Зачем нужна вентиляция.
Вот... - можно я опущу эту байду, про то, как полезно дышать свежим воздухом и что вентиляция снижает влажность в помещении?
Ниже будет немного про СО2, только не привычное "про страшный яд", а чуток биохимии, про самый главный газ, без которого человек умирает быстрее, чем от недостатка кислорода. А пока, к тому, что действительно интересно.
Как делают сейчас и почему не нравится и не применено в проекте.
Естественная вентиляция.
Классика (от избы, до хрущевки) - т.н. естественная вентиляция. По умному, ее называют "с гравитационным побуждением". Дырка в крыше, в дырку - трубу.
Приток "через неплотности оконных притворов" (это в смысле был, пока не поставили пластиковые окна).
Работает просто. Зимой, уличный воздух плотнее, стремится вытеснить комнатный, комнатный улетает в трубу, уличный поступает (поступал), через "неплотности притворов".
Летом - увы, эта вентиляция не работает. Это засада №1 такой системы, но не сильно принципиальная. Летом можно открыть окошко.
А вот вторая засада такой вентиляции - разнесение точек притока и вытяжки. Нет возможности теплообмена между потоками, не будет рекуперации.
Ну и третья засада - дырявим крышу и лишняя деталь в конструкции (труба).
Принудительная вентиляция.
Вариантов много, но сводятся к вентилятору на вытяжке, либо притоке, либо и там и там.
Такая вентиляция, это прежде всего - воздуховоды (кроме самих вентиляторов). Которые как-то нужно прятать в стены (в которых "место занять", там утеплитель), или вести прямо по комнатам и в отличии от кабель канала, это довольно большие штуковины.
Они же (воздуховоды), источник дополнительного сопротивления потоку воздуха, которое нужно преодолевать, ставить более мощный вентилятор. Который в свою очередь шумит, нужно решать этот вопрос.
Это куча гемора и денег с управляемым распределением по комнатам, это задвижки, сервопривода, которые стоят, как линкор.
А что в результате? А в результате (причем в идеале), в каждой комнате - две дырки. Из одной чистый воздух поступает, в другую уходит.
Поступает с улицы, уходит туда же. Возникает вопрос:
Зачем нам воздуховоды, если улица - вот прямо за этой стенкой?
Уже на этом уровне - дырка в стене, в дырке вентилятор - будет вытяжка. Еще одна дырка - приток. Так, в каждой комнате. Мелкий вентилятор (да хоть от БП компа) - сегодня стоит гораздо дешевле воздуховодов и тем более клапанов с сервоприводами. Осталось придумать, как это дело совместить с рекуперацией.
Рекуператоры.
Идей простая. Прежде чем выбросить воздух - отнять от него тепло и передать входному потоку. Вытяжка - греет приток.
Распространенных схем, в основном две.
Дешевая, которую колхозят очень часто - пустить воздух по множеству тонких каналов, при этом, каналы притока и вытяжки имеют общие стенки. Вытяжка - будет отдавать тепло притоку. Популярная схема (для примера) - листы сотового поликарбоната, ориентированные перпендикулярно друг-другу. Через (допустим) четные листы - вытяжка, нечетные - приток. Из листов набирают "кубики" и подводят потоки с соседних плоскостей.
Перенос тепла вместе с массой. Множество дисков на одной оси. Параллельно дискам пропускают воздух. Сверху (допустим) приток, снизу - вытяжка. Диски медленно вращаются. Нагреваются вытяжкой, повернулись - отдали тепло притоку.
Менее распространенные и известные - рекуператоры на ТА (теплоаккумуляторе).
Рекуператор выбранный для проекта.
Самодельный, на ТА. Обрезок 110-ой серой канализационной трубы. Воткнули в стену. С одной стороны комната, с другой улица.
В трубе (изнутри - наружу).
- Два вентилятора от БП компа (с ребром 80), включенные встречно.
- Сетка
- Фильтр
- 3-4 кг колец Рашига (или Палля, или седла Инталокс...). Любые нерегулярные насадки.
Эти штуки (насадки) - используются в хим.промышленности, в теплообменниках... везде, где в небольшом объеме, нужно получить очень большую площадь поверхности и малое воздушное сопротивление.
Нет колец - от жмени ржавых метизов, до металлических мочалок для посуды. Что-то, что имеет серьезную массу (в килограммах), очень большую площадь поверхности, очень малое воздушное сопротивление (хорошо продувается).
- Сетка
- Уличный дефлектор (возможно, с механическим клапаном).
Как оно работает.
Первую минуту, работает вентилятор номер один. Допустим на вытяжку. Выбрасывает воздух, греет нашу насадку.
Через минуту, вентилятор 1 выключается, включается (встречно установленный) вентилятор 2. Приток, воздух движется через нагретую насадку и нагревается. Так, каждую минуту.
Более продвинутая схема - два таких устройства на комнату, работающие в противофазе. Первую минуту - первое устройство приток, второе вытяжка. Через минуту - наоборот.
Немного прикидок.
Труба 300*110, кольца Рашига, металлические, Ф10 (10*10*0,3).
Насыпная плотность - 1890 кг/м3. Поверхность - 520 м2/м3. Количество 949000 шт/м3. Слой 300 мм (в трубе 110 мм) - объем 2,85 литра. Вес 1890*0,00285=5,4 кг.
Поверхность этих колечек: 520*0,00285=1,5м2 (для понимания, площадь всех ламелей радиатора у ЗИЛка - около 6м2), т.е. это довольно серьезный теплообменник.
Площадь самой трубы при этом, всего 0,11*3,14*0,3=0,1м2
Цена таких колец - до 100 руб/кг.
Есть керамика, есть металл. Почему лучше металл? Ну, самое простое - много радиаторов с керамическими пластинами? Впрочем, рассмотрим чуть подробнее.
От чего зависит время переключения (между реверсами приток-вытяжка)?
- Снизу (время) ограничено объемом воздуха за такт. Если объем будет соизмерим с объемом трубы - вентиляции не будет вообще. Один и тот же воздух будем гонять туда-сюда. Т.е. время, должно обеспечить перекачку объема много бОльшего, объема рекуператора.
- Рассуждаем про ограничение сверху. У нас - ТеплоАКБ. Соотв., как у всякого аккумулятора, у него есть Емкость и Мощность.
Емкость (теплоемкость) сколько джоулей (энергии, тепла) нужно впихнуть в АКБ, чтоб температура поднялась на градус.
Мощность - сколько джоулей в секунду, способен воспринять (или отдать) АКБ (все что выше этого предела, пролетит мимо, на улицу, или в дом, без передачи тепла).
Теплоемкость у нас объемная (теплоемкость АКБ заданного объема). Т.е. сколько джоулей нужно впихнуть в литр объема, чтоб поднять температуру этого объема на градус. Теперь считаем:
300 мм Ф110 - 2,8 литра, пусть у нас будет 2,5 л.
Теплоемкость керамики - 0,77 кДж/кг*С, стали - 0,46 кДж/кг
Керамика М15 - 0,59*2,5=1,475 кг. теплоемкость АКБ - 0,77*1,48=1,14 кДж/С
Сталь М10 0,96*2,5=2,4 кг, теплоемкость 0,46*2,4=1,104 кДж/С
Теплоемкость керамических - на 3% выше, разница не существенна.
Мощность. Определена мощностью потока теплопередачи, функции трех величин:
- Пропорциональна Коэф теплоусвоения,
- площади контакта,
- дельте температур.
Коэф. теплоусвоения керамики 3,3 Вт/м2*К, стали 126 Вт/м2*К. Отношение 38 (!!!) раз
Площадь контакта (из таблицы) соотносятся как 500/330=1,5 раз
Разница в мощности в 57 (!!!) раз.
На пальцах. У керамики, очень быстро прогревается внешний слой, падает дельта температур, прекращается теплообмен. Кроме того, толщина керамики в 4 раза больше, чем у стали. Прогреваться будет дольше. В результате, тепло уйдет вместе с воздухом.
Т.к. тепловая мощность в потоке воздуха - задана (потребным воздухообменом), то АКБ недостаточной мощности, просто не успеет снять тепло.
А что до емкости нашего АКБ - она влияет на время между реверсами, т.е. недостаток емкости, компенсируется более частыми переключениями.
Ну и вдогонку, прикинем, какое время потребуется, чтоб насытить наши АКБ, при условии, улица -20, дом +20, вытяжка и вход - 0С (КПД 50%), расход 60 м3/ч, или 17 л/сек (скорость в трубе Ф110 1,7 м/сек).
В кубе воздуха - 1,2 кг, т.е. 20 грамм в сек.
Теплоемкость воздуха 1кДж/кг, т.е. каждый градус дает поток в 0,02 кДж/сек. 20 градусов, дадут 0,41 кДж/сек.
Емкость нашего АКБ 1,1 кДж/К, на 20К будет 22 кДж, время "зарядки" - 22/0,41=53,6 сек.
Т.е. переключения, для данных условий - примерно через минуту.
Система управления вентиляцией.
Критерий управления.
По СО2. Пару слов в реабилитацию этого газа. Это не яд, это основа жизни теплокровных (хотя, все разумеется, должно быть в меру). Есть простой тест. Человек начинает максимально глубоко и часто дышать. Обморок, примерно на второй минуте. Причина обморока - гипоксия (нехватка кислорода). При этом кислорода в крови - до отказа (дышали часто и глубоко). Вот, как так?
А это, мы наблюдаем эффект Вериго-Бора. Если коротко, то основным транспортом кислорода в клетку, у теплокровных служит гемоглобин. Который, в отсутствии углекислоты, теряет сродство с кислородом. Перестает транспортировать. Ну и начинают страдать клетки тканей. В первую очередь - нейроны. После чего человек отрубается, включаются нормальные патерны дыхания и все приходит в норму.
А куда пропала углекислота (которую мы постоянно выделяем)? А тут, нужно опять вспомнить про парциальные давления. Внутри организма, под 3% СО2, снаружи 0,4%, разница на порядок. Для внутренней углекислоты, снаружи - практически вакуум, вот она и прет из организма с каждым выдохом, точно так же, как пар в стенку, при большой разнице парциальных.
Сейчас на планете, концентрация СО2 418 ррм (есть специальные лаборатории, которая постоянно мониторит СО2). Концентрация постоянно растет, причем скорость роста, постоянно увеличивается. Сегодня, скорость такого роста 2,2 ррм в год. Вот прямо сейчас, такой рост ничем не угрожает (в плане дыхания). Первые проблемы даже у чувствительных людей, начинаются с 1000 ррм (лет 200 еще есть). Этого хватит на адаптацию.
При всем этом, СО2 - крайне удобный маркер присутствия и активности человека. Его применение, позволяет построить вентиляцию, которая "ходит за людьми".
Принцип, очень простой. Подавай на вентиляторы напряжение, пропорциональное СО2. Люди из комнаты ушли - вентиляция придушилась.
Датчики СО2.
Сегодня не дорогие. В принципе, можно разделить на два простых типа. ИК датчики (NDIR) и датчики на оксидах металлов (обычно олова). Разумеется, все есть у китайцев.
В проекте используется и то, и другое:
- Оксид олова CCS811 HDC1080
Второй датчик, кроме СО2, реагирует на углеводороды. От метана, до сигарету выкурил. И соотв. будет увеличивать проветривание. Кроме того, в нем есть датчик влажности, что позволяет переводить дом в режим консервации с более низкой температурой, не опасаясь конденсата. Идей простая. Если система видит, что дальнейшее снижение температуры видет к рискам конденсата, то включается дополнительное проветривание, система убеждается, что влажность упала и продолжает снижать температуру.
Возможности управления такой системой.
Вообще, система очень гибкая. Кроме традиционной цели (автоматизировать воздухообмен, с мин. затратами, т.е. по СО2), возможны совершенно новые функции.
Например - реорганизация потоков. Например, пришли гости, кухня совмещена с гостинной, два окна, 4 установки. Две включаются на приток, две на вытяжку. Получаем удвоенный расход. Можно подключать вентиляторы из соседних комнат, короче, свободное манипулирование, переключение точками притока и вытяжки.
Практика.
Вот, пример. Единственно, у парня шарики в качестве рабочего тела ТА. Кольца Рашига, эффективнее почти на порядок.
Есть многочисленные фабричные установки, например теплая форточка. КПД - 70-80%.