Рекуперация тепла: когда она действительно снижает энергозатраты

Рекуперация тепла действительно снижает энергозатраты, когда возвращаемая из вытяжного воздуха энергия уменьшает фактическую потребность в нагреве приточного воздуха, а полученная выгода превышает дополнительные затраты на работу оборудования. Для оценки необходимо учитывать не только эффективность теплообменника, но и расходы воздуха, температуры, влажность, продолжительность совместной работы притока и вытяжки, дополнительное электропотребление вентиляторов и зимние режимы защиты от обмерзания.

Паспортная эффективность рекуператора не равна экономии за год. Даже теплообменник с высоким заявленным процентом возврата может давать ограниченный результат, если приточная и вытяжная установки работают в разное время, рекуперация часто отключается для защиты от обмерзания или возвращаемое тепло не замещает оплачиваемую тепловую энергию.

Обоснованное решение принимают по балансу полезного возврата энергии и дополнительных затрат в фактических режимах эксплуатации.

За счёт чего рекуперация уменьшает потребность в нагреве

В отопительный период вытяжной воздух обычно теплее наружного. Рекуператор передаёт часть его энергии приточному воздуху, уменьшая нагрузку на последующий нагреватель.

Например, если наружный воздух поступает при температуре −10 °C, после рекуператора нагревается до +5 °C, а требуемая температура притока составляет +20 °C, нагревателю остаётся обеспечить повышение температуры на 15 К вместо первоначальных 30 К.

Но для определения полезного результата важно знать не только изменение температуры, но и количество обрабатываемого воздуха. При уменьшении расхода притока снижается и абсолютное количество возвращаемой энергии, даже если температурная эффективность теплообменника остаётся высокой.

Кроме того, при изменении влажности воздуха необходимо учитывать не только явную теплоту, связанную с температурой, но и соответствующее изменение энтальпии — величины, характеризующей энергетическое состояние влажного воздуха.

Какие исходные данные нужны для расчёта

Расчёт выполняют по фактическим параметрам приточного и вытяжного потоков. Данные должны описывать один и тот же режим работы оборудования.

Исходные данные	Для чего необходимы
Расход приточного воздуха	Определение количества воздуха, получающего возвращаемую энергию
Расход вытяжного воздуха	Проверка условий, при которых теплообменник может передавать энергию
Температура и влажность воздушных потоков	Определение изменения энтальпии и полезного возврата
Эффективность теплообменника	Сопоставление ожидаемого и фактического режима рекуперации
Графики работы притока и вытяжки	Определение продолжительности доступного возврата энергии
Режим защиты от обмерзания	Учёт периодов обхода теплообменника и дополнительного догрева
Дополнительное потребление вентиляторов	Определение энергетической цены работы с рекуператором

Если температуры и влажность измерены в одном режиме, а расходы воздуха взяты из другого, полученная мощность рекуперации может не соответствовать действительности. Аналогично паспортная эффективность, указанная для определённых испытательных условий, не обязательно сохраняется при фактических расходах и зимней эксплуатации.

Как рассчитать возвращаемую энтальпию

Полезный возврат энергии определяют по изменению энтальпии приточного воздуха при прохождении через рекуператор.

Для расчёта на основе энтальпии, отнесённой к килограмму сухого воздуха, используют:

Φвозвр = ṁсух × (hпосле − hдо),

где Φвозвр — мощность возвращаемой энергии, кВт; ṁсух — массовый расход сухого воздуха в приточном потоке, кг/с; hдо и hпосле — удельные энтальпии влажного воздуха до и после рекуператора, кДж/кг сухого воздуха.

Энтальпию определяют по температуре и влагосодержанию воздуха. Влажность особенно важна, когда в теплообменнике происходит изменение влагосодержания или конденсация на вытяжной стороне.

Для простого случая, когда влагосодержание притока практически не меняется, полезный эффект можно предварительно оценивать по повышению его температуры. Однако такую температурную оценку не следует подменять расчётом полной энтальпии при существенных влажностных процессах.

Условный пример. Массовый расход сухого приточного воздуха составляет 1 кг/с. Его энтальпия до рекуператора — −8 кДж/кг, после — +7 кДж/кг при выбранной общей базе расчёта.

Тогда возвращаемая мощность:

Φвозвр = 1 × [7 − (−8)] = 15 кВт.

Если такой режим сохраняется 100 часов, расчётный возврат энергии составляет:

Qвозвр = 15 × 100 = 1 500 кВт·ч.

Это количество энергии, переданное притоку в условном режиме. Оно ещё не равно уменьшению оплачиваемого энергопотребления.

Как учитывать дополнительное электропотребление вентиляторов

Рекуператор оказывает влияние на аэродинамические условия работы вентиляции. Для преодоления сопротивления теплообменника вентиляторам может потребоваться дополнительная электрическая энергия.

Поэтому при энергетическом сравнении учитывают разницу потребления вентиляторов в вариантах с рекуперацией и без неё при обеспечении одинакового необходимого воздухообмена.

Например, предположим, что суммарная электрическая мощность вентиляторов при работе с рекуператором составляет 5,0 кВт, а в сопоставимом варианте без него — 4,2 кВт.

Дополнительная мощность:

ΔPэл = 5,0 − 4,2 = 0,8 кВт.

За те же 100 часов:

ΔWэл = 0,8 × 100 = 80 кВт·ч.

Таким образом, в условном примере рекуператор возвращает 1 500 кВт·ч тепловой энергии, но его использование связано с дополнительными 80 кВт·ч электроэнергии.

Эти значения нельзя просто вычитать и считать результат денежной экономией: тепловая и электрическая энергия могут иметь разные источники и стоимость. Для оценки расходов необходимо учитывать, сколько покупной энергии действительно замещено и сколько стоит дополнительная работа вентиляторов.

Когда возвращаемое тепло действительно уменьшает расходы

Количество энергии, переданное рекуператором приточному воздуху, необходимо сопоставить с фактической потребностью последующего подогрева.

Например, если без рекуперации нагреватель должен был обеспечить определённую тепловую нагрузку, а при работающем теплообменнике эта нагрузка уменьшилась, возвращённая энергия может замещать оплачиваемое теплоснабжение.

Но возможна другая ситуация: дополнительный подогрев в рассматриваемые часы не требовался. Тогда теплообменник способен передавать энергию, однако это не обязательно приводит к сокращению счетов за отопление.

Поэтому необходимо различать:

• Возвращённую энергию — фактическую передачу энергии между воздушными потоками.
• Полезно использованную энергию — часть возврата, которая уменьшает необходимый внешний нагрев притока.
• Экономический эффект — стоимость замещённой покупной энергии за вычетом дополнительных эксплуатационных затрат.

Если источник тепла или способ оплаты не позволяет связать возврат энергии с уменьшением расходов, техническую эффективность рекуперации необходимо отделять от финансового результата.

Почему несовпадение графиков притока и вытяжки ограничивает эффект

Для передачи энергии рекуператору необходимы соответствующие воздушные потоки. Если приток и вытяжка работают только частично одновременно, полезный возврат ограничивается периодами их совместной работы.

Например, приточная установка работает 12 часов в сутки, а вытяжная — только 8 часов, причём совместная работа составляет 6 часов. Рассчитывать суточный возврат по мощности рекуператора и всем 12 часам притока было бы неправильно.

При условной полезной мощности 15 кВт за шесть часов совместной работы расчётный возврат составит:

Qвозвр = 15 × 6 = 90 кВт·ч.

Если ошибочно использовать 12 часов, результат увеличится до 180 кВт·ч — вдвое больше энергии, доступной при рассматриваемом графике.

В реальной эксплуатации также необходимо учитывать изменение расходов в часы одновременной работы. Сам факт включения обеих установок не означает, что теплообменник постоянно работает с паспортной эффективностью.

Как обмерзание влияет на зимний энергетический баланс

В холодную погоду в рекуператоре могут возникать условия для обмерзания. Для защиты оборудования применяется предусмотренный алгоритм, который способен изменять обычный режим теплообмена.

В частности, защита может предусматривать обход теплообменника или дополнительный догрев воздуха. В период обхода возврат энергии уменьшается либо прекращается, а догрев требует дополнительных затрат.

Поэтому расчёт по одному стабильному режиму без обмерзания способен завысить зимний результат.

При оценке необходимо установить, когда активировалась защита, как изменялась работа рекуператора и какое дополнительное энергопотребление сопровождало этот режим.

Например, при одинаковых наружных температурах две установки с сопоставимой паспортной эффективностью могут возвращать разное количество энергии, если одна значительную часть времени работает в обычном режиме, а другая часто переходит в обход или требует догрева.

В балансе эти состояния рассматривают отдельно, а затем объединяют с учётом фактической продолжительности.

Как составить баланс полезного возврата и затрат

Для практического вывода удобно разделить зимнюю эксплуатацию на характерные состояния: обычная работа рекуператора, режим защиты от обмерзания и периоды отсутствия совместной работы притока и вытяжки.

Для каждого состояния определяют полезно использованную возвращённую энергию и дополнительные затраты. Затем сопоставляют стоимость замещённой энергии со стоимостью дополнительного электропотребления и догрева, если он необходим для работы рассматриваемой схемы.

Режим	Что включают в баланс	Влияние на результат
Обычная совместная работа притока и вытяжки	Полезный возврат энтальпии и дополнительную электроэнергию вентиляторов	Формирует основной потенциальный эффект
Защита от обмерзания	Фактический возврат при изменённом режиме и затраты на догрев	Может уменьшать чистый эффект
Приток и вытяжка работают не одновременно	Фактически доступный возврат в соответствующие часы	Ограничивает продолжительность полезной рекуперации
Подогрев притока не требуется	Наличие или отсутствие замещаемой оплачиваемой нагрузки	Возврат энергии может не давать финансовой выгоды

Для итогового стоимостного сравнения используют:

Эффект = стоимость фактически замещённой энергии − стоимость дополнительных энергозатрат.

Расчёт выполняют для одинаковой необходимой функции вентиляции и сопоставимых условий. Если в вариантах меняются расходы воздуха или графики работы, сначала необходимо установить, какие различия связаны именно с рекуперацией.

Почему паспортная эффективность не равна годовой экономии

Паспортная эффективность характеризует работу теплообменника в определённых условиях. Она не учитывает автоматически все особенности конкретного объекта: изменяющиеся расходы воздуха, несовпадение рабочих графиков, температуру и влажность потоков, защиту от обмерзания и фактическую потребность в подогреве.

Поэтому значение, например 80 %, нельзя интерпретировать как обещание сократить годовые расходы на отопление или вентиляцию на 80 %.

Для годового результата необходимо суммировать полезную энергию по фактическим режимам и отдельно учитывать дополнительные затраты. Если часть исходных данных отсутствует, допустимо составить предварительный сценарный баланс, но нельзя представлять его как подтверждённую экономию.

Какой результат позволяет принять техническое решение

Обоснованная оценка рекуперации должна показывать три величины: сколько энергии возвращается в приточный воздух, какая часть этого возврата замещает необходимый оплачиваемый подогрев и какие дополнительные затраты возникают при работе оборудования.

Главный результат — баланс полезного возврата и затрат с учётом зимних режимов, включая частичное совпадение времени работы притока и вытяжки и возможную защиту от обмерзания.

Если измерения расходов, температур и влажности согласованы с графиком работы, можно оценить фактический эффект и определить, требуется ли дополнительный замер или корректировка режима. Если эти данные неполные, результат остаётся предварительной оценкой.

Рекуперация снижает расходы только тогда, когда полезно использованная возвращённая энергия обеспечивает экономический результат, превышающий дополнительные затраты. Сам факт передачи тепла и высокий паспортный процент эффективности этого не доказывают.

Системы, в которых применяется возврат теплоты вытяжного воздуха, рассмотрены на странице «Системы вентиляции». Подходы к выбору и обоснованию энергосберегающих решений представлены на странице «Разработка мероприятий по энергосбережению».

Другие практические технические материалы представлены в разделе «Материалы».