Системы рекуперации и теплоутилизации — это реальная экономия денег при эксплуатации систем вентиляции или просто распил бюджета на дополнительное оборудование?
В нескольких предыдущих статьях было достаточно подробно разобрано положение дел с вентиляцией и кондиционированием в офисах.
https://habr.com/ru/articles/729574/
https://habr.com/ru/articles/732144/
https://habr.com/ru/articles/738644/
https://habr.com/ru/articles/736140/
https://habr.com/ru/articles/740766/
Так выяснилось, что в офисах круглогодично теплоизбытков достаточно, чтобы даже зимой требовалось включать кондиционирование на полную мощность.
При этом даже приток холодного воздуха с улицы на вентиляцию по нормам не способен полностью снять теплоизбытки от людей и компьютеров.
При зимней работе системы кондиционирования получается парадоксальная ситуация, что огромные потоки тепла из офисов выбрасываются на улицу без всякой пользы, при этом системы приточной вентиляции тратят сопоставимые количества тепла на нагрев приточного воздуха.
Тут неизбежно встаёт закономерный вопрос: Можно ли как- то закольцевать эти тепловые потоки, чтобы не тратить лишнее тепло на нагрев приточного воздуха, не выбрасывая без пользы тепло от системы кондиционирования?
Ответ: Да, можно!
Таки системы существуют, и их называют «системами ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИИ».
В случае с большими офисными зданиями, такие системы закладываются в проект уже на стадии проектирования, чтобы заранее можно было бы ощутить будущую выгоду на стадии инвестиционного планирования.
Но именно в этот момент и возникает вопрос.
Какую реальную экономическую выгоду несут системы «теплоутилизации»?
Оказывается, что очевидный для обывателя вопрос экономии «тепла» не является таким же очевидным на уровне «денег».
Так физическое тепло из некого воздушного потока не всегда можно перевести в деньги в своём кармане напрямую. Для такого перевода теплового потока из одной технической системы в другую нужно установить дополнительное оборудование, которое само по себе стоит денег, а значит резко понижает рентабельность процедуры «теплоутилизации» как таковой.
Оценка экономических затрат на вентиляцию и кондиционирование стандартного модуля офиса 6х6м
Попробуем оценить экономическую эффективность процесса «теплоутилизации» на примерах всё того же стандартного модуля 6х6м в офисе с присутствующими там шестью людьми и суммарными теплоизбытками 3кВт.(см.рис.1)
Рис.1. Стандартный модуль офиса размером 6х6м с шестью рабочими местами для людей.
Для начала нужно обозначить стоимость энергии как таковой.
Тепло от газовой котельной.
Если у вас собственная газовая котельная, то при цене газа около 8 руб/м3 вам тепло будет обходиться менее 1руб/кВт*ч с учётом амортизации самой котельной.
Тепло от городской тепловой сети МОЭК.
Для Москвы стоимость «тепла» из городской системы теплоснабжения составляет около 2,5 руб/кВт*ч или 2912руб/Гкал.
В платёжках за отопление в наших квартирах присутствует тариф именно в тех самых «Гкал».
Это вполне оправдано технически, так как тепловая сеть оперирует расходами воды нагретыми на сколько-то градусов, что и является смыслом величины «калория».
1 Калория= 1грамму воды нагретому на 1 градус Цельсия.
Стоимость электричества.
Стоимость электроэнергии в Москве составляет около 6,5руб/кВт*ч.
То есть в пересчёте на «тепло» 6,5 руб стоить количество тепла, которое выделится при работе электронагревателя 1кВт в течении 1 часа.
Величины «кВт*ч» и «Гкал» связываются друг с другом через величину теплоёмкости воды.
Св=4,19 кДж/кг*град
То есть для нагрева 1 кг воды на 1 градус Цельсия потребуется энергия 4,19кДж=1000кал
1Гкал= 10^9 кал (один миллиард калорий)
1Гкал= 10^9*4,19/3600=1,16 *10^6 Вт*ч=1,16 МВт*ч
Теплопоптребление офисного модуля 6х6м на вентиляцию в деньгах
Предположим, что наш офис управляется по эталонному нормативу и здравому смыслу, что позволяет нам проветривать помещение с интенсивностью 40м3/ч на человека.
40м3/ч на человека — это допустимая и рекомендованная МГЭ (московской государственной экспертизой) норма по вентиляции для помещений с открываемыми окнами.
Тогда на модуль 6х6 м с 6 людьми мы будем вынуждены подавать 6*40=240м3/ч.
Для нагрева 240м3/ч от уличных минус-26С до нормативных +20С нам потребуется мощность
N=240*1,2*(20+26)/3600= 3,68кВт
Где 1,2- это объёмная теплоёмкость воздуха 1,2кДж/м3*С, а 3600- это количество секунд в 1 часе.
Получается, что количество теплоизбытков в офисе (3кВт) практически точно совпадает с максимальной потребностью приточной вентиляции (3,7кВт) при нагреве приточного воздуха до расчётной комнатной температуры +20С в самый лютый расчётный зимний холод минус-26С.
Теперь посчитаем затраты денег на нагрев приточного воздуха от систем городского теплоснабжения по тарифу 2,5руб/кВт*ч
Так за 10 часов офисного дня будет потрачено:
Еден=2,5*3,7*10=93 руб
Отопительный сезон длится 7 месяцев, а в месяце в среднем 22 рабочих дня, при этом ещё и температура на улице за отопительный сезон составляет в среднем всего минус -3,6С, а не расчётные по номиналу минус-26С.
В итоге получаем расход денег на нагрев вентиляции за отопительный сезон:
Е сез=93*7*22*(20+3,6)/(20+26)= 7347 руб/год.
Именно эту сумму денег мы должны заплатить МОЭК за городское тепло за отопительный сезон, и именно её мы и можем съэкономить мерами «теплоутилизации» за год.
Стоимость работы кондиционера
Теперь посчитаем какую сумму мы потратим на работу кондиционера для снятия указанных ранее постоянных офисных теплоизбытков 3кВт.
Считаем, что в нашем офисном модуле 6х6м установлен стандартный сплит-кондиционер мощностью ровно в 3кВт.
Сравнение со сплит-кондиционером вызвано тем, что именно они являются самым дешёвым вариантом кондиционирования.
Более сложные системы типа водяные «чиллер –фанкойл» или фреоновые «VRF –системы» будут значительно дороже в пересчёте на один киловатт холодильной мощности.
При этом у сплит-кондиционера сравнительно высокий холодильный коэффициент Кх=3.
То есть для снятия теплового потока 3кВт он потребляет всего N=3кВт/Кх= 1кВт.
При этом кондиционер работает непрерывно все 10 часов рабочего дня те же 22 дня в месяц 7 месяцев отопительного сезона.
Тогда при цене электричества 6,5руб/кВт*ч это обойдётся за сезон в сумму
Еэл=1*6,5*10*22*7=10010 руб/сез.
То есть за зимний отопительный сезон будет потрачено 10 тыс. рублей на электричество для работы кондиционера.
Это почти в 1,3 раза больше, чем стоимость городского тепла на нагрев прямоточной вентиляции.
Кроме стоимости электричества нужно учитывать и амортизацию (износ) оборудования.
Так при средней стоимости сплит-системы около 80тыс.руб (см.рис.2) и ресурсом около 10тыс.часов (10 лет работы в течении 4 летних месяцев по 8 часа в день), то за один час работы кондиционер съест амортизацию н.
80тыс.руб/10тыс.ч.=8руб/час
За отопительный сезон расход на амортизацию сплит-системы составит:
Е аморт=8*10*7*22=12320 руб./сезон
Стоимость амортизации превысила расходы на электричество!
Таким образом за отопительный сезон кондиционер сожрёт более 10+12=22тыс.руб.
Получается, что система кондиционирования – это дорогое удовольствие, которое нужно как-то удешевлять.
При этом включать кондиционер зимой даже с учётом «теплоутилизации»- это сущее разорение, а не бизнес.
Рис.2. Технические и ценовые характеристики сплит-системы на мощность охлаждения 3кВт.
Теплоутилизация в целях экономии денег.
Посчитав затраты денег на нагрев притока теплом от МОЭК и теплом за счёт работы сплит кондиционера мы получили парадоксальный результат, что кондиционер включать зимой нужно как можно реже. То есть для целей экономии тепла нужно не выкачивать тепло из офиса за счёт кондиционера, а закачивать в офис бесплатный холод с улицы за счёт приточной вентиляции без нагрева.
Именно такое решение (в виде системы локального притока с фасада) было рассмотрено в предыдущей мое статье:
«Локальные приточные системы с привязкой к фасаду для жилых и офисных зданий»
https://habr.com/ru/articles/740766/
Для экономии денег в зимнее время выгодно поднимать температуру в офисе за счёт теплоизбытков, что позволяет не только обеспечить эффективный подмес холодного притока, но и повысит теплопотери здания за счёт перегретых внешних ограждений.
При этом система отопления с термостатическим клапанами в перегретом офисе самостоятельно отключится, добавив экономию тепла и денег за счёт сниженния расходов на отопление от внешнего источника.
В зависимости от типа и степени остекления (от 22% до 100% остекления фасада) расход тепла на отопление модуля 6х6м в офисе может колебаться в рамках 0,6-1,5кВт.
Тогда экономия на нагреве вентиляционного притока с номиналом 3,7кВт может быть дополнена экономией на отоплении до 1,5кВт.
В итоге если только на вентиляции экономия может достигнуть 7 тыс.руб за сезон, то с учётом экономии на отоплении ( номинальные теплопотери 1,5кВт для сплошного остекления) суммарная экономия поднимется до 9 тыс.руб/сезон.
Если учесть, что систему локального притока можно собрать за 15-20тыс.руб (см.рис.3-4), то такая система себя окупит всего за один сезон только за счёт возможности не включать кондиционер зимой, не говоря уже о 7-9 тыс.руб экономии на отоплении и вентиляции.
Рис.3. Канальный вентилятор, пригодный для установки в офисную локально-фасадную приточную систему с эжектирующим подмесом.
Рис.4. Канальный фильтр, пригодный для установки в офисную локально-фасадную приточную систему с эжектирующим подмесом.
Системы «Рекуперации»
«Рекуперация» от «теплоутилизации» отличается тем, что используемый для нагрева притока тепловой поток снимается с разных источников.
Так «рекуператоры» берут тепло из вытяжного потока, а «теплоутилизаторы» берут тепло системой кондиционирования от офисных теплоизбытков или системой охлаждения от технологического оборудования.
Так в ранее рассмотренной системе «теплоутилизации» для нагрева приточного воздуха используется дополнительная тепловая энергия от людей и электроприборов в помещении.
Тогда как в системах «рекуперации» тепловой поток берётся из самого себя, только выкачивается он из вытяжного канала, а закачивается на входе в приточную систему.
К таким «рекуператорам» относятся приточно-вытяжные системы с «перекрёстным теплообменником» (см.рис.5) или с «вращающимся рекуператором» (см .рис.6)
Рис.5. Приточно-вытяжная вентиляционная установка с перекрёстным пластинчатым рекуператором. Если считать потоки воздуха равными (что недостижимо при работе санузлов на прямой отдельный выброс), то КПД рекуперации составит n=100%*(22-8)/(20+10)=47%
Рис.6. Приточно-вытяжная вентиляционная установка с перекрёстным пластинчатым рекуператором. Если считать потоки воздуха равными (что недостижимо при работе санузлов на прямой отдельный выброс), то КПД рекуперации составит n=100%*(22+16,8)/(15,6+23)=100,5%.
Так как КПД>100% невозможен даже теоретически, то очевидно здесь присутствует прямой обман с завышением температуры вытяжного воздуха, который был чем-то дополнительно догрет в помещении. Реалистичный КПД с учётом догрева на 6,4С до +22С выглядел бы так n=100%*(22+16,8)/(15,6+6,4+23)=86%. Но даже этот КПД=86% выглядит сильно завышенным с учётом конструктивных особенностей вращающегося теплообменника.
В таких «рекуперативных» приточно-вытяжных установках нагрев притока осуществляется тем теплом, которое отнимается из вытяжного потока, ранее поданного в помещение этой же приточной установкой.
Таким образом, получается, что одна и та же порция тепла не покидает установку, постоянно перетекая из вытяжки в приток через стенки теплообменника или через поверхности вращающегося рекуператора.
Недостатком «рекуператоров» является неполнота перекачки тепла из вытяжки в приток с КПД менее 100% (реально около 50%), а значит нужен всё- таки дополнительный приток тепла извне.
Особенно плохо «рекуператоры» работают в России с минусовыми температурами зимой, когда из-за отрицательных температур на теплообменных поверхностях возникает обледенение, после чего вся установка уходит в аварийный режим.
При этом в тёплой Европе с зимними плюсовыми температурами рекуператоры вполне эффективно работают без рисков обмерзания.
Для теплоизбыточных офисов «рекуператорные» установки вообще малопригодны, так как не справляются с большими теплоизбытками при малых расходах общеобменной вентиляции.
В тоже время «рекуператоры» активно продвигают для применения в больших жилых коттеджах, где при малой заселённости запроектированы мощные системы вентиляции на большой общий объём здания.
Так в коттедже площадью 500м2 могут жить 3-5 человек, но при этом вентиляция рассчитана на расход «однократного воздухообмена», что при потолках 3м даст около 3*500=1500м3/ч.
В реальности же на 5 человек было бы достаточно 30*50=150м3/ч, то есть в 10 раз меньше.
И если в такую переразмеренную систему вентиляции на 1500м3/ч поставить перекрёстный теплообменник «рекуператора» с КПД аж 80%, то возникает иллюзия экономии тепла и денег.
На самом же деле выгоднее просто уменьшить объём притока в дом до нормального уровня минимальной нормы, что уложится в оставшиеся 20% восполнения недогрева от неполного КПД, при этом система вентиляции подешевеет в 5-10 раз как по капитальным затратам, так и по эксплуатационным расходам.
Рекуператоры с дополнительным промежуточным теплоносителем
Более сложные системы рекуперации применяются при необходимости разнести в пространстве приточную и вытяжную системы. В этом случае в каждую из установок (в приточную и в вытяжную) встраивают дополнительные водяные или фреоновые калориферы, связывая калориферами между собой трубами. (см.рис.7 — левая)
Такие системы могут иметь достаточно высокий КПД( до 80…90%), который ограничен лишь размером калорифера, но при этом удорожается сама система за счёт дополнительных фильтров и калориферов, а также повышается эксплуатационный расход электроэнергии на преодоление повышенного сопротивления дополнительных фильтров и калориферов.
Если же в контуре фреонового «рекуператора» добавлен компрессор, то система превращается в вариант уже рассмотренного «теплоутилизатора» от системы кондиционирования с жуткой по убыточности экономикой. (см.рис.7-правая)
Рис.7. Системы «рекуператоров» с дополнительными калориферами в составе приточных и вытяжных установок, связанных жидкостными трубопроводами. Слева- теплоноситель вода, справа «рекуператор-теплоутилизатор» с активным компрессором. Интересно , что в левом «компрессорном» варианте заявляется весьма низкий КПД n=100%*(22-1)/(20+15)=60% из-за сброса вытяжного воздуха с плюсовой температурой
Утилизация тепла от промышленных систем охлаждения.
В промышленности существуют системы охлаждения оборудования в ходе технологических процессов, при которых требуется отбора низко потенциального тепла и выброс его на улицу. К таким процессам относятся в частности охлаждение литейных форм при изготовлении полиэтиленовых изделий.
Из-за относительно низкой температуры плавления полиэтилена температура охлаждающей воды оказывается тоже не высокой на уровне +30…+40С.
Таким образом, получается, что повторно использовать на плавление пластмассы такую слегка тёплую воду нет смысла, и весь поток тепла приходится сбрасывать на мокрых градирнях охлаждения.
Интересно то, что этот поток тепла от воды с температурой более +30С нужно выбрасывать и зимой.
И тогда зимой возникает прямая возможность вторично использовать выбрасываемое тепло для нагрева воздуха в системах приточной вентиляции.
В этом случае не требуется использовать дополнительное компрессорное оборудование с фреоном для повышения температуры теплоносителя, а лишь перенаправляется тепловой поток с водой или воздухом к существующей системе приточной вентиляции.
Правда, и в этом случае есть многоообразие возможных схем использования вторичного тепла в зависимости от размеров и отношения тепловых поток от оборудования к потребности в тепле у систем вентиляции.
Так есть два основных варианта:
— утилизируемый поток тепла сильно меньше мощности нагревателей системы вентиляции,
— поток тепла приблизительно равен или значительно больше мощности нагревателей системы вентиляции.
Для этих случаев применимы различные схемы переброса тепловых потоков.
Вариант-1.
Небольшой тепловой сброс от оборудования просто растворяется в общем объёме воздуха самого помещения. На таком принципе работают все офисные электроприборы.
В случае охлаждения оборудования калорифер водяного охладителя устанавливается непосредственно в цехе, сбрасывая тепло в объём цеха, где оно уже ассимилируется превосходящей мощью общеобменной вентиляции. Причём в зимнем режиме тепло утилизируется на нагрев окружающих стен и потолков, тем самым вступая во вторичное использование.
Охладители со сбросом в объём цеха часто используют для офисных помещений, встроенных внутрь более масштабных сооружений, например: кассы метрополитена оснащены сплит-кондиционерами (см.рис.8-11), наружный блок которого установлен в отапливаемом вестибюле метро, где проходят огромные воздушные потоки от тоннельной вентиляции, что и позволяет разбавить тепловой сброс от маломощного кондиционера касс, подобно тому как растворяется капля в реке.
Рис. 8. Пример установки внешнего ККБ сплит-кондиционера касс непосредственно в наземном историческом вестибюле метрополитена над встроенным кассовым узлом.
Рис. 9. Пример установки внешнего ККБ сплит-кондиционера касс непосредственно в старинном наземном вестибюле метрополитена на стене рядом с кассами.
Рис. 10. Пример установки внешнего ККБ сплит-кондиционера касс непосредственно в подземном вестибюле метрополитена над встроенным кассовым узлом.
ис. 11. Пример установки внешнего ККБ сплит-кондиционера касс непосредственно в вестибюле метрополитена современной постройки.
Расход воздуха через входные двери вестибюля может достигать 100м3/ч или поток до 3м/с через проём всех открытых дверей на улицу. В зависимости от времени года поток меняет направление: летом — с улицы в метро, зимой- из метро на улицу. Направление потока обеспечивается регулировкой баланса работы больших тоннельных вентиляторов притока и вытяжки (см.рис.12-14).
Также в объём тоннеля в эту же тоннельную вентиляцию сбрасывают своё тепло кондиционеры вагонов, установленные для людей в современных поездах метрополитена.
В эту же тоннельную вентиляцию сбрасывается всё тепло от мощных электродвигателей самих поездов и от электродвигателей эскалаторов.
Рис.12. Тоннельные вентиляторы метрополитена ВОМ-24. Диаметр вентилятора более 2,4м. Расход каждого такого вентилятора около 400тыс.м3/час при мощности электродвигателя до 75кВт. На фото старая версия ещё с ременным приводом крыльчатки от электродвигателя.
Рис.13. Более современный тоннельные вентиляторы метрополитена ВОМ-20 с прямым приводом от электродвигателя (без ременной передачи). Диаметр вентилятора более 2м. Расход каждого такого вентилятора около 250тыс.м3/час при мощности электродвигателя 75кВт, что соответствует не менее чем 3-х кратному воздухообмену по тоннелю за час.
Рис.14.Технические характеристики вентилятора ВОМ-20 для тоннельной вентиляции метрополитена.
Вариант-2.
При равенстве или переизбытке номинальных мощностей теплового сброса над тепловой мощностью вентиляции применяется другое техническое решение. Большие тепловые потоки разумнее заводить в саму приточную установку, причём калорифер утилизатора должен сбрасывать тепло в приоритете к воздухонагревателю от котельной, чтобы можно было вообще не потреблять лишнее тепло от других источников (см.рис.15.)
В такой схеме возможен вариант установки летнего драйкулера вблизи зоны всасывания приточной системы, чтобы в зимнем варианте просто засасывать подогретый воздух от драйкулера через специальные сезонные выгородки. Выгородка драйкулера зимой также защищает уличный драйкулер от замерзания при возможеной остановке работы технологического оборудования.
Рис.15. Система установки приточной вентиляционной системы с возможностью утилизации тепла от ККБ через воздушный тракт из зимней выгородки (справа) и подключения калорифера первого подогрева от водяной системы технологического охлаждения с графиком +35/30С от технологического оборудования из цеха (справа).
Такой способ с выгородкой наружного драйкулера так же прекрасно подходит для утилизации тепла на приток вентиляции от фреоновых систем охлаждения серверов. При этом наружный ККБ на зиму накрывается пенопластовым ящиком, а проток воздуха осуществляется за счёт как приточной установки, так и дополнительного вентилятора защиты от перегрева, включаемого по термостату, если температура под кожухом поднимается выше +20С.
В случае работы ККБ в прерывистом режиме (без инвертора) разумнее делать нагрев вентиляционного притока от электроэнергии, так как маломощный электрнагреватель гораздо легче регулировать импульсным включением в сеть, чем плавно и медленно дросселировать подачу теплоносителя в водяной калорифер от водяного отопления.
В летнее время нужен полностью открывать драйкулер (ККБ) для сброса всего тепла в атмосферу, минуя приточную установку.
Использование потоков низкопотенциального тепла в технических системах
Мокрые градирни могут работать и в отрицательных температурах, что прекрасно видно по клубам пара над московскими ТЭЦ даже в зимние холода(см. рис.16). При этом никак не удаётся использовать этот гигантский поток низкопотенциального тепла с температурой воды +30…+35С для чего-то полезного.
При температуре +35С на ТЭЦ конденсируют водяной пар при низком давлении 0,02атм после третьего каскада турбины в замкнутом цикле паровой турбины ТЭЦ.
Энергию конденсации воды при фазовом переходе требуется отводить из цикла ТЭЦ наружу, чтобы жидкую воду можно было бы снова подать обратно в котёл-парогенератор.
Именно этот сброс огоромного количества тепла в буквальном смысле «на ветер» и даёт столь низкий КПД электрогенерации в 35% на ТЭЦ.
Рис.16. Работа городской ТЭЦ зимой. Слева широкие градирни с клубами низкотемпературного пара над ними. Справа тонкие и высокие дымовые трубы с клубами горячего дыма от продуктов сгорания топлива из паровых котлов ТЭЦ.
Вообще применение бесплатного низкопотенциального окружающего тепла или холода волновало умы людей всегда.
Так бесплатный холод окружающего воздуха (сейчас его зовут «фрикулинг») использовали для быстрого намораживания ледовых переправ, вмораживая в лёд «тепловые трубы» с естественной циркуляцие фреона внутри (см рис.17).
Фреон под низким давлением закипает при малой отрицательной температуре минус -2..-3С, замораживая речную воду вокруг себя, а потом в виде пара фреон поднимается по трубе вверх и конденсируется от более холодного уличного воздуха на торчащем из льда конце трубы с дополнительным оребрением –«радиатором».
Похожие «тепловые трубы» с естественной циркуляцией хладогента используют в системах охлаждения современных «ноутбуков», только вместо фреона там используют обычную воду под низким давлением. Воду заставляют кипеть внутри трубки уже при температурах +50..+70С на горячей поверхности процессора, после чего пар конденсируется на дальнем конце трубы на выносном радиторе с вентилятором обдува. (см.рис.18)
Рис.17. Картинка из учебника где указана схема устройства ледовой переправой с искусственным намораживанием льда за счёт применения «холодовых труб» с естественной циркуляцией фреона низкого давления в них.
Рис.18. «Водяная труба» с естественной циркуляцией водяного пара от «испарителя» на процессоре к «конденсатору» на выносном радиаторе с вентилятором в составе материнской платы современного «ноутбука».
Итого:
1. Для экономии денег от «теплоутилизации» в офисах необходимо как можно меньше пользоваться системами принудительного охлаждения с фреоновыми холодильными машинами (ККБ или Чиллерами), а подачу притока делать децентрализованной без нагрева за счёт «локальных пофасадных приточных систем с эжектирующим перемешиванием».
2. Использовать тепловой сброс от систем охлаждения желательно без технического усложнения и без удорожания систем.
3. При наличии дешевого тепла от локальной газовой котельной любые системы «рекуперации» тепла с помощью компрессорных блоков будут убыточными из-за повышенного расхода дорогой электроэнергии и расхода амортизационного ресурса при работе дополнительных компрессоров и вентиляторов.
