Квартирные утилизаторы теплоты вытяжного воздуха

А. Л. Наумов, ООО «НПО ТЕРМЭК», otvet@abok.ru

С. Ф. Серов, ООО «МИКТЕРМ»

А. О. Будза, ОАО «ЦНИИПромзданий»

В рамках Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» поставлена задача радикального снижения энергоемкости систем инженерного обеспечения зданий. К 2020 году должно быть достигнуто снижение энергоемкости ВВП на 40% к уровню 2007 года.

Особенно остро проблема стоит в жилищном секторе. На рис. 1 показана примерная структура энергопотребления в жилых зданиях и возможный экономически целесообразный потенциал энергосбережения.

Рисунок 1. Структура энергопотребления и потенциала энергосбережения в жилых зданиях: 1 – трансмиссионные теплопотери; 2 – расход теплоты на вентиляцию; 3 – расход теплоты на горячее водоснабжение; 4– энергосбережение

Наибольшие возможности снижения энергопотребления связаны с совершенствованием систем вентиляции и с утилизацией теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного. Такие системы вентиляции получили распространение в Северной Европе и Скандинавии.

К настоящему времени массовое применение нашли теплоутилизаторы:

• рекуперативного типа на базе пластинчатых воздухо-воздушных теплообменников;
• регенеративные с вращающейся теплообменной насадкой;
• с промежуточным теплоносителем с теплообменниками «жидкость-воздух».

По своему исполнению в многоэтажных жилых зданиях теплоутилизаторы могут быть центральными на все здания или группу квартир и индивидуальными, поквартирными.

При сходных массогабаритных показателях наибольшей энергетической эффективностью обладают регенеративные теплоутилизаторы (80–95%), далее следуют рекуперативные (до 65%) и на последнем месте находятся теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем (45–55%).

По своим конструктивным особенностям теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем мало пригодны для индивидуальной поквартирной вентиляции, и поэтому на практике их используют для центральных систем.

Регенеративные теплоутилизаторы обладают существенным недостатком – вероятностью смешивания определенной части удаляемого воздуха с приточным в корпусе аппарата, что, в свою очередь, может привести к переносу неприятных запахов и болезнетворных бактерий. Рекомендуется ограничить их область применения пределами одной квартиры, коттеджа или одного помещения в общественных зданиях.

Рекуперативные теплоутилизаторы, как правило, включают в свой состав два вентилятора (приточный и вытяжной), пластинчатый теплообменник, фильтры.

Эти системы, по сравнению с традиционными, обладают рядом достоинств, к числу которых следует отнести существенную экономию тепловой энергии, расходуемой на нагрев вентиляционного воздуха – от 50 до 90% в зависимости от типа применяемого утилизатора; а также высокий уровень воздушно-тепловой комфортности, обусловленный аэродинамической устойчивостью вентиляционной системы и сбалансированностью расходов приточного и удаляемого воздуха.

При установке рекуперативных теплоутилизаторов поквартирно появляется возможность:

• гибко регулировать воздушно-тепловой режим в зависимости от режима эксплуатации квартиры, в том числе с использованием рециркуляционного воздуха;
• защиты от городского, внешнего шума (при использовании герметичных светопрозрачных ограждений);
• очистки приточного воздуха с помощью высокоэффективных фильтров.

Практика эксплуатации первых пилотных многоэтажных жилых зданий с поквартирными системами утилизации теплоты вытяжного воздуха показала эффективность этого направления энергосбережения.

Пилотные проекты

ООО «НПО ТЕРМЭК» в 2000 году запроектировало одну из первых систем поквартирной приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха в 18-этажном жилом доме в Москве по Красностуденческому проезду, д. 6. Проект энергоэффективного 260-квартирного дома был выполнен архитектурной мастерской П.П. Пахомова по инженерной концепции НП «АВОК» (руководитель Ю.А. Табунщиков).

В проекте использованы компактные подвесные приточно-вытяжные установки с пластинчатыми теплоутилизаторами RIS 400 P. Установки размещены в подшивном потолке туалетной комнаты. Забор приточного воздуха осуществляется из лоджий квартир или с фасадов.

Вытяжной воздух удаляется в общий вентиляционный стояк. Испытания, проведенные в 2004 году, показали энергетическую эффективность теплоутилизационных вентустановок в диапазоне 65–75%.

В отопительный сезон 2008–2009 годов было проведено энергетическое обследование систем теплопотребления всего жилого дома, показавшее экономию теплоты на отопление и вентиляцию в размере 43% по сравнению с аналогичными домами того же года постройки.

Интересно отметить, что тариф на оплату отопления и вентиляции в 2011 году в доме составляет 6,11 руб./мес. в расчете на 1 м² площади квартир и в него входит, помимо обогрева вспомогательных зон, еще более 2000 м² нежилых помещений (спорткомплекс, 1-й этаж и др.), в то время как в соседних домах тариф на отопление превышает 16 руб./мес. в расчете на 1 м².

В 2011 году НП «АВОК» совместно с «НПО ТЕРМЭК» запроектировали системы механической приточно-вытяжной вентиляции в двух многоквартирных экспериментальных домах в Северном Измайлове (генпроектировщик – «Капстройпроект»). В одном из домов запроектированы поквартирные системы приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха, в другом – централизованные. В сочетании с другими мерами энергосбережения (усиленная теплозащита ограждающих конструкций, горизонтальные поквартирные системы отопления) расчетный показатель годового теплопотребления на отопление и вентиляцию составил менее 40 кВт·ч/м²·год.

Следует отметить, что новые требования по энергоэффективности зданий в Москве, предусмотренные Постановлением Правительства города № 900 от 5 октября 2010 года «О повышении энергетической эффективности жилых, социальных и общественно-деловых зданий в городе Москве…», устанавливают уровень энергопотребления, обеспечить который возможно с утилизацией теплоты вытяжного воздуха.

Это означает необходимость перехода в массовом строительстве к механической приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха.

К сожалению, массовое применение систем вентиляции с утилизаторами сдерживается отсутствием отечественного серийного производства установок малой производительности по доступным ценам, а импортные предложения стоят достаточно дорого (от 40 до 60 тыс. руб.).

Отечественные разработки

ООО «МИКТЕРМ» разработаны технические решения и макетные образцы бюджетного квартирного теплоутилизатора.

При постановке задачи были сформулированы целевые функции для бюджетного теплоутилизатора:

• простота конструкции и технологичность изготовления;
• отказ от дренажа конденсата, обеспечение увлажнения приточного воздуха за счет конденсата;
• среднегодовая эффективность не ниже 65%;
• защита от обмерзания теплоутилизатора;
• себестоимость установки не более 10 тыс. руб.;
• удобство технического обслуживания.

В качестве материала для рекуперативного теплообменного блока использован сотовый поликарбонат – материал, освоенный в серийном производстве отечественными предприятиями.

Материал обладает высокими санитарно-гигиеническими качествами, легко моется, имеет низкое аэродинамическое сопротивление, устойчив к температуре (+40…–40 ˚С), разрешен к применению в строительстве.

В теплообменнике выполнены специальные отверстия для отвода конденсата из вытяжных каналов в приточные с перегородками из гигроскопичного нетканого материала. Конденсат, проходя через отверстия, «растекается» по гигроскопичному материалу и испаряется сухим приточным воздухом (рис. 2).

Рисунок 2. Фрагмент теплоутилизатора с системой отвода конденсата

Установку планируется выпускать в двух вариантах:

• с одним вытяжным вентилятором;
• с вытяжным и приточным вентиляторами.

В первом случае вытяжной воздух собирается из туалета, ванной комнаты и кухни и поступает в теплоутилизатор. Приточный воздух поступает в квартиру «самотеком», как через приточный клапан. Установка работает на «дебалансе» – объем прокачиваемого приточного воздуха составляет 60–80% от расхода вытяжного.

Дефицит приточного воздуха восполняется инфильтрацией через светопрозрачные ограждения. Как правило, объем инфильтрации в современных многоэтажных домах составляет 0,1–0,2 воздухообмена.

Приточный воздух сосредоточенно подается в «чистую» зону квартиры (холл, гостиная). Такое решение позволяет повысить температуру приточного воздуха, поступающего через теплоутилизатор, на 2–3 °C и обеспечить незамерзающий режим работы утилизатора до температуры наружного воздуха –15 °C.

При более низкой температуре наружного воздуха предусмотрено устройство снижения расхода приточного воздуха с сохранением незамерзающего режима.

В этом случае воздушный баланс будет сохраняться с помощью приточного клапана в обвод утилизатора.

Время работы установки в таком режиме для условий Москвы составляет не более 5% от продолжительности отопительного периода, зато позволяет отказаться от энергорасточительных электрических догревателей.

Второй вариант установки с приточным вентилятором работает в тех же режимах, что и первый, но позволяет осуществлять разводку приточного воздуха по сети воздуховодов в жилые комнаты квартиры.

Для оценки режимов эксплуатации установки была разработана физико-математическая модель процессов тепловлагопереноса при переменных расходах приточного и вытяжного воздуха.

Расчеты были выполнены для следующих начальных условий:

• расход вытяжного воздуха 150 м³/ч;
• температура вытяжного воздуха +24 °C;
• относительная влажность вытяжного воздуха 50%.

Результаты расчетов температуры приточного воздуха при различных значениях его расхода и температуры наружного воздуха представлены на рис. 3, а температура поверхности теплообменника – на рис. 4.

Рисунок 2. Без линка

Рисунок 2. Без линка

По результатам расчетов, зона незамерзаемости утилизатора при наружной температуре воздуха от –22 °C при расходе приточного воздуха 50 м³/ч, от –15 °C при расходе приточного воздуха 112 м³/ч и от –11 °C при сбалансированном расходе в 150 м³/ч.

Температура приточного воздуха при его расходах ниже 120 м³/ч поддерживается выше +15 °C даже при температуре наружного воздуха –15 °C.

Расчетная эффективность теплоутилизатора при наружной температуре –15 °C составляет свыше 60% при расходе приточного воздуха в 112 м³/ч и свыше 80% – при наружной температуре –5 °C.

Тестовые испытания макетного образца (рис. 5) при температуре наружного воздуха 0…+5 °C подтвердили расчетную эффективность установки.

Рисунок 5. Испытательный стенд макетного образца теплоутилизатора

Надо отметить, что авторы разработки не стремились достичь рекордной энергоэффективности установки (эффективность ряда импортных изделий достигает 90%), сделав акцент на простоте конструкции, ее технологичности, низкой себестоимости и удобстве технического обслуживания.

Принятые в стране нормативные акты по энергосбережению ставят строителей перед необходимостью повсеместного применения теплоутилизаторов в жилом фонде уже с 2012 года.

Планируется, что в будущем году предложенные технические решения будут реализованы в опытно-промышленные образцы.

Литература

1. ТР АВОК–4–2004. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома.– М.: АВОК-ПРЕСС, 2004.
2. Богословский В.Н., Пох М.Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.– М.: Стройиздат, 1983.
3. Ливчак И.Ф., Наумов А.Л. Регулируемая вентиляция многоэтажных жилых домов // АВОК – 2004.– № 5.
4. Ливчак И. Ф., Наумов А. Л. Вентиляция многоэтажных жилых зданий. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2005.