Из-за шума систем класса бризер было решено вернуться к центральной приточно-вытяжной вентиляционной системе. А тогда и рекуператор для экономии электроэнергии можно попробовать добавить в систему. В этой статье рассуждаем о рекуператорах.
Что такое КПД?
КПД рекуператоров -- очень загадочное понятие. С точки зрения физики, есть только КПД по энергии, более того, с точки зрения практики нас именно этот коэффициент и интересует. Однако, большинство проффесиональных врунов маркетологов измеряют его по очень простой и при этом очень не точной формуле:
КПД = (Tпритока - Tулицы) / (Tдом - Tулицы).
У этой формулы есть как минимум два изъяна:
- Объем поступающего воздуха должен быть равен объему изымаемого воздуха
- При остывании происходит процесс конденсации, при котором выделяется очень много тепла!
Первый изъян более менее очевиден и часто упоминается. На самом деле в грамотно спроектированной вентиляции он должен выполнятся автоматически. Но это на бумаге, а на практике бывает очень по разному. Второй же как правило учитывается крайне редко.
Разный объемный расход на притоке и вытяжке
Так, например, если в системе стоит только вытяжной вентилятор, то в доме будет создаваться разряженное давление. А значит высока вероятность, что воздух в дом будет поступать через ограждающие конструкции, т.е. "из всех щелей". Естественно воздух просочивщийся через такие щели не проходил рекуператор, а значит догревать мы его будем отдельно. А вот изыматься будет весь этот воздух, и получается следующая картина: на вход через рекуперато идёт, например, 100 м3/ч, а на выход 200м3\ч. Таким образом, из выбрасываемой энергии, мы сможем отобрать максимум энергии соответсвующей 100 м3/ч, а и того КПД по энергии не может быть выше 50% даже теоретически. Но если мы измерим его по разности температур, как в формуле выше, то легко получим КПД 99%.
Конечно, в большинстве готовых вентиляционных установках стоят два вентилятора, но того же эффекта можно добиться, если вентиялтор на вытяжку будет создавать больший перепад давлений, чем приточный вентилятор. Это может быть достигнуто как через электронику/программирование, так и просто через различное сопротивление приточных и вытяжных воздуховодов. В частности, это можно заметить, если у вас в доме есть естественная вентиляция помимо приточно-вытяжной установки, то при включении вентустановки, у вас прекращается или инвертируется естественная вентиляция. В целом, если такое происходит, то вент.систему вам ставили шарлатаны с руками растущими внутрь. Это речь прежде всего об инженере и пусконаладчиках.
Если такое произошло, то КПД вашего рекуператора, посчитанное по формуле выше будет сильно завышенным.
Разная "плотность" энергии в притоке и вытяжке
Кроме того, как правило из помещения удаляется влажный воздух, который содержит в себе существенно больше энергии, чем сухой воздух той же температуры. Во-первых, у сухого и влажного воздуха разная теплоемкость. Например, для температуры 20С теплоемкость сухого воздуха равна 1050 Дж/(кг*C), в то время как для влажного воздуха в этих же условиях теплоемкость будет состоять из теплоемкости сухого воздуха, и теплоемкости пара. Теплоемкость пара для этих условий -- 2020 Дж/ (кг*C). Плотность сухого воздуха --1.2 кг/м3, а насыщенного пара -- 18 г/м3, т.е. для 40% влажности -- 7.2г/м3. Взвешивая теплоемкости по массе, получаем 1057 Дж/(кг*C), что на 0,7% больше.
Однако, основная "собака" заключается в том, что при конденсации водяного пара выделяется тепло. Давайте посчитаем какая часть энергии выделяется при конденсации, а какая засчёт остывания воздуха.
Предположим, что воздух в помещении имеет влажность 40% при температуре 20C. Такая влажность -- минимально необходимая влажность для здоровой атмосферы в доме.
Остудим 100 м3 до нулевой температуры. Теплоемкость воздуха -- 1.050 кДж/(кг*C), таким образом при остывании этого воздуха до нуля выделится:
Qостывания = 1,2 кг/м3 * 100 м3 * 1.050 кДж/(кг*С) * 20C = 2520 кДж =700Вт*ч
Помимо самого остывания будет происходит конденсация воды. Всего при 40% влажности в воздухе 7,2 г/м3 воды. При температуре 0C -- 4,84 г/м3. Таким образом, будет сконденцировано 2,36 г/м3 воды или 236 г для 100м3 воздуха. Удельная теплота паробразования -- 2300-2500 кДж/кг. Примем 2400, таким образом через конденсацию выделится ещё
Qконденсации = 0,236 кг * 2400 кДж/кг = 566 кДж = 157Вт*ч
Это составляет порядка 18% от всей выделившейся энергии. Т.е. если вам рекуператор показывает 100% КПД при температурах дома и улицы в 20С и 0С, то реальный КПД никак не выше 80%.
На самом деле в воздух на выходе рекуператора будет иметь влажность 100%, а значит будет содержать в себе еще существенную часть энергии.
Прикинем реальное КПД?
Пусть рекператор даёт КПД=90%, посчитанный по формуле выше. Пусть в доме 20С, а на улице 0С. Это означает, что после рекуператора приток будет иметь температуру 0С + (20С-0С)*0,9 = 18С.
Всего переданной энергии притоку для 100 м3 воздуха будет
dQ_притока = 1,2 кг/м3 * 100 м3 * 1.050 кДж/(кг*С) * 18C = 2268 кДж =630Вт*ч
Сколько же избыточной энергии было выброшено с вытяжкой. Во-первых, из-за разности температур получаем:
dQ_вытяжки_t = 1,2 кг/м3 * 100 м3 * 1.050 кДж/(кг*С) * 18C = 2520 кДж =700Вт*ч
Также, если на улице влажность 80%, то это означает, что в уличном воздухе 3,9 г/м3 воды. Значит, "лишней" воды в вытяжке --
7.2г/м3 - 3.9г/м3 = 3,3 г/м3.
И тогда общая энергия связанная с водяным паром:
dQ_вытяжкт_конд = 0,330 кг * 2400 кДж/кг = 792 кДж = 220Вт*ч
Т.е. реальный КПД по энергии будет:
КПД_реальный = 630Вт*ч / (700Вт*ч + 220Вт*ч) = 68,5%
В итоге КПД получается существенно меньше, чем было заявлено (и померено) производителем.
Температура вытяжки на улице
Из любопытсва, посчитаем температуру на выходе вытяжки на улицу. Делать это будем перебором: для каждого предположения о выходной температуре, мы сможем посчитать энергию полученную из конденсации и из изменения температуры вытяжного воздуха. При этом по закону сохранения энергия, суммарная отведённая энергия должна быть равна энергии, полученной приточным воздухом. Для более наглядной картины понизим температуру за окном до -5С. Сведем расчёты в таблицу.
Из таблицы мы видим, что если предположить, что выход температуры 0С, то отведённая энергия (839 Вт*ч), будет больше, чем полученная притоком (787,5 Вт*ч), а при +2С наоборот. Таким образом, выход вытяжки после рекупретора будет порядка +1С. Т.е. при влажном воздухе разницы температур на вытяжке (19 градусов) и на притоке (22,5 градуса) существенно отличаются при равных расходах на притоке и вытяжке.
Почему это важно и почему нет?
Важно это прежде всего потому, что если вы проветриваете помещение, то для здоровой атмосферы вам придётся повышать влажность. При этом не важно как вы это делаете, все равно придётся затратить одну и ту же энергию. В дальнейшем, это энергию вы выбрасываете на улицу, а значит, чем больше этой энергии сможет забрать рекуператор, тем лучше.
С другой стороны, при равенстве расхода на притоке и вытяжке (если равенства нет, то нужно отрывать руки вентиляционщикам и строителям дома, можно с особой жестокостью), формула от производителей все ещё имеет место быть. Она показывает, какую часть нагрева входящего воздуха до температуры помещения выполнена за счёт рекуператора. И это КПД можно принимать в предварительный расчёт экономической эффективности установки рекуператора.
Сколько в лучшем случае сэкономит рекуператор?
Здесь мы будем рассматривать только перекрестноточные рекуператоры и не будем затрагивать роторные. Во-первых их существено сложнее посчитать, во-вторых, у них достаточно высокая доля подмеса грязного воздуха в чистый. Кроме того стоимость их достаточно высокая, а в домашних условиях сделать их почти нереально.
Для перекрёстно-точных рекуператоров выходной воздух вытяжки не должен опускаться ниже 0 градусов. В противном случае образующийся конденсат превращается в лёд и может закупорить рекуператор. Кроме того, обмерзание существенно ухудшает свойства рекуператора. Большинство имеющихся подходов к работе с низкой температурой сводится к тому, что входящий воздух догревается до некоторой температуры, обеспечивающей положительный выход с рекуператора. Здесь имеется ввиду, что если посчитать общую энергию сохранёную рекуператором к энергии выброшенной "за борт" (ушедшей в вытяжку), то это доля будет примерно одинаковой в независимости от типа извращений с разморозкой рекуператора: будь то bypass, догрев, или реверс. Закон сохранения энергии не обманешь.
Итак, исходя из описанного выше, вытяжка может уменьшить свою температуру с 20С при 40% влажности до 0С при 100% влажности. Это дает нам для 100м3:
Q = 700 Вт*ч (на теплоемкость) + 139 Вт*ч (конденсация) = 839 Вт*ч
На что же влияет КПД рекуператора? Оно влияет на то с какой температуры рекуператор выйдет на этот режим. Одно дело если это будет при температуре -5С и другое -- -20С. Для температур ниже рекуператоры с разным КПД будут давать один и тот же выигрыш по энергии. А вот при температурах выше, эффективность рекуператора будет зависеть от его КПД.
Если вся эта энергия Q будет отдана входящему воздуху, то получим теоретический придел, после которого самый лучший пластинчатый рекуператор не возвращает тепло больше тепла при понижении температуры -- -4С. Это лучшее, что может дать нам пластинчатый рекуператор -- в лучшем догреть весь приток на 24С. При низком КПД, эти 24 градуса будут достигаться реже, в связи с тем, чтобы получить такую теплоотдачу с него, нужно опустить окружающую температуру ниже этих -4С.
Какой это дает выигрыш в рублях?
Считаю для своего случая. Как я считал ранее, мне в среднем по суткам требуется 130м3/ч при использовании датчиков CO2. Именно этот случай и будем считать. Считаем примерно за сутки и за 200 дней:
Q рекуператора = 839 Вт*ч * 1.3 (приводим 100м3 к 130м3) * 24 * 200 = 5235кВт*ч.
В рублях по 2.8 руб/кВт получаем 14 тыс. 650 руб. Это максимум, что может сэкономить рекуператор.
Какой буду ставить рекуператор?
Вариантов на самом деле не очень много:
- Можно поставить промышленную приточно-вытяжную установку с рекуператором, но это, как было выяснено ранее, абсолютно иррациональное и неоправданное с экономической точки зрения решение. Общая стоимость системы легко превышает 500 тыс. руб. даже при самостоятельной установке.
- Можно воспользоваться готово. Стоимость таких блоков -- 30-50 тыс. руб. КПД, расчыми блоками рекуператоров. Они представляют из себя обычные прямоугольные блоки рекуператоров, в которых потоки воздуха текут перпендикулярно друг другитанный даже по методике маркетологов -- максимум 50%. Окупаемость получится 5-6 лет, что в целом приемлимо.
- Сделать самостоятельно. Тут КПД достаточно легко достигается в 50% маркетинговых процентов. Именно таким путем и планируем идти. Идея очень простая -- собирается "лабиринт из пенополистерола, в который прокладываются трубы из алюминия. Внутри труб воздух приточный, а в самом ящике -- вытяжной. Стоимость такого рекуператора будет 5-8 тыс. рублей. Плюс он созадет менее 50 Па сопротивления воздушному потоку и легко делается. Так что начнём именно с такого варианта. В сети можно найти аналог, под названием "чумовой рекуператор".
Для последних двух вариантов нужна ещё обвязка:
- Преднагрев воздуха (4тр)
- Фильтры (4+4 т.р.)
- шумоглушители -- 2 * 4т.р.
- вентиляторы 2*10 т.р.
- микроконтролер и рассыпуха -- 5т.р.
- Вентканалы~ 30-50 т.р.
Т.е. на часть относящейся к промышленной вентустановке относится порядка 40-45 т.р. Это ощутимо меньше потенциальных 200-300 т.р. и кроме того легко встраивается в любой умный дом в том числе и в самодельный...
