Рекуперация тепла в зданиях: методы и системы

Введение

Метод повторного использования тепловой энергии в здании

Вентиляция с рекуперацией тепла (ВРТ), также известная как механическая вентиляция с рекуперацией тепла (МВРТ) или вентиляция с рекуперацией энергии (ЭРВ), – это система вентиляции, которая восстанавливает энергию, работая с двумя источниками воздуха разной температуры. Она используется для снижения затрат на отопление и охлаждение зданий. За счет восстановления остаточного тепла в вытяжном воздухе, приточный воздух предварительно нагревается (или предварительно охлаждается) перед подачей в помещение, либо воздухоохладитель системы кондиционирования выполняет обработку по температуре и влажности. Типичная система рекуперации тепла в зданиях состоит из основного блока, каналов для приточного и вытяжного воздуха, а также вентиляторов. Вытяжной воздух здания используется в качестве источника тепла или теплоотвода, в зависимости от климатических условий, времени года и требований к зданию. Системы рекуперации тепла обычно восстанавливают от 60 до 95% тепла вытяжного воздуха, значительно повышая энергоэффективность зданий. Вентиляция с рекуперацией энергии (ЭРВ) – это процесс восстановления энергии в жилых и коммерческих системах ОВКВ, который обменивает энергию, содержащуюся в обычно удаляемом воздухе из здания или кондиционируемого помещения, используя ее для обработки (предварительного кондиционирования) поступающего наружного воздуха. Конкретное оборудование, используемое в этом процессе, может называться рекуператором энергии, также часто именуемым просто ЭРВ. ЭРВ – это тип воздушно-воздушного теплообменника, который передает как чувствительное, так и скрытое тепло. Поскольку передаются как температура, так и влажность, ЭРВ описываются как устройства, работающие с полной энтальпией. В отличие от этого, вентилятор с рекуперацией тепла (ВРТ) может передавать только чувствительное тепло. ВРТ можно считать устройствами, работающими только с чувствительным теплом, поскольку они обмениваются только чувствительным теплом. Иными словами, все ЭРВ являются ВРТ, но не все ВРТ являются ЭРВ. Некорректно использовать термины ВРТ, AAHX (воздушно-воздушный теплообменник) и ЭРВ как взаимозаменяемые. В теплый сезон система ЭРВ предварительно охлаждает и осушает воздух; в холодный сезон система увлажняет и предварительно нагревает. Система ЭРВ помогает проектированию систем ОВКВ соответствовать стандартам вентиляции и энергоэффективности (например, ASHRAE), улучшает качество воздуха в помещении и снижает общую мощность оборудования ОВКВ, тем самым сокращая потребление энергии. Системы ЭРВ позволяют системе ОВКВ поддерживать относительную влажность в помещении на уровне 40–50%, практически при любых условиях. ЭРВ требуют электроэнергии для работы вентилятора, необходимого для преодоления перепада давления в системе, что приводит к небольшому энергопотреблению. Система рекуперации тепла помогает поддерживать вентиляцию в доме, восстанавливая тепло, выделяемое внутренней средой. Цель систем рекуперации тепла – передача тепловой энергии от одной жидкости к другой жидкости, от жидкости к твердому телу или от твердой поверхности к жидкости при разных температурах и при тепловом контакте. В большинстве систем рекуперации тепла отсутствует прямое взаимодействие между жидкостями или между жидкостью и твердым телом. В некоторых системах рекуперации тепла наблюдается утечка жидкости из-за разницы давления между жидкостями, что приводит к их смешиванию.

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.

Фиксированный пластинчатый теплообменник

Фиксированные пластинчатые теплообменники не имеют движущихся частей и состоят из чередующихся слоев пластин, разделенных и герметизированных. Типичный поток – это поперечный, и поскольку большинство пластин твердые и непроницаемые, результатом является только передача тепла, обусловленная разностью температур. Подогрев поступающего свежего воздуха осуществляется тепло- или энерговосстановителем. В этом случае восстановитель изготовлен из алюминиевых или пластиковых пластин. Уровень влажности регулируется посредством переноса водяного пара. Это достигается с помощью вращающегося колеса, содержащего либо влагопоглощающий материал (осушитель), либо проницаемые для влаги пластины. Энтальпические пластины были представлены в 2006 году компанией Paul, специализирующейся на вентиляционных системах для пассивных домов. Это теплообменник воздуха-воздуха с противоточным и поперечным потоками, изготовленный из материала, проницаемого для влаги. Полимерные фиксированные пластинчатые энерговосстановители с противоточным потоком были разработаны в 1998 году компанией Building Performance Equipment (BPE) – производителем систем рекуперации энергии воздуха-воздуха для жилых, коммерческих и промышленных зданий. Эти теплообменники могут быть установлены как при модернизации для повышения энергоэффективности и притока свежего воздуха, так и в качестве альтернативы новому строительству. В новых зданиях рекуперация энергии эффективно снижает требуемую мощность системы отопления/охлаждения. Процент общей экономии энергии зависит от эффективности устройства (до 90% по тепловому потоку, обусловленному разностью температур) и географической широты здания. Из-за необходимости использования нескольких секций, фиксированные пластинчатые энергообменники часто характеризуются высоким перепадом давления и большими габаритами. В связи с их неспособностью обеспечивать значительный перенос скрытой теплоты, эти системы также подвержены обледенению в холодном климате. Технология, запатентованная финской компанией RecyclingEnergy Int. Corp., основана на регенеративном пластинчатом теплообменнике, использующем влажность воздуха посредством циклической конденсации и испарения, то есть скрытой теплоты, что обеспечивает не только высокую годовую тепловую эффективность, но и пластины, свободные от микроорганизмов, благодаря методу самоочистки/самопромывки. Поэтому устройство называется вентилятором восстановления энтальпии, а не вентилятором восстановления тепла или энергии. Запатентованный компанией LatentHeatPump тепловой насос, основан на вентиляторе восстановления энтальпии с COP 33 летом и 15 зимой. Фиксированные пластинчатые теплообменники – наиболее распространенный тип теплообменников, разработки которых ведутся уже 40 лет. Тонкие металлические пластины укладываются друг на друга с небольшим зазором между ними. Через эти зазоры проходят два различных потока воздуха, расположенные рядом друг с другом. Передача тепла происходит за счет передачи температуры через пластину от одного потока воздуха к другому. Эффективность этих устройств достигает 90% по тепловому потоку, обусловленному разностью температур, при передаче тепла от одного воздушного потока к другому. Высокий уровень эффективности обусловлен высокими коэффициентами теплопередачи используемых материалов, рабочим давлением и температурным диапазоном.

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.

Материалы для фазовых смен

Материалы с фазовым переходом, или PCM, – это технология, используемая для аккумулирования ощутимого и скрытого тепла в конструкции здания с большей ёмкостью хранения, чем у стандартных строительных материалов. Материалы с фазовым переходом (PCM) широко изучались благодаря их способности накапливать тепло и переносить потребности в отоплении и охлащении с пиковых периодов на периоды вне пиковой нагрузки. Концепция тепловой массы здания для хранения тепла, заключающаяся в том, что физическая структура здания поглощает тепло для охлаждения воздуха, давно известна и исследована. Сравнение PCM с традиционными строительными материалами показало, что теплоаккумулирующая способность PCM в двенадцать раз выше, чем у стандартных строительных материалов в одном и том же температурном диапазоне. Перепад давления в PCM не исследовался, что не позволяет оценить влияние материала на воздушные потоки. Однако, поскольку PCM может быть интегрирован непосредственно в конструкцию здания, это не повлияет на поток так, как другие технологии теплообмена, и можно предположить, что включение PCM в конструкцию здания не вызывает потерь давления.

Важность

Почти половина мировой энергии потребляется в зданиях, а половина затрат на отопление и охлаждение обусловлена вентиляцией, осуществляемой методом "открытого окна" согласно нормативным требованиям. Кроме того, генерация энергии и энергосистемы создаются для удовлетворения пикового спроса на электроэнергию. Правильная вентиляция с рекуперацией тепла – это экономически выгодный, устойчивый и быстрый способ снизить глобальное потребление энергии, улучшить качество воздуха в помещениях (IAQ) и защитить здания и окружающую среду.

Способы передачи

В течение сезона охлаждения система работает на охлаждение и осушение поступающего наружного воздуха. Для этого система отводит тепло и направляет его в вытяжной воздушный поток. В результате, этот воздух охлаждает конденсаторную змеевику при более низкой температуре, чем если бы отводимое тепло не поступало в вытяжной поток. В течение сезона отопления система работает в обратном режиме. Вместо того, чтобы отводить тепло в вытяжной воздушный поток, система извлекает тепло из вытяжного потока для предварительного нагрева поступающего воздуха. На этом этапе воздух проходит через первичный блок, а затем поступает в кондиционируемое помещение. Для данного типа системы нормально, чтобы в сезон охлаждения вытяжной воздух был холоднее приточного, а в сезон отопления – теплее. Именно поэтому система работает эффективно. Коэффициент преобразования (COP) увеличивается по мере усиления экстремальных условий (то есть, чем жарче и влажнее для охлаждения и чем холоднее для отопления).

Эффективность

Эффективность системы ERV – это отношение энергии, передаваемой между двумя воздушными потоками, к общей энергии, транспортируемой через теплообменник. В связи с разнообразием представленных на рынке продуктов, эффективность также будет варьироваться. Известно, что некоторые из этих систем достигают эффективности теплообмена до 70–80%, в то время как другие – до 50%. Хотя эта более низкая величина предпочтительнее, чем у базовой системы HVAC, она уступает остальным системам в своем классе. Ведутся исследования по увеличению эффективности теплопередачи до 90%. Для этого требуется как минимум механический вытяжной вентилятор, но механический приточный вентилятор является необязательным; см. раздел о механической вентиляции. Этот тип теплового насоса требует определенного воздухообмена для поддержания выходной мощности. Поскольку температура внутреннего воздуха составляет примерно 20–22 градуса Цельсия в течение всего года, максимальная выходная мощность теплового насоса не зависит от сезона и температуры наружного воздуха. Воздух, покидающий здание при работающем компрессоре теплового насоса, обычно имеет температуру около -1°C в большинстве моделей. Таким образом, устройство извлекает тепло из воздуха, который необходимо обновить (со скоростью примерно в половину объема воздуха в час). Поступающий в дом воздух, конечно, обычно теплее, чем воздух, проходящий через устройство, поэтому наблюдается чистый "выигрыш". Необходимо следить за тем, чтобы эти системы использовались только в подходящих типах домов. Тепловые насосы с рекуперацией тепла выхлопных газов имеют минимальную производительность по расходу воздуха, поэтому при установке в небольшой квартире воздушный поток может привести к хронической перевентиляции и увеличению теплопотерь из-за притока большого количества нежелательного наружного воздуха. Однако некоторые модели могут принимать дополнительный наружный воздух для компенсации этого эффекта, который также подается в компрессор для предотвращения чрезмерной вентиляции. Для большинства ранних тепловых насосов с рекуперацией тепла выходная тепловая мощность для нагрева воды и отопления составляет всего около 1,8 кВт от процесса компрессии/теплового насоса, но если этого недостаточно для удовлетворения потребностей здания, автоматически включается дополнительный нагрев в виде погружных нагревателей или внешнего газового котла. Дозаправка водонагревателя может быть значительной (если выбран неподходящий блок), и работа блока с погружным нагревателем мощностью 6 кВт на полной мощности обойдется в 1 фунт стерлингов в час.

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.

Проблемы

В период с 2009 по 2013 год в Великобритании было построено около 15 000 новых социальных домов, в которых тепловые насосы NIBE EAHP использовались в качестве основного источника отопления. Владельцы и арендаторы жилищных ассоциаций сообщали о непомерно высоких счетах за электроэнергию. Высокие эксплуатационные расходы характерны для тепловых насосов, использующих вытяжной воздух, и должны быть ожидаемыми из-за крайне низкой рекуперации тепла в этих устройствах. Как правило, объем вентиляционного потока составляет около 31 литра в секунду, а рекуперация тепла – 750 Вт, не более. Вся дополнительная энергия, необходимая для отопления и горячего водоснабжения, поступает от электричества, либо в виде электрической мощности, потребляемой компрессором, либо от электрического нагревателя. При наружной температуре ниже 0 градусов Цельсия этот тип теплового насоса отбирает из дома больше тепла, чем отдает. В течение года около 60% всей энергии, потребляемой в доме с тепловым насосом вытяжного воздуха, приходится на электроэнергию. Многие семьи продолжают добиваться от застройщиков замены своих систем EAHP на более надежные и эффективные системы отопления, ссылаясь на положительный опыт жителей Ковентри.