Рекуперация теплоты в системах вентиляции - использование отработанной теплоты или источник возобновляемой энергии?

Claus Händel, технический секретарь Европейской ассоциации вентиляционной промышленности (European Ventilation Industry Association, EVIA)

Определение возобновляемого источника энергии, основанное на подходе к первичной энергии как таковой, – это объективный и технологически неангажированный подход к расчету доли возобновляемых источников в любом типе энергетической установки.

1. Правовая база ЕС

Основными нормативными документами ЕС по возобновляемым источникам энергии являются:

• Директива ЕС 2018/2001 года о содействии использованию энергии из возобновляемых источников [1];

• Директива ЕС 2018/844 об энергоэффективности зданий [2].

Рассмотрим определения из Директивы ЕС 2018/2001.

«Энергия из возобновляемых источников» (energy from renewable sources) или «возобновляемая энергия» (renewable energy) (п. 1) означает энергию из возобновляемых неископаемых источников, а именно ветряную, солнечную (солнечную тепловую и солнечную фотоэлектрическую) и геотермальную энергию, энергию окружающей среды, энергию приливов, волн и других океанических энергий, гидроэнергию, биомассу, свалочный газ, газ очистных сооружений и биогаз.

 «Окружающая энергия» (ambient energy) (п. 2) означает природную тепловую энергию и энергию, накопленную в окружающей среде с ограниченными границами, которая может аккумулироваться в окружающем воздухе (исключая удаляемый/вытяжной воздух), ограждающих конструкциях, поверхностных водах или сточных водах (канализация).

 «Отработанные теплота и холод» (waste heat and cold) (п. 9) означают теплоту или холод, образующиеся в качестве побочного продукта в промышленных, энергетических или иных установках (в том числе установках, где использовался или будет использоваться процесс когенерации или где когенерация невозможна), которые будут рассеиваться неиспользованными в воздухе или воде без доступа к централизованной системе отопления или охлаждения.

Определение «окружающего воздуха» из п. 2 нельзя назвать четким, прозрачным и имеющим под собой понятную физическую основу. Это же касается и определения «отработанной теплоты и холода» из п. 9. Трактовка этих определений всегда зависит от контекста и от конкретных условий проекта.

Директивы ЕС дополнены и подкреплены национальными нормативными актами по развитию возобновляемых источников энергии. Например, в Германии это «Закон о поощрении использования возобновляемых источников энергии в теплоснабжении» (EEWärmeG) и региональные законы, например EWärmeG в земле Баден-Вюртемберг.

Если детально рассмотреть только упомянутые выше документы, то обнаружится, что единого подхода к вопросу о том, к чему относить рекуперацию теплоты в системах вентиляции, нет. Рекуперация теплоты в системе вентиляции в энергобалансе здания, согласно этим документам, может:

• не учитываться;

• рассматриваться как использование отработанной теплоты и не учитываться в статистике;

• рассматриваться как использование отработанной теплоты и по разным методикам учитываться для разных типов зданий.

Выдвигаемые в статье предложения относятся исключительно к инженерным системам здания – отопление, вентиляция, кондиционирование.

Определение возобновляемого источника энергии, основанное на подходе к первичной энергии как таковой, – это объективный и технологически неангажированный подход к расчету доли возобновляемых источников в любом типе энергетической установки.

Вывести такой подход нам поможет Директива 2018/2001 и изложенная в приложении VII методика, рассматривающая аэро-, гео- либо гидротермальную энергию, потребляемую тепловыми насосами, как энергию из возобновляемых источников E_RES:

 

где Q_usable – полезная энергия, вырабатываемая тепловым насосом. В расчет принимаются только тепловые насосы с показателем SPF > 1,15 × 1/η; SPF – сезонная эффективность теплового насоса, в данной статье равна COP; η_is – КПД производства электроэнергии по первичной энергии (в данной статье используется 1/f_pr).

В соответствии с рекомендациями [3] η_is для тепловых насосов, работающих на электроэнергии, составляет 0,45. В случае с абсорбционными тепловыми насосами следует использовать значение η_is = 1,0.

Минимально допустимый SPF:

• для тепловых насосов, работающих на электроэнергии, составляет 2,55;

• для абсорбционных тепловых насосов – 1,15.

Основываясь на формуле (1), можно сформулировать условие, при котором допустимо считать рекуперацию как энергию от возобновляемого источника:

 

Иными словами, говорить о возобновляемой энергии можно, если полезная энергия, получаемая потребителем от энергетической установки, на 15 % больше, чем энергопотребление установки по первичной энергии.

Рекуперация теплоты и использование отработанной теплоты

При расчете энергобаланса здания рекуперация теплоты, как правило, рассматривается как использование отработанной теплоты. Следует отметить, что существуют физические различия между рекуперацией отработанной теплоты и рекуперацией теплоты в системах вентиляции (см. Примеры адаптивных систем вентиляции с рекуперацией теплоты. – Прим. ред.).

Следующие примеры призваны это проиллюстрировать.

Использование отработанной теплоты

Если здание отапливается топливным котлом (рис. 1), то, например, только 75 % энергии от топлива идет непосредственно на нагрев теплоносителя, 25 % энергии топлива (отработанная теплота) рассеивается в атмосфере с газо-образными продуктами сгорания. В рассматриваемом примере КПД утилизации отработанной теплоты составляет 80 %, то есть 20 % от полной энергии топлива, потребляемого котлом, и, соответственно, только 5 % отработанной теплоты рассеивается в атмосфере.

Рисунок 1. Утилизация отработанной теплоты от топливного котла

Это классическое использование отработанной теплоты от процесса сгорания топлива. Она может быть использована один раз как энергия от сгораемого топлива.

Рекуперация теплоты в системе вентиляции

Для начала рассмотрим систему вентиляции без рекуперации теплоты (рис. 2). Энергия топлива, расходуемая на нагрев приточного воздуха, используется лишь единожды и уходит в вытяжку.

Рисунок 2. Пример системы вентиляции без рекуперации теплоты

В случае если используется система вентиляции с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха (рис. 3), энергия топлива возвращается в систему вентиляции, причем не один раз. Допустим, мы используем рекуператор с КПД 50 %, тогда, если на первом этапе на нагрев приточного воздуха требуется 1 кВт, мы утилизируем из вытяжного воздуха 0,5 кВт.

Рисунок 3. Пример системы вентиляции с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха

При этом важно понимать, что процесс рекуперации в системе вентиляции является цикличным, то есть в первом «цикле» мы утилизируем 50 % от энергии топлива, использованного для нагрева приточного воздуха на запуске системы, во втором «цикле» мы повторно утилизируем уже 25 % и так далее (рис. 4).

Рисунок 4. Пример системы вентиляции с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха

Получается, что энергия становится возобновляемой.

Если бы КПД рекуператора составлял 100 %, то, нагрев воздух до требуемой температуры один раз, мы могли бы не тратить больше топливо и считать всю затраченную энергию возобновляемой во втором и следующих циклах.

Процесс цикличного использования энергии при рекуперации теплоты удаляемого воздуха системой вентиляции может быть описан формулой:

  

Расчет доли возобновляемой энергии в системе вентиляции с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха

Для простоты понимания процесса не будем учитывать расход энергии на транспортировку воздуха (вентилятор)¹. Основываясь на формуле (1) для тепловых насосов и для заданного цикла повторений процесса при КПД рекуперации η_t [0…100 %], имеем:

Тогда полезная энергия, вырабатываемая приточно-вытяжной установкой, может быть рассчитана как:

При круглосуточной работе системы вентиляции количество циклов стремится к бесконечности; соответственно, КПД установки можно выразить как:

Допустим, что вентиляция не используется для воздушного отопления и наружный воздух в приточной установке догревается только до температуры воздуха в помещении, а теплопотери через ограждающие конструкции и инфильтрация компенсируются системой отопления. Тогда мы можем условно разделить системы. В случаях, когда вентиляция отключается в ночное время, система отопления поддерживает требуемую в помещении температуру, а утром мы начинаем ровно с той же точки (температуры воздуха в помещении), в которой система вентиляции была отключена. Другими словами, даже при отключении системы вентиляции в ночное время формула (6) будет верна и может использоваться для расчетов, если требования к температуре воздуха в помещении в дневное и ночное время не отличаются.

Тогда, используя подход к определению доли возобновляемой энергии Директивы 2018/2001 и формулу (1), можно утверждать, что:

А доля возобновляемой энергии для системы вентиляции с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха:

Используя формулы (5) и (6), получим:

О чем нам говорит формула (10)? В системах рекуперации теплоты инженерных систем здания всегда есть часть энергии, которая является утилизацией теплоты от отопительного прибора:    

Все выполненные расчеты – это упрощенная модель, не учитывающая, что в помещении обязательно будут находиться другие «источники» нагрева воздуха, а по сути возобновляемой энергии – люди, теплопритоки от освещения и т. п., которые дополнительно увеличат долю возобновляемой энергии в системе рекуперации.

Рекуперация холода

Для расчета доли возобновляемой энергии при рекуперации в теплый период года, когда наружный воздух в системе вентиляции охлаждается до температуры воздуха в помещении, верны все формулы, приведенные выше. Их можно использовать и для процессов увлажнения и осушения воздуха, используя характеристики тепло- и влагопереноса в рекуператоре.

Примеры расчетов

Используя формулу (6) и значения η_t  от 0 до 0,9, построим график (рис. 5), из которого видно, что для типовой системы приточно-вытяжной вентиляции при КПД рекуператоров (для рекуператора с промежуточным теплоносителем минимальная η_t = 0,67, для прочих η_t = 0,73)² значение теплового COP рекуператора теплоты удаляемого воздуха будет находиться в интервале от 3 до 5. Это аналогично интервалу значений COP по потребляемой электроэнергии существующих на рынке тепловых насосов.

Рисунок 5. Тепловой COP вентиляционной установки с рекуперацией теплоты

Расчет по первичной энергии

Общие принципы

Рассмотренная методика расчета доли возобновляемой энергии для рекуператора в системе вентиляции учитывает только тепловую энергию на нагрев наружного воздуха и не включает прочие энергозатраты, существующие в реальных установках. Суммировать энергозатраты тепловой и электрической энергии арифметически неверно. Поэтому, чтобы оценить картину эффективности рекуперации целиком, логично использовать в расчетах значения, приведенные к первичной энергии:

КПД энергетической установки по первичной энергии COP_pri – отличный показатель, помогающий оценить, использует ли установка возобновляемую энергию. Если COP_pri > 1, то установка производит больше полезной энергии, чем потребляет первичной, то есть использует возобновляемые источники. В случае тепловых насосов нужно помнить про требования документа [1] по 15 %-ному превышению первичной энергии: для отнесения к ВИЭ COP_pri должен быть больше 1,15!

Используя уравнение (11), приведем формулу (12) к виду:

При определенных условиях параметров наружного воздуха, уровне теплопритоков в помещении и требованиях к температуре воздуха помещения может оказаться, что эффективность рекуператора теплоты удаляемого воздуха избыточна (рис. 6). Поэтому в установках необходимо предусматривать системы регулирования эффективности рекуперации.

Рисунок 6. Динамика изменения коэффициента эффективности рекуператора по температуре

Примеры расчета

Результаты расчетов (табл. 2) показывают общие принципы подхода к выявлению доли возобновляемой энергии в системе вентиляции воздуха с рекуперацией теплоты. Для расчета рассмотрена вентиляционная установка, отвечающая требованиям [4]:

• расход воздуха 10 800 м³/ч (3 м³/с);

• энергопотребление вентиляторов без сети воздуховодов 2 400 Вт [800 Вт/(м³/с) × 3 м³/с], на притоке 1 400 Вт и на вытяжке 1 000 Вт;

• температурная эффективность рекуператора теплоты 0,73;

• коэффициент первичной энергии: тепловой – f_pri,heat = 1,0 (h = 1), электроэнергии – f_pri,elec = 2,2 (h = 0,45);

• температура приточного воздуха и воздуха в помещении в холодный период года минимум 20 °C (без охлаждения в теплый период года);

• время эксплуатации 8 760 ч/год.

Почасовое моделирование параметров работы показывает (табл. 1, варианты 1–4), что COPpri вентиляционной установки с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха для южных районов Европы составит 1,5 и для Северных стран – 2. Потребление электроэнергии вентиляторами не включает напор на сеть воздуховодов, согласно методике ErP 1253/2014 [4], что аналогично подходу к расчету COP_pri тепловых насосов по рекомендациям [3].

Даже если предположить, что энергопотребление вентиляторов увеличится в 2 раза за счет сети воздуховодов, COP_pri такой установки все равно будет равен 1,33 (см. табл. 1, вариант 1а).

Если мы приведем стандартное для тепловых насосов значение COP 3,5 к первичной энергии, то при fpri,elec = 2,2 (h = 0,45) получим весьма близкое значение: 1,59.

Прочие технологии получения возобновляемой энергии

Изложенный подход к расчету доли энергии от ВИЭ по отнесению полезной вырабатываемой энергии к первичной энергии может использоваться для хладоцентров, рекуперации холода и влажности, фрикулинга, испарительного охлаждения, а также любой из комбинаций перечисленных технологий.

Формулу (12) можно привести к универсальному виду:

где Q_usable – полная полезная энергия, получаемая системой от установки;

Q_f – потребление энергии установкой на основной процесс (нагрев/охлаждение или иное);

W_f – потребление энергии установкой на вспомогательные процессы;

f – коэффициент первичной энергии (отражает отношение затраченной первичной энергии к полученной энергии определенного вида).

Коэффициенты первичной энергии для этой формулы будут определять текущая политика и приоритеты в развитии видов энергетики.

Используя такой подход, очень просто понять, можно ли считать, что то или иное инженерное решение использует или «создает» долю возобновляемой энергии в своем энергопотреблении:

Если производимая системой энергия больше, чем потребляемая, приведенная к первичной, очевидно, что такая система использует возобновляемый источник энергии и это должно учитываться при расчете тарифов/налогов и т. п.

Расчеты по предложенной методике (табл. 2) демонстрируют, какие из технологий генерации энергии можно считать использующими ВИЭ. Некоторые выводы могут показаться неоднозначными. Многие эксперты могут усомниться и заявить, что для чиллера, потребляющего электроэнергию, долю от ВИЭ можно считать только в ограниченных условиях и при указанных в статье значениях коэффициентах первичной энергии. Более того, можно сказать, что чиллер в принципе не производит энергию, а просто переносит ее из одной среды в другую. Но ведь тепловой насос работает по точно такому же принципу, и никто не оспаривает, что источник его энергии является возобновляемым!

Выводы и рекомендации

Итак, было показано, что современные политические определения ВИЭ и технологий использования возобновляемых источников энергии в зданиях ЕС сложны и не отвечают принципу технологической нейтральности.

Системы вентиляции с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха при пересчете на первичное энергопотребление по своей энергоэффективности вполне сравнимы с тепловыми насосами.

Подход к расчету эффективности, основанный на потреблении первичной энергии, позволил бы технологически нейтрально оценить долю возобновляемых источников энергии различных инженерных технологий. Открытый и гласный процесс расчета и принятия национальных факторов первичной энергии внесет ясность в процесс принятия политических решений в области энергетики и повысит прозрачность отчетности по энергопотреблению зданий.

Литература

1. Directive (EU) 2018/2001 of the European Parliament and of the Council of 11 December 2018 on the promotion of the use of energy from renewable sources.
2. Directive (EU) 2018/844 of the European Parliament and of the Council of 30 May 2018 amending Directive 2010/31/EU on the energy performance of buildings and Directive 2012/27/EU on energy efficiency.
3. Commission guidelines on calculating renewable energy from heat pumps from different heat pump technologies pursuant to Article 5 of Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council (2013/114/EU).
4. Commission Regulation (EU) No 1253/2014 of 7 July 2014 implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for ventilation units.

¹ Подробный расчет, учитывающий все виды потребляемой установкой энергии, приведен в разделе статьи «Расчет по первичной энергии».

² Согласно нормативному документу [4].