Жылуды қайта пайдалану жүйесі ғимараттарда

Кіріспе

Ғимараттағы жылу энергиясын қайта пайдалану әдісі

Жылуды қалпына келтіру желдеткіші (ЖЖВ), сондай-ақ механикалық желдеткіш жылуды қалпына келтіру (МЖЖЖ) немесе энергияны қалпына келтіру желдеткіші (ЭЖЖ) деп аталады, бұл екі әртүрлі температурадағы ауа көзі арасында жұмыс істеу арқылы энергияны қалпына келтіретін желдеткіш жүйесі. Ол ғимараттардың жылу және салқындату қажеттіліктерін азайту үшін қолданылады. Қалдық жылуды шығарылатын ауадан қалпына келтіру арқылы, ауа баптағыш жүйеге енгізілетін таза ауа бөлмеге кірмес бұрын қыздырылады (немесе алдын ала салқындатылады), ал ауа баптағыш қондырғысының ауа салқындатқышы жылу мен ылғалдылықты өңдейді. Ғимараттардағы жылуды қалпына келтірудің стандартты жүйесі негізгі блоктан, таза және шығарылатын ауа арналарынан және желдеткіштерден тұрады. Ғимараттан шығарылатын ауа климаттық жағдайларға, жыл мезгіліне және ғимараттың талаптарына байланысты жылу көзі немесе жылуды қабылдағыш ретінде қолданылады. Жылуды қалпына келтіру жүйелері әдетте шығарылатын ауадағы жылудың 60–95%-ын қалпына келтіреді және ғимараттардың энергия тиімділігін айтарлықтай жақсартады. Энергияны қалпына келтіру желдеткіші (ЭЖЖ) – бұл тұрғын және коммерциялық HVAC жүйелеріндегі энергияны қалпына келтіру процесі, ол ғимараттан немесе кондицияланған кеңістіктен әдетте шығарылатын ауадағы энергияны ауыстырып, кіретін сыртқы желдеткіш ауаны өңдеуге (алдын ала дайындауға) пайдаланады. Бұл үшін қолданылатын арнайы жабдық энергияны қалпына келтіру желдеткіші деп аталады, ол көбінесе ERV деп те аталады. ЭЖЖ – бұл ауадан ауаға жылу алмастырғыштың бір түрі, ол сезімтал және жасырын жылуды бірге өткізеді. Температура мен ылғалдың екеуі де ауыстырылғандықтан, ЭЖЖ құрылғылары толық энтальпиялық құрылғылар деп сипатталады. Ал ЖЖВ тек сезімтал жылуды ғана өткізе алады. ЖЖВ құрылғылары тек сезімтал жылуды алмастыратындықтан, оларды сезімтал құрылғылар деп қарастыруға болады. Яғни, барлық ЭЖЖ ЖЖВ болып табылады, бірақ барлық ЖЖВ ЭЖЖ болып табылмайды. ЖЖВ, AAHX (ауадан ауаға жылу алмастырғыш) және ЭЖЖ терминдерін бір-бірінің орнына қолдану дұрыс емес. Жылы маусымда ЭЖЖ жүйесі алдын ала салқындатып, ылғалдылықты азайтады; ал салқын маусымда жүйе ылғалдырып, қыздырады. ЭЖЖ жүйесі HVAC жобасының желдету және энергия стандарттарына (мысалы, ASHRAE) сәйкес келуіне көмектеседі, ішкі ауа сапасын жақсартады және HVAC жабдықтарының жалпы қуатын азайтады, соның салдарынан энергия тұтынуды төмендетеді. ЭЖЖ жүйелері HVAC жүйесіне барлық жағдайларда 40–50% ішкі салыстырмалы ылғалдылықты сақтауға мүмкіндік береді. ЭЖЖ жүйедегі қысымның төмендеуін жеңу үшін желдеткішке қуат беру қажет, сондықтан энергияға шамалы талап туындайды. Жылуды қалпына келтіру жүйесі үйді желдетуге көмектеседі, сонымен қатар ішкі ортадан шығарылатын жылуды қалпына келтіреді. Жылуды қалпына келтіру жүйелерінің мақсаты – жылу энергиясын бір сұйықтықтан екінші сұйықтыққа, сұйықтықтан қатты денеге немесе қатты беттен сұйықтыққа әртүрлі температурада және жылулық байланыста беру болып табылады. Көптеген жылуды қалпына келтіру жүйелерінде сұйықтықтар мен сұйықтықтар немесе сұйықтықтар мен қатты денелер арасында тікелей өзара әрекеттесу болмайды. Кейбір жылуды қалпына келтіру жүйелерінде сұйықтықтардың арасындағы қысымның айырмашылығына байланысты сұйықтықтардың ағып кетуі байқалады, нәтижесінде екі сұйықтықтың қоспасы пайда болады.

Heat recovery ventilation (HRV), also known as mechanical ventilation heat recovery (MVHR) or energy recovery ventilation (ERV), is a ventilation system that recovers energy by operating between two air sources at different temperatures. It is used to reduce the heating and cooling demands of buildings. By recovering the residual heat in the exhaust gas, the fresh air introduced into the air conditioning system is preheated (or pre cooled) before it enters the room, or the air cooler of the air conditioning unit performs heat and moisture treatment. A typical heat recovery system in buildings comprises a core unit, channels for fresh and exhaust air, and blower fans. Building exhaust air is used as either a heat source or heat sink, depending on the climate conditions, time of year, and requirements of the building. Heat recovery systems typically recover about 60–95% of the heat in the exhaust air and have significantly improved the energy efficiency of buildings. Energy recovery ventilation (ERV) is the energy recovery process in residential and commercial HVAC systems that exchanges the energy contained in normally exhausted air of a building or conditioned space, using it to treat (precondition) the incoming outdoor ventilation air. The specific equipment involved may be called an Energy Recovery Ventilator, also commonly referred to simply as an ERV. An ERV is a type of air to air heat exchanger that transfers sensible heat as well as latent heat. Because both temperature and moisture are transferred, ERVs are described as total enthalpic devices. In contrast, a heat recovery ventilator (HRV) can only transfer sensible heat. HRVs can be considered sensible only devices because they only exchange sensible heat. In other words, all ERVs are HRVs, but not all HRVs are ERVs. It is incorrect to use the terms HRV, AAHX (air to air heat exchanger), and ERV interchangeably. During the warmer seasons, an ERV system pre cools and dehumidifies; during cooler seasons the system humidifies and pre heats. An ERV system helps HVAC design meet ventilation and energy standards (e. g., ASHRAE), improves indoor air quality and reduces total HVAC equipment capacity, thereby reducing energy consumption. ERV systems enable an HVAC system to maintain a 40 50% indoor relative humidity, essentially in all conditions. ERV's must use power for a blower to overcome the pressure drop in the system, hence incurring a slight energy demand. A heat recovery system helps keep a house ventilated while recovering heat being emitted from the inside environment. The purpose of heat recovery systems is to transfer the thermal energy from one fluid to another fluid, from one fluid to a solid, or from a solid surface to a fluid at different temperatures and in thermal contact. There is no direct interaction between fluid and fluid or fluid and solid in most heat recovery systems. In some heat recovery systems, fluid leakage is observed due to pressure differences between fluids, resulting in a mixture of the two fluids.

Тіркелген пластинкалы жылу алмастырғышы

Белгілі бір пластиналы жылу алмастырғыштарда қозғалмалы бөлшектер жоқ, олар бір-бірінен бөлінген және герметикалық жабық пластиналардың кезектесіп орналасқан қабаттарынан тұрады. Типтік ағын – көлденең ағын, ал пластиналардың көпшілігі қатты және өткізбейтін болғандықтан, нәтижесінде тек сезімді жылу алмасу жүреді. Келіп түсетін таза ауаның температурасын жылу немесе энергияны қайта қалпына келтіру ядросымен реттеуге болады. Бұл жағдайда ядро алюминийден немесе пластиктен жасалған. Ауаның ылғалдылығын су буын беру арқылы реттеуге болады. Бұл құрғату материалы немесе өткізгіш пластиналары бар айналмалы дөңгелек арқылы жүзеге асырылады. Энталпиялық пластиналар 2006 жылы Paul компаниясы, пассивті үйлерге арналған желдету жүйелерін жасаумен айналысатын мамандандырылған компания ұсынды. Бұл ылғалды өткізгіш материалдан жасалған қарсы ағынды ауа-ауа жылу алмастырғышы. Полимерлі бекітілген пластиналы қарсы ағынды энергияны қайта қалпына келтіру желдеткіштерін 1998 жылы Building Performance Equipment (BPE) компаниясы ұсынды – бұл тұрғын үйлерге, коммерциялық және өнеркәсіптік нысандарға арналған ауадан ауаға энергияны қайта қалпына келтіруді өндіретін компания. Бұл жылу алмастырғыштар энергияны үнемдеу және таза ауа беру мақсатымен қайта жаңарту ретінде де, жаңа құрылысқа балама ретінде де қолданылуы мүмкін. Жаңа құрылыс кезінде энергияны қайта қалпына келтіру жүйедегі қажетті жылу/суыту қуатын тиімді түрде төмендетуге мүмкіндік береді. Жалпы энергия үнемдеуінің пайыздық көрсеткіші құрылғының тиімділігіне (көбінесе 90% дейін сезімді жылу үшін) және ғимараттың географиялық еніне байланысты болады. Көп бөлімдерді пайдалану қажеттілігіне байланысты, бекітілген пластиналы энергия алмастырғыштар көбінесе жоғары қысым төмендеуімен және үлкен габариттерімен сипатталады. Жасырын жылуды көп мөлшерде беру мүмкін болмағандықтан, мұндай жүйелер суық климатта мұздануға бейім. Фин компаниясы RecyclingEnergy Int. Corp. патенттеген технология, ауаның ылғалдылығын пайдаланатын регенеративті пластиналы жылу алмастырғышқа негізделген, яғни циклдік конденсация және булану арқылы, мысалы, жасырын жылуды пайдаланып, жоғары жылдық жылу тиімділігін қамтамасыз етеді, сонымен қатар өзін-өзі тазалау/жуу әдісінің арқасында микробтардан таза пластиналарды қамтамасыз етеді. Сондықтан, бұл құрылғы жылу немесе энергияны қайта қалпына келтіру желдеткіші емес, энтальпияны қайта қалпына келтіру желдеткіші деп аталады. Компанияның патенттелген LatentHeatPump желдеткішінің энтальпияны қайта қалпына келтіру қабілеті жазда 33, ал қыста 15 COP құрайды. Пластиналы жылу алмастырғыштар – ең көп қолданылатын жылу алмастырғыштардың түрі және 40 жылдан бері дамып келеді. Жұқа металл пластиналар бір-біріне аз ғана аралықпен орналасады. Осы аралықтар арқылы екі түрлі ауа ағыны өтеді, олар бір-біріне жақын орналасқан. Жылу алмасу температураның бір ауа ағынынан екіншісіне пластина арқылы берілуі арқылы жүреді. Бұл құрылғылардың тиімділігі сезімді жылуды бір ауа ағынынан екіншісіне беруде 90% сезімді жылу тиімділігіне жеткен. Жоғары тиімділік пайдаланылатын материалдардың жоғары жылу өткізгіштігіне, жұмыс қысымы мен температура диапазонына байланысты.

Fixed plate heat exchangers have no moving parts, and consist of alternating layers of plates that are separated and sealed. Typical flow is cross current and since the majority of plates are solid and non permeable, sensible only transfer is the result. The tempering of incoming fresh air is done by a heat or energy recovery core. In this case, the core is made of aluminum or plastic plates. Humidity levels are adjusted through the transferring of water vapor. This is done with a rotating wheel either containing a desiccant material or permeable plates. Enthalpy plates were introduced in 2006 by Paul, a special company for ventilation systems for passive houses. A crosscurrent countercurrent air to air heat exchanger built with a humidity permeable material. Polymer fixed plate countercurrent energy recovery ventilators were introduced in 1998 by Building Performance Equipment (BPE), a residential, commercial, and industrial air to air energy recovery manufacturer. These heat exchangers can be both introduced as a retrofit for increased energy savings and fresh air as well as an alternative to new construction. In new construction situations, energy recovery will effectively reduce the required heating/cooling capacity of the system. The percentage of the total energy saved will depend on the efficiency of the device (up to 90% sensible) and the latitude of the building. Due to the need to use multiple sections, fixed plate energy exchangers are often associated with high pressure drop and larger footprints. Due to their inability to offer a high amount of latent energy transfer these systems also have a high chance of frosting in colder climates. The technology patented by Finnish company RecyclingEnergy Int. Corp. is based on a regenerative plate heat exchanger taking advantage of humidity of air by cyclical condensation and evaporation, e. g. latent heat, enabling not only high annual thermal efficiency but also microbe free plates due to self cleaning/washing method. Therefore, the unit is called an enthalpy recovery ventilator rather than heat or energy recovery ventilator. Company's patented LatentHeatPump is based on its enthalpy recovery ventilator having COP of 33 in the summer and 15 in the winter. Fixed plate heat exchangers are the most commonly used type of heat exchanger and have been developed for 40 years. Thin metal plates are stacked with a small spacing between plates. Two different air streams pass through these spaces, adjacent to each other. Heat transfer occurs as the temperature transfers through the plate from one air stream to the other. The efficiency of these devices has reached 90% sensible heat efficiency in transferring sensible heat from one air stream to another. The high levels of efficiency are attributed to the high heat transfer coefficients of the materials used, operational pressure and temperature range.

Фазалық ауысу материалдары

Фазалық өзгерістер материалдары, немесе ФӨМ, – бұл стандартты құрылыс материалдарына қарағанда жоғары сыйымдылықпен ғимарат құрылымында сезімтал және жасырын жылуды сақтауға арналған технология. ФӨМ-дер жылуды сақтау қабілеті және жүктемелік уақыттардағы жылу беру және салқындату қажеттіліктерін ең төменгі жүктемелік уақыттарға ауыстыру мүмкіндігіне байланысты кеңінен зерттелді. Ғимараттың жылу сыйымдылығының жылуды сақтау концепциясы, яғни ғимараттың физикалық құрылымы ауаны салқындатуға көмектесу үшін жылуды сіңіруі, бұрыннан белгілі және зерттелген. Дәстүрлі құрылыс материалдарымен ФӨМ-ді салыстыру нәтижесінде, бірдей температуралық диапазон шегінде ФӨМ-нің жылу сақтау сыйымдылығы стандартты құрылыс материалдарына қарағанда он екі есе жоғары екені анықталды. ФӨМ-дегі қысымның төмендеуі материалдың ауа ағындарына тигізетін әсерін бағалау үшін зерттелмеген. Дегенмен, ФӨМ-ді ғимарат құрылысына тікелей енгізуге болатындықтан, ол басқа жылу алмастырғыш технологиялар сияқты ағынға әсер етпейді, сондықтан ФӨМ-ді ғимарат құрылысына енгізуден қысымның төмендеуі туындамайды деп болжауға болады.

Маңыздылық

Жаһандық энергияның шамамен жартысы ғимараттарда қолданылады, ал ережелерге сәйкес, "терезені ашу" әдісімен жасалатын желдету жылу және салқындату шығындарының жартысына себеп болады. Екіншіден, энергияны өндіру және электр желісі энергияның ең жоғары сұранысын қанағаттандыру үшін құрылған. Тиімді желдетуді пайдалану үшін энергияны қайтару – бұл жаһандық энергия тұтынуды азайтудың, үй ішіндегі ауа сапасын жақсартудың, ғимараттарды және қоршаған ортаны қорғаудың тиімді, тұрақты және жылдам жолы.

Ауыстыру әдістері

Салқындату маусымында жүйе сырттан келетін ауаны салқындатып, ылғалдылығын азайтады. Бұл үшін жүйе бөлінген жылуды алып, оны шығарылатын ауа ағынына жібереді. Соның салдарынан, бұл ауа конденсаторды жылу шығарылмаған жағдайдағыдан төмен температурада суытады. Жылыту маусымында жүйе керісінше жұмыс істейді. Жылуды шығарылатын ауа ағынына шығарудың орнына, жүйе кіріс ауасын алдын ала қыздыру үшін шығарылатын ауа ағынынан жылуды алады. Бұл кезеңде ауа алдымен бірінші блоктан өтеді, содан кейін кондицияланатын кеңістікке түседі. Осындай жүйелерде салқындату маусымында шығарылатын ауаның температурасы сыртқы ауадан төмен, ал жылыту маусымында сыртқы ауадан жоғары болуы қалыпты жағдай. Дәл осы себепті жүйе тиімді және нәтижелі жұмыс істейді. Жылу коэффициенті (COP) жағдайлар нашарлаған сайын (яғни, салқындату үшін қызып, ылғалдырақ, ал жылыту үшін суық болған сайын) артады.

Тиімділік

ERV жүйесінің тиімділігі – екі ауа ағыны арасында берілген энергияның, жылу алмастырғышта тасымалданатын жалпы энергияға қатынасы. Нарықтағы өнімдердің әртүрлілігіне байланысты тиімділік те өзгеріп отырады. Кейбір жүйелердің жылу алмасу тиімділігі 70-80% құрайды, ал басқалары 50% дейін төмендеуі мүмкін. Бұл көрсеткіш негізгі HVAC жүйесінен артық болғанымен, өз класындағы басқа жүйелермен салыстырғанда кемшілік тудырады. Жылу беру тиімділігін 90% дейін арттыру мақсатында зерттеулер жүргізілуде. Бұл үшін кемінде механикалық шығару қажет, ал механикалық беру – міндетті емес; механикалық желдету туралы ақпаратты қараңыз. Бұл типтегі жылу сорғысының қуатын сақтау үшін белгілі бір ауа алмасу жылдамдығы қажет. Ішкі ауаның температурасы жыл бойы шамамен 20–22 градусқа дейін сақталады, сондықтан жылу сорғысының максималды қуаты маусым мен сыртқы температураға байланысты өзгере қоймайды. Жылу сорғысының компрессоры жұмыс істеп тұрғанда ғимараттан шығатын ауаның температурасы көбінесе -1° шамасында болады. Осылайша, қондырғы ауадан жылуды алады, оны жаңару қажет (сағатына шамамен жарты ауа алмасу жылдамдығымен). Үйге кіретін ауа, әдетте, қондырғы арқылы өңделген ауадан жылырақ болғандықтан, жалқы пайда болады. Бұл құрылғыларды үйдің дұрыс типінде ғана қолдану керек. Шығарылатын ауаның жылу сорғыларында минималды ағын мөлшері болады, сондықтан кішкентай пәтерге орнатылғанда ауа ағыны пәтерді тым көп желдетіп, қажетсіз сыртқы ауаны тарту арқылы жылу шығынын арттыруы мүмкін. Дегенмен, кейбір модельдер бұл мәселені шешу үшін қосымша сыртқы ауаны қабылдайды және осы ауаны компрессорға жіберіп, тым көп желдетудің алдын алады. Көптеген бұрынғы шығарылатын ауаның жылу сорғыларында ыстық суға және жылытуға берілетін жылу мөлшері шамамен 1,8 кВт құрайды, бірақ егер бұл көрсеткіш ғимараттың талаптарына жетпесе, суға батырылатын жылытқыштар немесе сыртқы газ қазандығы автоматты түрде қосылады. Суға батырылатын жылытқыштың қуаты айтарлықтай болуы мүмкін (егер дұрыс емес құрылғы таңдалса), ал 6 кВт суға батырылатын жылытқышы бар құрылғы толық қуатпен жұмыс істегенде сағатына 1 фунт стерлинг тұрады.

The efficiency of an ERV system is the ratio of energy transferred between the two air streams compared with the total energy transported through the heat exchanger. With the variety of products on the market, efficiency will vary as well. Some of these systems have been known to have heat exchange efficiencies as high as 70 80% while others have as low as 50%. Even though this lower figure is preferable to the basic HVAC system, it is not up to par with the rest of its class. Studies are being done to increase the heat transfer efficiency to 90%. This requires at least mechanical exhaust but mechanical supply is optional; see mechanical ventilation. This type of heat pump requires a certain air exchange rate to maintain its output power. Since the inside air is approximately 20–22 degrees Celsius all year round, the maximum output power of the heat pump is not varying with the seasons and outdoor temperature. Air leaving the building when the heat pump's compressor is running is usually at around −1° in most versions. Thus, the unit is extracting heat from the air that needs to be changed (at a rate of around a half an air change per hour). Air entering the house is of course generally warmer than the air processed through the unit so there is a net 'gain'. Care must be taken that these are only used in the correct type of houses. Exhaust air heat pumps have minimum flow rates so that when installed in a small flat, the airflow chronically over ventilates the flat and increases the heat loss by drawing in large amounts of unwanted outside air. There are some models though that can take in additional outdoor air to negate this and this air is also feed to the compressor to avoid over ventilation. For most earlier exhaust air heat pumps there will be a low heat output to the hot water and heating of just around 1.8 kW from the compressor/heat pump process, but if that falls short of the building's requirements additional heat will be automatically triggered in the form of immersion heaters or an external gas boiler. The immersion heater top up could be substantial ( if you select the wrong unit), and when a unit with a 6 kW immersion heater operates at the full output it will cost £1 per hour to run.

Мәселелер

2009-2013 жылдар аралығында Ұлыбританияда шамамен 15 000 жаңа әлеуметтік тұрғын үйлер салынды, онда NIBE EAHP-лер негізгі жылу жүйесі ретінде қолданылды. Тұрғын үй иелері мен тұрғын үй кооперативтерінің жалдамаға алған тұрғындары жоғары электр энергиясы есебінен қиын жағдайға тап болды. Кездік желдеткіштік жылу сорғыларының жоғары жұмыс шығындары осы құрылғылардың жылуды өте аз мөлшерде қайта қалпына келтіруіне байланысты қалыпты жағдай, және осыны күту керек. Әдетте, желдету ауа ағыны секундына шамамен 31 литрді құрайды, ал жылуды қалпына келтіру 750 Вт-тан аспайды. Жылыту және ыстық сумен қамтамасыз ету үшін қажетті барлық қосымша жылу электр энергиясынан алынады, яғни компрессордың электрлік кірісі немесе сумен қыздыру элементі арқылы. Сыртқы температура 0 градустан төмен түскенде, осы типтегі жылу сорғысы үйге берген жылудан гөрі көбірек жылуды сыртқа шығарып алады. Жыл бойы ауа-ыстық сорғысы бар үйге келіп түсетін энергияның шамамен 60% электр энергиясынан тұрады. Көптеген отбасылар әлі де EAHP жүйелерін сенімдірек және тиімдірек жылу жүйелерімен алмастыру үшін құрылыс компанияларымен күресіп жатыр, Ковентри тұрғындарының жетістіктеріне назар аударады.