RESEARCH OF HEAT DISPOSAL EFFICIENCY IN RECUPERATIVE HEAT EXCHANGERS OF AUTONOMOUS VENTILATION UNITS

Full Text

Введение В работах [1-3] авторами сформулированы проблемы неудовлетворительного качества внутреннего воздуха помещений и неэффективной работы систем вентиляции гражданских зданий, включая жилые здания. По вопросу обеспечения нормируемого воздухообмена помещений, оборудованных только вытяжной вентиляцией в наружных ограждениях (к таким помещениям относится подавляющее большинство помещений жилых зданий), в пунктах 7.8 СП 50.13330 «Тепловая защита зданий» и 7.1.10 СП 60.13330 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» даётся указание к применению регулируемых приточных устройств. Однако в тексте указанных нормативных документов нет дальнейших разъяснений по вопросу того, какими должны быть данные приточные устройства. В пунктах 7.1.3 и 7.1.10 СП 60.13330 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» указывается, что для помещений, в которых в течение года вентиляцией с естественным побуждением не обеспечиваются параметры микроклимата, следует предусматривать вентиляцию с механическим побуждением. Дополнительно в пункте 7.1.10 того же свода правил указывается, что по заданию на проектирование допускается предусматривать для жилых зданий механическую приточно-вытяжную вентиляцию с применением индивидуальных поквартирных установок или централизованных систем. Дополнительно в пункте 11.1 того же нормативного документа указывается, что требования повышения энергетической эффективности должны соблюдаться при проектировании, экспертизе, строительстве, приёмке и эксплуатации новых, реконструируемых, капитально ремонтируемых отапливаемых жилых зданий и зданий общественного назначения. Далее по тексту того же нормативного документа в пункте 11.3 отмечено, что энергосбережение систем вен- А. Б. Костуганов 37 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 тиляции следует обеспечивать за счёт выбора высокотехнологичного оборудования, использования энергоэффективных схемных решений и оптимизации управления системами. Далее в этом же пункте указано, что одним из комплексов мероприятий по обеспечению энергосбережения в системах вентиляции является применение приточно-вытяжных вентиляционных систем с механическим побуждением и утилизацией теплоты вытяжного воздуха и индивидуально регулируемым воздухообменом. Кроме этого, в работах [4] и [5] указано и обосновано, что большего результата, по сравнению с усилением тепловой защиты наружных ограждений, в плане сокращения энергетических затрат можно добиться за счёт повышения эффективности систем обеспечения микроклимата, в том числе систем вентиляции. Для многоквартирных жилых домов ранее были разработаны технические рекомендации [6] по организации воздухообмена в квартирах жилых зданий с указанием мероприятий по энергосбережению. Таким образом, на сегодняшний день существует масштабная научно-техническая проблема обеспечения энергоэффективного воздухообмена в помещениях гражданских зданий и в первую очередь в помещениях жилых зданий. Решение данной проблемы для жилых зданий должно быть дифференцировано: для многоквартирных жилых домов следует разрабатывать централизованные вентиляционные системы, а для малоэтажных и частных жилых домов предусматривать индивидуальные приточно-вытяжные вентиляционные установки. В обоих случаях предлагаемые технические решения должны отвечать современным требованиям энергоэффективности. Автором настоящей работы при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, а также при научно-технической поддержке коллектива коллег на протяжении нескольких лет проводятся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку автономных приточно-вытяжных вентиляционных установок для помещений жилых зданий. В первую очередь разрабатываемые приточно-вытяжные вентиляционные установки нацелены на использование в помещениях малоэтажных и частных жилых домов. Предшествующие этапы исследований, включающие постановку целей и задач исследования, требования к разрабатываемым вентиляционным установкам, результаты проектирования новых установок и результаты натурных испытаний существующих на рынке подобных вентиляционных установок опубликованы автором ранее, в том числе совместно с коллегами, в работах [7-11]. В настоящей работе автор приводит результаты натурных испытаний новых конструкций приточно-вытяжных вентиляционных установок, в том числе защищённых патентами. Натурные испытания проводились в период с декабря 2018 по февраль 2019 гг. Материалы и методы исследования Теоретические предпосылки и результаты теоретических исследований приведены в ранее опубликованных работах [7-11]. Базой для теоретической части данного этапа исследований послужили источники [12-21]. Ниже приводятся только основные расчётные формулы и определения, необходимые для понимания и объяснения результатов экспериментального исследования рекуперативных теплообменников. Требуемая площадь поверхности теплообменника вычислялась по формуле (1) где Q - количество теплоты, передаваемое в рекуперативном теплообменнике приточному воздуху, Вт; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·°С); tср - средняя логарифмическая разность температур, °С. Количество теплоты, передаваемое в рекуперативном теплообменнике приточному воздуху, определялось по формуле (2) где cp - массовая теплоёмкость воздуха, Дж/ (кг·°С); Gпр - массовый расход приточного воздуха, кг/с; tпр1, tпр2 - температуры приточного воздуха на входе в теплообменник и на выходе из него соответственно, °С. Коэффициент теплопередачи рассчитывался по формуле (3) где δ - толщина стенки теплообменника, м; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м °С); αуд, αпр - коэффициенты теплоотдачи удаляемого и приточного воздуха соответственно, Вт/(м2°С). Средняя логарифмическая разность температур определялась по формуле (4) где tпр1, tпр2 - то же, что в формуле (2); tуд1, tуд2 - температуры удаляемого воздуха на входе в теплообменник и на выходе из него соответственно, °С; tб, tм - большая и меньшая из расчётных разностей температур соответственно, °С. , , , , Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 38 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Эффективность утилизации теплоты в рекуперативном теплообменнике определялась по выражению (5) где η - эффективность утилизации теплоты в рекуперативном теплообменнике; Gпр, Gуд - массовые расходы соответственно приточного и удаляемого воздуха, кг/с; cp, tпр1, tпр2, - то же, что в формуле (2); tуд1 - температура удаляемого воздуха на входе в рекуперативный теплообменник, °С. Формулы (1) - (4) использовались при теоретическом расчёте рекуперативных теплообменников, а формулы (1), (2), (5) - при конечной обработке результатов экспериментального исследования. Для расчёта коэффициентов теплоотдачи, гидравлического трения и некоторых других необходимых для расчёта величин использовались данные литературных источников [12-21]. Основные полученные осреднённые результаты расчёта габаритных размеров и конструкции теплообменника представлены в табл. 1. Размеры теплообменника были также определены на основании конструктивных и архитектурно-планировочных требований, предъявляемых к разрабатываемой вентиляционной установке в целом, т. е. установка предпочтительно должна размещаться в пространстве подоконной доски. Расчётный расход воздуха на систему принят в объёме 60 м3/ч. Для проработки принципиальных и конструктивных решений разрабатываемых вентиляционных установок был изучен современный уровень развития техники в рассматриваемой области на основании данных литературных источников [12-21] и результатов патентного поиска по источникам [22-28]. В результате была разработана принципиально новая конструкция приточно-вытяжной вентиляционной установки с утилизацией теплоты и защитой теплообменников-утилизаторов от обмерзания в двух вариантах, представленных на рис. 1 и 2. В расчётный холодный период года схема вентиляционной установки, изображённая на рис. 1, работает следующим образом: вытяжной воздух забирается из помещения, затем он проходит через клапан, фильтр, вспомогательный вентилятор и ТЭН, в котором нагревается на необходимую величину. Подогретый вытяжной воздух попадает в пространство между корпусом системы и пластинчатым теплообменником - утилизатором теплоты. В результате того, что корпус системы является теплоизолированным, а поверхность теплообменника металлической, тепловой поток большей частью передаётся периферийной поверхности теплообменника, что способствует поддержанию её положительной температуры и предохраняет её от обмерзания. По ходу своего движения вытяжной воздух охлаждается до значения температуры помещения и после этого забирается вытяжным вентилятором и подаётся в теплообменник-утилизатор, где отдаёт свою теплоту приточному воздуху и охлаждается до расчётной температуры, зависящей от необходимой степени утилизации теплоты. Далее холодный вытяжной воздух выходит в атмосферу. Приточный воздух забирается через узел забора воздуха, расположенный с противоположной стороны уличной части системы. Под действием разрежения, создаваемого приточным вентилятором, воздух проходит через теплообменник - утилизатор теплоты, где нагревается до требуемой температуры, зависящей от необходимой степени утилизации теплоты. Затем подогретый приточный воздух проходит через фильтр, клапан и подаётся в помещение. Схема вентиляционной установки, изображённая на рис. 2, в расчётный холодный период года работает следующим образом: вытяжной воздух забирается из помещения, затем он проходит через клапан, фильтр, забирается Таблица 1 Осреднённые результаты расчёта габаритных размеров и конструкции теплообменника Наименование величины Принятое обозначение Ед. изм. Значение Общее число каналов для хода воздуха n шт. 28 Площадь теплообменной поверхности F м2 2,1 Длина канала l мм 600 Длина теплообменника L мм 640 Ширина теплообменника b мм 200 Высота теплообменника h мм 120 , А. Б. Костуганов 39 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 Рис. 1. Принципиальная схема вентиляционной установки с рекуперативным теплоутилизатором и прямоточной схемой защиты от обмерзания: 1 - вытяжной воздухораспределитель; 2 - приточный воздухораспределитель; 3 - клапан на вытяжном воздухе; 4 - клапан на приточном воздухе; 5,6,7 - фильтры; 8 - вспомогательный вентилятор; 9 - воздухонагреватель (ТЭН); 10 - приточный вентилятор; 11 - вытяжной вентилятор; 12 - рекуперативный пластинчатый теплообменник; 13 - выпуск воздуха (решётка); 14 - забор воздуха (решётка) Рис. 2. Принципиальная схема вентиляционной установки с рекуперативным теплоутилизатором и рециркуляционной схемой защиты от обмерзания: 1-6 - то же, что на рис. 1; 7 - вспомогательный вентилятор; 8 - воздухонагреватель (ТЭН); 9 - приточный вентилятор; 10 - вытяжной вентилятор; 11 - рекуперативный пластинчатый теплообменник - утилизатор теплоты; 12 - выпуск воздуха (решётка); 13 - забор воздуха (решётка) вытяжным вентилятором и подаётся в теплообменник-утилизатор, где отдаёт свою теплоту приточному воздуху и охлаждается до расчётной температуры, зависящей от необходимой степени утилизации теплоты. Далее холодный вытяжной воздух выходит в атмосферу. Приточный воздух забирается через узел забора воздуха, расположенный с противоположной стороны уличной части системы. Под действием разрежения, создаваемого приточным вентилятором, воздух проходит через теплообменник - утилизатор теплоты, где нагревается до требуемой температуры, зависящей от необходимой степени утилизации теплоты. Затем подогретый приточный воздух проходит через фильтр, клапан и подаётся в помещение. Защита от обмерзания достигается за счёт циркуляции по замкнутому каналу подогретого воздуха, в ре- Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 40 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ зультате чего периферийная часть теплообменника всегда имеет положительную температуру. Оба варианта конструкции вентиляционных установок были изготовлены. Кроме этого, вариант с прямоточной схемой защиты от обмерзания был изготовлен в двух экземплярах лабораторных образцов установки с различными конструкциями рекуперативных теплообменников: с теплопередающими стенками в виде гофрированных пластин (рис. 3) и с гладкими теплопередающими стенками и проложенной между ними гофрированной металлической сеткой (рис. 4). Геометрические размеры теплообменников максимально выдержаны по отношению к приведённым в табл. 1 с учётом некоторых конструктивных доработок. Общий вид одного из образцов вентиляционной установки представлен на рис. 5. На рис. 6 представлена вентиляционная установка, смонтированная и оборудованная для проведения натурных испытаний. Натурные испытания проводились в период с декабря 2018 по февраль 2019 гг. на двух вентиляционных установках с прямоточной схемой защиты от обмерзания. Одна из испытуемых установок имела в своём составе рекуперативный теплообменник с теплопередающими стенками в виде гофрированных пластин, а другая была оснащена теплообменником с гладкими теплопередающими стенками и проложенной между ними гофрированной металлической сеткой. Прочие технические характеристики испытуемых систем были идентичными. Методика проведения испытаний заключалась в следующем: 1. Выбирался режим испытания установок (производительность по воздуху и мощность нагрева электрического воздухонагревателя). 2. Установка эксплуатировалась в выбранном режиме минимум 40 мин до начала испытаний. Рис. 6. Вентиляционная установка, смонтированная и оборудованная для проведения натурных испытаний Рис. 5. Общий вид вентиляционной установки перед процессом монтирования на место проведения натурных испытаний Рис. 4. Теплообменник с гладкими теплопередающими стенками и проложенной между ними гофрированной металлической сеткой в процессе сборки Рис. 3. Фрагмент гофрированной пластины (теплопередающей стенки) А. Б. Костуганов 41 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 3. В ходе испытаний производились замеры температуры в 10 контрольных точках (температуры внутреннего и наружного воздуха, до и после воздухонагревателя, до и после рекуперативного теплообменника, на входе и на выходе из установки). Фиксация данного параметра производилась автоматически с интервалом 1 мин. 4. Проводились измерения скорости воздуха на входе и выходе приточной и вытяжной линии, уровень шума при работе установки, барометрическое давление, относительная влажность воздуха помещения и перепады давления в характерных сечениях вентиляционной установки. Фиксация данных параметров производилась вручную в начале и в конце проведения соответствующей серии испытаний. 5. Каждый вариант системы был испытан минимум в трёх сериях с минимальной продолжительностью 3 ч и максимальной продолжительностью 8 ч. При проведении испытаний использовались следующие измерительные приборы: • многоканальный портативный измеритель температуры с переносным модулем «Поток» - измерение температуры; • многофункциональный прибор Testo-480 с набором зондов для измерения параметров микроклимата и систем вентиляции - измерение скорости воздуха и перепадов давления в характерных сечениях вентиляционной установки, барометрического давления, относительной влажности воздуха помещения; • шумомер ADA ZSM 330 - измерение общего уровня шума. Применение современного аттестованного и поверенного оборудования, а также проведение последующей обработки результатов экспериментальных исследований позволило получить приемлемую относительную погрешность результатов испытаний, не превышающую максимальной величины ±10 %. Результаты исследования В ходе проведённых натурных испытаний были получены протоколы испытаний со значениями измеренных величин, подлежащих дальнейшей математической обработке. Обработка результатов экспериментального исследования, направленная на усреднение значений величин, устранение грубых промахов, случайных и статистических погрешностей измерения, проводилась по методам, изложенным в [29]. После этого этапа обработки экспериментальных данных был произведён расчёт эффективности утилизации теплоты в вентиляционных установках с использованием формул (1), (2), (5). Обобщённые результаты проведённого исследования представлены в табл. 2. Из результатов проведённых испытаний следует сделать следующие выводы: 1. Разработанные конструкции вентиляционных установок являются принципиально работоспособными и удовлетворяют таким требованиям, как: • обеспечение минимального воздухообмена в помещении; • обеспечение утилизации теплоты вентиляционного воздуха в среднем не ниже 50 %; • вписывание в интерьер помещения практически без его нарушения (возможна установка в пространстве подоконной доски); Таблица 2 Обобщённые результаты исследования Показатель Значение (интервал значений) показателя для установки, оснащённой теплообменником с теплопередающими стенками в виде гофрированных пластин для установки, оснащённой теплообменником с гладкими теплопередающими стенками и проложенной между ними гофрированной металлической сеткой Эффективность утилизации теплоты, % 40 … 75 40 … 70 Расход воздуха в системе, м3/ч 30 … 90 Перепад давления на вентиляторе, Па 60 …360 60 …270 Уровень шума, дБа 40 … 60 Максимальная скорость воздуха на входе и на выходе из установки, м/с Не более 5 Максимальное потребление энергии, Вт Не более 700 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 42 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ • установки, пригодные для ремонта самими конечными пользователями; • оценочная стоимость одной такой установки составляет 30 000 руб. 2. Эффективность утилизации теплоты в разработанных рекуперативных теплообменниках существенно возрастает при достижении расхода воздуха в системе уровня 60 м3/ч и при снижении температуры наружного воздуха ниже минус 10 °С. 3. Разработанная прямоточная система защиты от обмерзания положительно зарекомендовала себя на данном этапе исследования, хотя и нуждается в дальнейшей конструктивной доработке. 4. Максимально достигнутая в результате испытаний эффективность утилизации теплоты составила 75 %, что является средним показателем для теплообменников данного класса. Для дальнейшего совершенствования выполненных разработок следует сформулировать следующие рекомендации: • применить более мощные радиальные вентиляторы для обеспечения запаса по производительности и интенсификации процессов теплообмена; • для интенсификации процессов теплообмена, а также получения большей компактности теплообменника и системы в целом необходимо выполнить более развитую поверхность теплообмена (с большей турбулентностью потока); • для дальнейшего этапа развития и реализации результатов исследования (этапа НИОКР) рекомендуется разработать модельный ряд энергоэффективных систем вентиляции с утилизацией теплоты воздуха с учётом результатов проведённого этапа исследования, а также по типу усовершенствованного прототипа вентиляционной установки, представленного на рис. 7 и 8. Предлагаемый прототип разработан на основе анализа информации источников [13-31] и будет иметь большую эффективность утилизации теплоты, меньшие размеры (будет более компактным) и более совершенную схему защиты рекуперативных теплоутилизаторов от обмерзания; • на все разработанные схемы установок необходимо разработать систему контроля и автоматического управления их работой. Рис. 8. 3D-модель усовершенствованного прототипа вентиляционной установки Рис. 7. Принципиальная схема (вид сверху) усовершенствованного прототипа вентиляционной установки Выводы. 1. Разработанные конструкции рекуперативных теплообменников имеют практически одинаковую эффективность утилизации теплоты на уровне 40- 70 %. 2. Для достижения одного и того же эффекта по утилизации теплоты целесообразно использовать конструкцию теплообменников с гофрированной сеткой, нежели конструкцию с гофрированными пластинами, так как первая конструкция при сопоставимом эффекте утилизации теплоты обеспечивает до полутора раз меньшее аэродинамическое сопротивление. 3. Максимально достигнутая в результате испытаний эффективность утилизации теплоты составила 75 %, что является средним показателем для теплообменников данного класса. В то же время имеются потенциальные возможности для повышения этого показателя за счёт совершенствования конструкции теплообменника (применение сборного многократно перекрёстно-точного теплообменника). Данное мероприятие позволит не только увеличить эффективность утилизации теплоты, но и уменьшит габаритные размеры установки, что сделает её ещё более удобной к применению в помещениях жилых зданий. 4. Разработанная прямоточная система защиты от обмерзания положительно зареко- V′1 ≈ 0,8...1,5 м/с V1 ≈ 0,8...1,5 м/с V2 ≈ 0,8...1,5 м/с V′2 ≈ 0,8...1,5 м/с А. Б. Костуганов 43 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 мендовала себя на данном этапе исследования (полного обмерзания и остановки системы зафиксировано не было). Однако схема нуждается в дальнейшей конструктивной доработке в плане организации мероприятий, повышающих её теплотехническую эффективность. 5. При разработке усовершенствованного прототипа вентиляционной установки необходимо решить следующие задачи: • повысить эффективность утилизации теплоты в установке до гарантированного значения 85 %; • снизить уровень шума при работе системы до максимального значения 45 дБ с учётом фонового уровня шума; • сделать систему более компактной. Предлагаемые габаритные размеры системы 1000×200×200 мм; • планово снижать себестоимость системы за счёт совершенствования её технических характеристик и упрощения процесса изготовления до наименьшего возможного значения.

About the authors

Arman B. KOSTUGANOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files