Пластины могут быть изготовлены из алюминиевой ленты, картона и пластмассы.
Теплообменивающиеся среды движутся по раздельным каналам. Конструкция рекуператоров практически исключает возможность перетекания воздуха из одного потока в
другой.Утилизация теплоты в рекуператорах происходит в результате теплообмена между движущимися потоками воздуха – через стенки каналов.
К достоинству рекуператоров, по сравнению с регенераторами, следует отнести полную изоляцию потоков воздуха друг от друга, исключающую возможность переноса вредных веществ из удаляемого воздуха в приточный.
К недостаткам – меньшие показатели относительного перепада температур и меньшую компактность.Использование пластинчатых рекуператоров целесообразно в системах, для которых недопустимо увлажнение приточного воздуха.
