Приточно-смукателна вентилация с рекуперация на топлина

Тъй като съвременният човек в Европа прекарва средностатистически 80-90% от времето си в затворени помещения, от особена важност за здравето и комфорта му са качеството на въздуха и микроклимата в тях. При все по-активно използваните енергийно ефективни техники за запечатване и изолиране на сградите, модерните вентилационни системи се разглеждат като решение за справяне със замърсителите, влагата и неприятните миризми, като едновременно с това предлагат възможност за подобряване ефективността на ОВК системите и намаляване на топлинните загуби. Добрата вентилационна система трябва да предоставя баланс между качеството на въздуха и енергийната ефективност. В този материал ще разгледаме особеностите на една такава система – приточно-смукателна вентилация с оползотворяване на топлина.

Всички искат комфорт вкъщи, на работното място, в спортната зала и на местата за отдих, забавления и обучение. Необходимo условие за това е постоянен приток в помещенията на свеж въздух и отвеждане на отработения въздух. Днес хората са фокусирани върху максимални икономии на енергия и залагат на покриви и стени с висока степен на топлоизолация, а вратите и прозорците са окомплектовани с уплътнители. Много често помещенията, завършени със съвременни материали, се оказват херметично затворени, заради което функциите на вентилационните канали се нарушават. Въздухът в помещенията в такива случаи може да стане застоял, със замърсители, неприятни миризми и болестотворни микроорганизми.

За да се справим с това, трябва да използваме подходяща вентилация. Но каква вентилация да изберем, за да запазим сградата енергийно ефективна? В съвременните сгради енергийните загуби от вентилацията достигат 50% от общите топлинни загуби. За да е енергийно ефективна сградата, не е достатъчно само да е изолирана с подходящите материали. Освен това е необходимо запазената в сградата топлина (енергия) да не излиза с изходящия въздух, а да се върне обратно в помещенията чрез оползотворяване от вентилацията. Затова редица специалисти считат, че оптималното решение е система с рекуперация – оползотворяване на отпадната енергия от отработен въздух за затопляне или охлаждане на приточен. Продължителността на сезона за отопление/охлаждане в енергийно ефективни сгради с такива вентиалционни системи може да се намали с месец.

Оползотворяване вместо загуба на енергия
Вентилационните системи изразходват значителни количества енергия, за да подгряват влизащия отвън въздух през отоплителния сезон. През лятото пък се налага охлаждане. Впоследствие енергията се губи при изтичане на въздуха навън. За да се избегнат тези енергийни загуби, могат да се използват решения за регенериране на топлината от отработения въздух и използването й за затопляне/охлаждане на влизащия свеж въздух отвън. В топлообменник (рекуператор) изхвърляният въздух отдава енергията си на постъпващия. Пресният въздух се подава при много ниски скорости и не се усещат течения. Делът на отпадъчната топлина, която е полезно възстановена в процеса, показва топлинното к.п.д. на системата за възстановяване на отпадъчна топлина и се изразява в проценти. Тези системи работят най-ефективно в херметически затворени сгради, където цялата вентилация се осъществява чрез топлообменник.

Широко използвани в Западна Европа, вентилационните системи с оползотворяване на топлина, допринасят за постигане на сгради с ниво на топлинни загуби 5-10 пъти по-ниско в сравнение с конвенционалните жилища. Поради възстановяване на топлината на изходящия въздух може да се спестят до 70% от разходите за отопление и по този начин системата се изплаща за кратки срокове - обикновено 3-5 години.

Принцип на работа и елементи на системата
Работата на приточно-смукателаната вентилационна система с рекуперация на енергия се основава на естествени процеси. Тази система работи на принцип, подобен на дишането през шал, когато влагата и топлината на издишвания въздух се отдават на шала, а при вдишвания въздух се връща част от излъчената топлина. При това се извършва не само топлообмен, но и масов обмен. Във вентилационните системи, които разглеждаме, вместо шал се използва рекуператор, а ролята на белите дробове се изпълнява от вентилатори. Такава система, за разлика от конвенционални вентилационни системи, подава свеж и климатизиран въздух в помещенията, без значение какво е времето навън и без използване на допълнителна електрическа или топлинна енергия. Инсталацията има специални въздушни филтри, които задържат микрочастиците прах от улицата, да не попадат във въздуха в помещенията.

Топлият въздух се изтегля от въздушните отвори в най-влажните помещения (кухня, баня, тоалетна, мокро помещение и т.н.) и чрез въздуховоди се отделя извън сградата. Но преди да напусне сграда той преминава през топлообменник, където оставя част от топлината си. С тази топлина се загрява влизащия въздух отвън. Той също преминава през топлообменника, но в обратна посока, към помещенията. Така в помещенията се осъществява постоянна циркулация на въздух.

Приточно-смукателните вентилационни системи с рекуперация на топлина са с различни мощности и размери. Това зависи от обема на вентилируемото помещение и функционалното му предназначение. Най-простата система представлява набор от взиамосвързани елементи, които са термо- и шумоизолирани, затворени в стоманен корпус – топлообменник, два вентилатора, филтри, понякога и подгряващ елемент, система за отделяне на конденз и въздуховоди. В процеса на работа в топлообменника протичат два въздушни потока – вътрешен и външен, които не се смесват. В зависимост от конструкцията се отличават няколко типа рекуператори.

Най-предвидливите проектират сградите си с две вентилационни системи: гравитационна (естествена) и механична с възстановяване на топлина (принудителна). Естествената вентилациионна система в този случай действа като аварийна при неизправност на приточно-смукателанта и се използва главно в неотоплителния период. Важно е гравитационните тръби да бъдат затворени по време на действие на механичната вентилация, в противен случай ефективността на системата се губи.

Пластинчати рекуператори
При пластинчатите топлообменници изпусканият и подаваният въздух са от двете страни на редица от пластини. В пластините на рекуператора може да се образува конденз, който трябва да се събира и отделя. Събирането става в кондензаторен колектор (вана) със затваряне, за да се избегне улавяне на вода от вентилатора и попадане на капки във вентилационния канал. Събирането на конденз е предпоставка за образуване на лед, и следователно ще е необходима система за размразяване. Рекуперацията на топлина може да се регулира с помощта на байпасен клапан, който контролира потока на въздуха, преминаващ през топлообменника. Пластинчатият рекуператор няма движещи се части. Той се характеризира с висока ефективност (50-90%).

Ротационни рекуператори
Друг тип топлообменници са роторните. При тях топлината се прехвърля чрез въртящ се между приточния и отделящия канал ротор. Тази система е отворена и затова при нея съществува голям риск замърсители и миризми да се примесят от отработения в приточния въздух. Това може да се избегне при правилно разполагане на вентилаторите. Нивото на рекуперация на топлината може да се регулира чрез скоростта на въртене на ротора. При тези топлообменници има движещи части, характеризират се с висока ефективност (75-85%) и рискът от замръзване е малък.

Байпасни рекуператори
Има и рекуператори с междинен топлоносител, т.нар. байпасни системи. Те функционират като охлаждаща течност (вода или разтвор на вода и гликол, използван заради ниската му точка на замръзване) циркулира между два топлообменника, единият от които се намира в изпускателния въздуховод, а другият – на входа на въздуховода за доставка. Топлоносителят се нагрява от отработения въздух в единия топлообменник, а след това чрез помпа се пренася към другия топлообменник, където предава топлината си на подавания в помещението въздух. Така външният въздух се затопля, оползотворявайки отпадната топлина, която иначе би трябвало да се замести от основните нагреватели на въздуха в сградата.

Когато е необходимо охлаждане в сградата, топлообменникът в изходящия канал охлажда топлоносителя от излизащия въздух, а после в топлообменника на входния въздуховод топлоносителят предварително охлажда свежия въздух, преди да премина през основните въздухоохладители в сградата. Охлаждащата течност циркулира в затворена система и не съществува опасност от предаване на замърсители от изпускания въздух в свежия. Трансферът на топлина може да се регулира чрез промяна на скоростта на циркулиране на охлаждащата течност. Тези рекуператори са без движещи се части и са с ниска ефективност (45-60%). Използват се предимно в проекти, където входящите и изходящите въздуховоди са раздалечени.

Камерни рекуператори
Този тип топлообменници представляват камери, разделени на две части, в които се осъществява прехода на въздушните потоци, а връзката между тях става с клапа. Изходящият въздух нагрява едната част на камерата, след което клапата променя направлението на въздушния поток така, че приточният въздух да се нагрява от затоплената част на камерата. В този процес е възможен пренос на миризми и замърсители от изхвърляния в приточния въздух. Единствената подвижна част на този рекуператор е клапата. Такъв агрегат се характеризира с висока ефективност (80-90%).

Топлообменни тръби
Рекуператорите от този вид се състоят от една затворена тръбна система, изпълнена с фреон, който се изпарява при нагряване от отработения въздух. Когато подавания въздух преминава по протежение на тръбите, той се затопля, а парата кондензира и се превръща отново в течност. Тук няма прехвърляне на замърсители между потоците. Тръбните рекуператори нямат движещи се части, но са със сравнително ниска ефективност (50-70%).

Вентилатори
Обезпечаването на необходимото движение на въздуха (дебит) във вентилационните системи се осъществява с вентилатори – приточни и смукателни, въпреки че има и системи с интегрирани приточно-смукателни вентилатори, захранвани от един двигател. Според начина на движение на въздуха през тях, вентилаторите са центробежни и аксиални. При центробежните въздухът променя посоката си и при навлизане и при излизане от вентилатора, а при аксиалните въздухът влиза и излиза без да променя посоката си. Обикновено вентилаторите имат три степени на оборотите си – нормална, ниска и максимална. Ниската степен се използва нощно време или при отсъствие на хора в сградата, а максималната – при необходимост от най-високо ниво на въздухообмен.

Работата на вентилаторите може да се управлява автоматично. Контролните панели обикновено се монтират на закрито, на места удобни за ползване. Програматори за временни интервали обезпечават определен режим на скорост на въртене на вентилатора за денонощие или седмица. В допълнение, някои съвременни модели могат да бъдат интегрирани в системата на "интелигентния дом" и да се управляват от централен компютър. Работата по възстановяване на топлината може да зависи и от нивото на влажност в помещенията, което изисква инсталиране на подходящи сензори и свързване на работата на вентилаторите с информацията от тях.

Филтри
Въздухът, идващ отвън, трябва да влиза в помещенията само след преминаване през филтър. Обикновено в рекуператорите се поставят филтри, задържащи замърсявания с размер на частиците до 0.5 микрона. Такъв филтър съответства на клас EU7 съгласно DIN или F7 в съответствие с европейските стандарти. По този начин, филтърът задържа прах, гъбични спори, цветен прашец, сажди и други. Тази функция на системата е много високо ценена от страдащите от алергии.

В същото време в системата за отработени газове също има филтър преди топлообменника. Той обикновено е от по-нисък клас - EU3 (G3), но предпазва топлообменника от замърсители, които идват заедно с отстранявания от помещенията въздух. Съвременните филтри са изработени от синтетични материали. Те могат да бъдат за еднократна или многократна употреба. Тези, които се ползват многократно, са направени от лесно почистващи се материали. Някои филтри имат датчици за замърсяване, които при достигане на определен праг на замърсяване сигнализират за необходимостта от смяна или почистване на филтъра.

Нагреватели
Ситуации, в които подавания в помещенията въздух се нагрява достатъчно от отпадната топлина на изхвърляния, са идеални. В практиката обаче има случаи, когато това не може да се постигне. Например при много ниски външни температури, независимо от ефективността на топлообменника, входящият въздух не може да достигне подходяща температура само в него. Тогава рекуператорът трябва да използва електрическа система за допълнително подгряване. Практиката показва, че допълнително отопление на свежия въздух се налага, когато външната температура падне под -10оС. Нагревателният елемент се активира и контролира автоматично в зависимост от програмата, ако възстановената топлина не е достатъчна за предварително загряване на подавания въздух в съответствие с определените параметри. Мощността и размерите на нагревателите зависят от параметрите на цялата система.

Въздуховоди
Монтажът на вентилационната система се изпълнява по-лесно в новострояща се сграда, отколкото във вече съществуваща, защото в първия случай се проектира като част от целия инвестиционен процес и разположението на въздуховодите може да се предвиди най-добре. Обикновено те се поставят на неизползвани тавани, в мазета, котелни и спомагателни помещения. Важно е да са на сухо място с положителни температури. Въздухопроводите в неотопляеми площи трябва да бъдат изолирани. На закрито те обикновено се монтират в окачен таван.

В практиката се използват различни въздуховоди, като най-използвани са лесните за инсталиране алуминиеви и пластмасови гъвкави канали под формата на тръби, подсилени със стоманена тел. Тръбите могат да бъдат изолирани с минерална вата. Могат да са с кръгло, правоъгълно или квадратно сечение. Вентилационните решетки обикновено се монтират в стените или тавана. Специалистите препоръчват като най-удобен вариант да се използват дифузори за регулиране на въздушния поток, въпреки че най-често за тази цел все още се използва конвенционална решетка. Улавянето на свеж входящ въздух трябва да се извършва от места, където нивата на замърсяване са най-ниски.