Энергоэффективность пластинчатых рекуператоров

3 ноября 2009 года был принят закон № 261-ФЗ, в соответствии с которым эффективное использование энергоресурсов – это проблема государственной важности. Соответственно, применение энергосберегающих и эффективных технологий на данный момент актуально. Это также касается систем кондиционирования и вентиляции.

Правительство РФ в своем Постановлении от 25 ноября 2010 года утвердило требования и основные правила энергоэффективности строений, зданий и сооружений. Предполагается, что подобные нововведения позволят снизить годовое потребление энергии на 15% в течение 2011-2015 гг. Далее, в период 2016-2020 гг, экономия повысится более чем на 30%. Достичь этих показателей невозможно без специальной технологии, позволяющей повысить эффективность рекуперации теплоты в вентиляционных системах, которые потребляют до 80% мощности объекта.

Подобные введения коснулись Швейцарии 1 января 2009 года. В соответствии с актом ЕЕ Warme G эффективность рекуперации теплоты не должна превышать 80%. Примеру Швейцарии последовала и Германия, введя указанный акт 14 апреля 2011 года. На данный момент стандарт DINEN 13053-2012-02 определяет показатель эффективности рекуперации теплоты для систем класса H1, который составляет 71%. Чтобы достичь настолько высокой эффективности рекуперации, пластинчатые теплообменники должны отличаться каскадным исполнением. При этом существуют разные варианты и схемы каскадной компоновки. Предусматривается не только рекуперация теплоты, но и холода, что актуально для летнего режима.

Противоточные схемы 2-каскадного (а) и 4-каскадного (б) рекуператоров из пластинчатых теплообменников, установленных диагонально, соединенных последовательно

Прямоточные схемы 2-каскадного (а) и 4-каскадного (б) рекуператоров из пластинчатых теплообменников, установленных горизонтально, соединенных последовательно

Стандарт DINEN 13779 определяет обозначения:

1. ЕНА (ExHaustAir) – выбрасываемый наружу (в атмосферу) воздух (на выходе из теплового плеча);
2. ETA (ExTractAir) – воздух вытяжной (на входе в тепловое плечо);
3. SUP (SUPplyair) – воздух приточный (на выходе из холодного плеча);
4. ODA (OutDoorAir) – внешний (наружный) воздух (на входе в холодное плечо).

Обозначения касаются также индексации температуры:

• i – плечо теплообменника. В данном случае, i=2 обозначает плечо по ходу движения воздуха, удаляемого из помещения. Если i=1, то это обозначает плечо по ходу приточного воздуха.
• k – обозначение номера каскада, расположенного по ходу движения воздуха (приточного). В зависимости от системы, число каскадов может быть разным (обозначается n).
• j – выходное или входное сечение плеча теплообменника. В данном обозначении j=2 – выходное сечение; j=1 – входное.

Вне зависимости от того, в каком варианте будет осуществлена компоновка, эффективность рекуператоров оценивается соответствующей формулой:

Ф_∑= 1 - (1 - Ф_i)ⁿ, (1)

В этой формуле Ф_∑ определяет результирующую эффективность рекуператора (доли единицы); n – количество каскадов; Ф_i – энергоэффективность каждого пластинчатого теплообменника. Число теплообменников определяется переменной i.

В случаях равенства энергоэффективности каждого из применяемых теплообменников получаем:

Если n = 1, то Ф_∑ = Ф_i; (1.1)

Если n=2, то Ф_∑ = 2Ф_i – Ф²_i(1.2) и т. д.

Данные в виде графики можно видеть на рисунке, где цветом выделена эффективность для каждого пластинчатого теплообменника и реальный диапазон.

Энергоэффективность (результирующее значение) установок с различным числом теплообменников

С того момента, как требования к минимально допустимой эффективности рекуперации были ужесточены, на рынке появились модели вентиляционных агрегатов, где пластинчатые рекуператоры были в каскадном исполнении.

На рисунках можно видеть стандартный однокаскадный и новый двухкаскадный рекуператоры, входящие в состав вентиляционной децентрализованной установки компании HOVAL:

Вентиляционный агрегат LHW HOVAL (децентрализованный) с 1-каскадным пластинчатым рекуператором

Вентиляционный агрегат LHW HOVAL (децентрализованный) с 2-каскадным пластинчатым рекуператором

На рисунках изображены четырех- и двухкаскадный рекуператоры в составе вентиляционной установки HRV компании REMAK:

Вентиляционный агрегат HRV REMAK (централизованный) с 2-каскадным пластинчатым рекуператором

Вентиляционный агрегат HRV REMAK (централизованный) с 4-каскадным пластинчатым рекуператором

Формула (1), а также приведенные случаи данной формулы сильно упрощены. Более сложный подход представляет собой решение системы уравнений, которые определяют связь теплофизических параметров по пути движения воздуха в системе с каскадной компоновкой теплообменников.

Стандарты VDI 2071 и VDI 3803 определяют эффективность рекуперации пластинчатых теплообменников таким образом:

Ф_k1= (t_k11-t_k12)/(t_k11-t_k21); (2.1)

Ф_k2 = (t_k22-t_k21)/(t_k11 - t_k21); (2.2), где k = 1...n.

Также необходимо рассмотреть каскадную систему, где пластинчатые теплообменники будут одинаковыми, т.е. эффективность рекуперации по вытяжке и притоку будет равная.

Ф_ki=Ф; (3)

Здесь k=1...n; i = 1,2.

Соответственно, можно получить систему, состоящую из двух уравнений. Ее можно дополнить 2n-2 связями.

При установке последовательно 2-х теплообменников получим:

t₁₁₂ = t₂₁₁;

t₁₂₁ = t₂₂₂.

При установке последовательно 3-х теплообменников система будет иметь вид:

t₁₁₂ = t₂₁₁;

t₁₂₁=t₂₂₂;

t₂₂₁=t₃₂₂;

t₂₁₂=t₃₁₁

Если значения t_ETA и t_ODA заданы (температура на входе холодного и теплого плеч), то количество уравнений будет равно количеству неизвестных 4n - 2.

Эту систему уравнений можно решить численно по методу Ливенберга. При t_ODA = -20° (значение температуры для Санкт-Петербурга для холодного периода) и t_ETA = 20° можно получить значения температур t_kiJ, включая и температуру на входе из плеч t_SUP и t_EHA.

Общую эффективность рекуперации теплоты установки можно определить следующим образом:

Ф_∑1= (t_ODA-t_SUP)/(t_ODA -t_ЕТA); (4)

Ф_∑2 = (t_ЕНА- t_EТA)/(t_ОDА- t_EТA). (5)

Для каскадной системы:

Ф_∑=Ф_∑1=Ф_∑2. (6)

В таблице приведены результаты решения уравнений для рекуператоров, характеризующихся последовательной установкой 2-х и 3-х теплообменников в сопоставлении с приближением по формуле (1).

Это сравнение представлено в графическом виде на рисунках:

Сравнение значений Ф_∑ в 1-м приближении с уточненными значениями (n=2)

Сравнение значений Ф_∑ в 1-м приближении с уточненными значениями (n=3)

Частный пример каскадной системы, где одинаковые теплообменники установлены последовательно, можно посчитать по следующей формуле (7):

Ф_∑= nФ_i/(1+(n-1) Ф_i). (7)

В частности:

n = 1 Ф_∑ = Ф_i; (7.1)

n = 2 Ф_∑ = 2Ф_i/(Ф_i+ 1); (7.2)

n = 3 Ф_∑ = ЗФ_i/(2Ф_i)+1) (7.3) и т. д.

Результаты, которые были получены аналитическим и численным образом, будут совпадать между собой.

Если компоновка теплообменников будет более сложной, то, скорее всего, аналитического решения существовать не будет. В данном случае оценить суммарную эффективность рекуперации установки можно только численным образом по схеме, предложенной немного выше.

Для примера можно рассмотреть комбинированную компоновку, состоящую из шести теплообменников, которая предполагает обеспечение повышенной защиты от обмерзания. Компоновка представлена на рисунке.

Система, состоящая из 12 уравнений (3) будет дополняться 10 связями:

t₁₁₂=t₂₁₁; t₂₁₂=t₃₁₁; t₃₁₂=t₄₁₁;

t₄₁₂=t₅₁₁; t₅₁₂=t₆₁₁; t₄₂₂=t₅₂₁;

t₅₂₂=t₆₂₁; t₆₂₂=t₁₂₁; t₁₂₂=t₂₂₁; t₂₂₂=t₃₂₁.

Из представленной системы уравнений, в которой:

t_ODA = t₁₁₁= -26 °С

и

t_ETA = t₄₂₁ = 20° С,

можно найти значения температур t_kij, включая и необходимые нам параметры t₆₁₂= t_SUP и t₃₂₂ = t_EHA.

Отсюда следует вычислить (4) и (5), которые бы удовлетворяли условие (6). На рисунке в графическом виде представлены результаты проведенных вычислений в сравнении с примером последовательной компоновки 6 одинаковых теплообменников, которые имеют равную эффективность рекуперации.

Сравнение значений Ф_∑ для комбинированной компоновки 6 последовательно установленных теплообменников

Из приведенных результатов становится очевидно, что последовательная компоновка шести пластинчатых теплообменников (одинаковых) позволит сильно повысить энергоэффективность. В частности, этот показатель может сигать значения 90% и даже выше. Однако стоит заметить, что оценки первого приближения при многокаскадной схеме чересчур оптимистичны – они отличаются от оценок, которые были основаны на решении уравнений, рассматриваемых связь теплофизических значений в данной компоновке.

Если сравнивать варианты комбинированной и последовательной установки, то в первом случае реализующая энергоэффективность будет ниже, и при этом она превышает эффективность одиночного теплообменника, если его эффективность не больше 70%. Такой показатель характерен для пластинчатых теплообменников. Однако стоит заметить, что преимущество комбинированной установки – это снижение вероятности обмерзания при не самом лучшем сочетании теплофизических параметров.

При работе в зимнем режиме пластинчатый теплообменник имеет критическую точку – «холодный» угол, который находится на выходе «теплого» плеча и на входе «холодного». В данной точке вытяжной воздух дополнительную теплоту полностью израсходовал, а приточный ее еще не приобрел. На рисунке показаны «холодные» углы обменников (белый цвет).

Схема каскадного рекуператора из 6 пластинчатых теплообменников

Именно отсюда и начинается обмерзание «теплого» плеча, когда температура падает ниже отметки нуля. Соответственно, мера риска обмерзания – это температурный контраст «холодного» угла:

Δk=tk₁₁-tk₂₂, k= 1...n; i = 1,2.

Как базовый вариант, можно рассмотреть пластинчатый одиночный теплообменник, энергоэффективность которого эквивалентна реализующей эффективности в комбинированной компоновке шести обменников. Используя формулы (4) и (5), для нашего примера можно вывести температурный контраст «холодного» угла:

Δ = t_ODA- t_ЕНА =(t_ODA- t_ЕТА)(1- Ф_∑).

В таблице можно видеть расчеты температурных контрастов в исходном варианте:

Симметрично имеем:

Δ_k= Δ_k+3, k = 1...3

В таблице приведены результаты из расчетов контрастов температур Δk в компоновке шести обменников при t_ODA = -26 °С и t_ETA = 20 °С. Значения δk = (Δ – Δk)/Δ в данном случае характеризуют снижение возможности обмерзания для каждого в отдельности теплообменника.

Для теплообменников 2 и 5 можно привести соотношение t₂₁₁> t₂₂₂ (Δ₂> 0) и t₅₁₁> t₅₂₂ (Δ₅> 0), где исключается обмерзание за счет отсутствия конденсации влаги.

На рисунке приведены результаты:

Зависимость δ_k = f(Ф_i) для 6-каскадного рекуператора

Как видно из результатов, в нашем примере (комбинированная компоновка с шестью теплообменниками) при t_ODA = -26 °С и t_ETA = 20 °С вероятность обмерзания снижается на 20% по сравнению со стандартным базовым вариантом. Повышение энергоэффективности Ф каждого теплообменника предполагает увеличение значимости риска обмерзания. В данном случае риск должен быть снижен.

Выводы

Из всего вышеперечисленного можно сделать, как минимум, семь полезных выводов:

1. Благодаря каскадному исполнению теплообменников результирующая энергоэффективность увеличивается более чем на 90%;
2. Самый лучший и действенный вариант увеличения энергетической эффективности – каскадная компоновка пластинчатых теплообменников;
3. Оценки энергоэффективности в первом приближении хоть и оптимистичны, но не всегда точны. Поэтому их нужно уточнять путем решения уравнений, которые определяют взаимосвязь между теплофизическими параметрами;
4. Системы уравнений при компоновке каскадной установки теплообменников, определяющей связь теплофизических параметров, могут поддаваться не только численному, но и аналитическому решению;
5. Система уравнений, определяющая связь теплофизических параметров, может быть решена только численным образом, если речь идет о комбинированной компоновке;
6. Если теплообменники обладают энергоэффективностью менее 70%, то путем их комбинированной установки возможно в ограниченных пределах увеличить эффективность.
7. Благодаря комбинированной компоновке риск обмерзания существенно снижается;
8. Представленная схема обеспечивает оценку достигаемого снижения риска обмерзания, а также результирующей энергоэффективности любой схемы каскадного применения пластинчатых рекуператоров.

На основе материалов из журнала "ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ"