Рекуператор: устройство, принцип работы, применение, виды

Функция любых систем вентиляции — поддержание комфортного микроклимата в помещении. Это понятие включает относительную влажность воздуха, его состав (объемные доли кислорода, азота, углекислого газа), а также температуру. Чтобы поддерживать оптимальный нагрев воздуха в помещении придется нагревать или охлаждать свежий поток с улицы, расходуя энергию.

Избежать указанных расходов можно за счет эффективного использования уже полученного тепла. Для этого вентиляционный процесс дополняют рекуперацией. Этот процесс заключается в частичном отъеме у отработанного воздуха тепловой энергии и передачи ее холодному уличному потоку для нагрева. Оборудование, позволяющее частично вернуть тепло в вентиляционную систему, называют рекуператорами. Расскажем о них подробнее.

Основные сведения

Назначение прибора

Возможны три уровня КПД вентиляционной рекуперации:

• Нулевой. Выводимый наружу воздух забирает с собой всю тепловую энергию. Приточный поток, поступающий, например, через открытое окно, понижает температуру в помещении. Это стандартная ситуация для систем естественного проветривания.
• Полный. Тепловая энергия отработанного воздуха сохраняется на сто процентов. Это идеальный гипотетический вариант, на практике нереализуемый в силу технических ограничений и законов физики: полезная работа всегда меньше сделанной.
• Частичный. Это возможно в системах принудительной вентиляции. Доля сохраненного тепла обычно составляет от 30 до 90% общей энергии отработанного потока. Рекуперацию свыше 60% считают хорошей, более 80% — отличной.

Современное оборудование обеспечивает именно частичное сохранение тепла. Разные модели в зависимости от особенностей конструкции дают разный КПД. Эффективность рекуператора зависит также от скорости потока, требуемого уровня нагрева, площади помещения, высоты потолков.

Направления работы

Частое применение рекуператоров в системах принудительного воздухообмена вызвано тем, что потери тепла из-за отведения отработанного, но нагретого воздуха составляют до 60%. Естественная вентиляция сохраняет значительную часть тепловой энергии вытяжки, но зачастую не обеспечивает эффективного отведения внутренних воздушных потоков. Приборы особенно полезны в установках двойной, приточно-вытяжной вентиляции.

Рекуператоры работают не только на нагрев приточных масс, но и на их охлаждение:

• в холодное время года (поздней осенью, зимой, ранней весной) устройство забирает часть тепла у вытяжного потока (нагретого, но бедного кислородом), а затем передает тепловую энергию приточному (богатому кислородом, но холодному);
• в теплое время года (поздней весной, летом, ранней осенью) оборудование забирает часть тепловой энергии у приточного воздуха (теплого и богатого кислородом) и сообщает ее вытяжному (бедному кислородом и прохладному без отопления).

Двойное направление работы рекуператоров позволяет избежать ситуации, когда летом в панельном доме в отсутствие центрального отопления ощутимо холоднее, чем на улице. Обратная рекуперация позволяет одновременно и согреть помещение теплым уличным воздухом, и избежать чрезмерного его нагрева (свыше 25 °С) в сильную жару.

Устройство прибора

Технологический рекуператор любой конструкции представляет собой теплообменник. Это устройство с неким посредником, промежуточным носителем передаваемой тепловой энергии.

В зависимости от конструкции промежуточным носителем (посредником) могут быть:

• Специальные элементы. Как правило, это тонкие пластины из металла или сплава с хорошей теплоемкостью и теплоотдачей. Чаще всего в качестве материала для них используют алюминий или алюминиевый сплав. Вытяжной поток отдает пластинам тепло, те принимают его и какое-то время удерживают, а затем передают приточному. Вместо неподвижных пластин может применяться перегородка или вращающаяся деталь.
• Специальная среда. Вместо металлических пластин в рекуператоре установлена камера, заполненная теплоносителем. Есть три основных его вида: вода, фреоны или водные растворы двухатомных спиртов (гликолей). Такие растворы также называют техническим маслом. Принцип работы среды аналогичен таковому у специальных элементов: жидкость принимает, удерживает и передает тепло.

Промежуточный носитель тепла — центральный элемент рекуператора. К нему подсоединяют входной и выходной патрубки с клапанами, регулирующими скорость потока путем частичного перекрытия просвета воздуховода. Рабочий механизм с патрубками помещают в корпус и часто оснащают фильтрами.

Технологические схемы

Существует две технологические схемы встраивания рекуператоров тепла в приточно-вытяжные вентиляционные системы:

• Раздельная. Предполагает установку двух аппаратов для теплообмена. Через один из них проходит вытяжной поток, отдавая прибору тепло, через другой — приточный, забирая тепловую энергию. Это более дорогая, громоздкая, сложная схема, обеспечивающая повышенную эффективность работы и полностью исключающая даже минимальное смешивание воздушных потоков.
• Совмещенная. Решение основано на использовании только одного аппарата. Его внутреннее пространство конструктивно организовано так, чтоб исключить физическое взаимодействие вытяжного и приточного воздуха. Такая схема доступнее по цене, компактнее и проще. При этом ее мощность и производительность несколько ниже данных параметров в раздельной схеме.

Рекуператор могут размещать как рядом с вентиляторов в одном блоке, так и на выходе магистрали. Если вентиляционная система небольшая, обычно достаточно одного такого прибора. Если же сеть разветвленная, можно, а иногда и нужно, установить несколько рекуператоров для эффективного теплообмена.

При этом монтировать более одного аппарата в одной магистрали не имеет смысла, так как вытяжной поток отдает первому же прибору практически все тепло. Следующий в воздухоносном пути рекуператор сможет забрать ничтожное количество энергии, поэтому его применение окажется избыточным и нерентабельным.

Принцип работы

Поэтапно работа рекуператоров происходит следующим образом:

1. Отработанный воздух через вентиляционные решетки попадает в воздуховоды.
2. Вентилятор создает необходимый напор и гонит поток в вытяжном направлении.
3. Воздушные потоки пропускаются через рекуператор, теряя часть своего тепла.
4. Охлажденный отработанный воздух выбрасывается через клапан в атмосферу.
5. Установка затягивает с улицы свежий воздух и пропускает его через рекуператор.
6. В приборе входящий поток нагревается и по воздуховодам поступает в комнаты.

В зависимости от типа конструкции детали функционирования могут различаться, но общий принцип теплообмена неизменен для всех типов рекуператоров в вентиляции.

Технические характеристики

Большинство рекуператоров для бытовых и полупромышленных нужд, которые устанавливают в жилых домах и общественных зданиях, работают от однофазной электрической сети со стандартным напряжением 220 вольт и частотой тока 50 герц.

Ключевые технические параметры рекуператоров:

• Производительность (скорость или уровень воздухообмена). Этот параметр составляет для полупромышленных и бытовых моделей от 15 до 200 кубометров в час в основном энергосберегающем режиме и от 30 до 400 кубометров в час в режимах активной работы на вытяжку или на приток.
• Скорость вращения. Модели рассчитаны на разную скорость вращения вентиляторов и адаптированы к нескольким скоростным режимам. Для большинства рекуператоров интервал составляет от 900 до 3 000 оборотов в минуту.
• Эффективность. Этот параметр называют также КПД. Он совпадает с показателем реальной вентиляционной рекуперации и составляет от 30 до 97%, в зависимости от конструктивного типа оборудования. Некоторые изделия способны задержать только 45% тепла, другие — почти 100%.
• Температурный интервал. Это уровень нагрева окружающей воздушной среды (внутри и вне помещения), при котором рекуператор исправно работает. Нижняя планка рассчитана на низкие температуры уличного воздуха в холодное время года (до –40 °С), верхняя — на сильный перегрев внутри (до +50 °С).
• Уровень фонового шума. Как и сам вентилятор, рекуператор в процессе работы создает шумовое загрязнение. Оно находится на уровне от 10–15 до 40–45 децибелов. Такой шум обычно неразличим среди других фоновых звуков.
• Еще одна важная характеристика рекуператоров — энергопотребление на уровне 10–30 ватт в час.

Оборудование работает в трех режимах: неактивном фоновом и двух активных: приточном и вытяжном. В активных режимах некоторые модели могут быть рассчитаны на несколько скоростных уровней вентилятора, обычно от двух до пяти.

Виды рекуператоров

Роторный рекуператор

Роторный рекуператор представляет собой цилиндр с двумя воздушными каналами (приточным и вытяжным) и рабочим колесом (ротором) посередине. Данный механизм вращается вокруг своей оси, попеременно оказываясь то в вытяжном, то в приточном канале. Так он забирает тепло у отработанного воздуха и, поворачиваясь, сообщает его свежему. Скорость вращения ротора можно регулировать, тем самым увеличивая или уменьшая производительность и эффективность (КПД) рекуператора.

Главное преимущество такой конструкции — высокая эффективность: 65–90% в зависимости от настроек. Кроме того, роторный рекуператор позволяет экономить электрическую энергию, окупается в течение четырех лет и частично возвращает в пространство помещения влагу, что дает возможность обходиться без увлажнителей.

Однако такое оборудование имеет существенные минусы:

• Смешивание потоков. Поскольку ротор постоянно попадает то в один, то в другой поток, вытяжной воздух частично проникает в приточный, примешивая загрязнения и запахи. Объем смешивания невелик: от трех до восьми (в среднем — пять) процентов.
• Сложность устройства. Движущиеся в процессе работы детали — это всегда минус. Во-первых, потому что они издают шум и вибрируют, передавая эти колебания корпусу. Во-вторых, вследствие постоянного вращения и вибрации барабан (ротор, рабочее колесо) быстро изнашивается.

Особенность этого оборудования — большие размеры. Чтобы даже при быстром вращении ротор успевал захватить достаточное количество тепла, он должен быть крупным. Этот факт ограничивает применение таких рекуператоров в быту. В жилых домах и квартирах им просто не находится места, поэтому их ставят в общественных зданиях и на производствах.

Кроме того, роторные агрегаты имеют достаточно высокую цену, обусловленную сложной конструкцией. Монтировать такие устройства нужно в отдельной и довольно просторной вентиляционной камере.

Из-за перечисленных недостатков модели роторного типа — не самые распространенные даже с учетом очень высокой производительности.

Пластинчатый рекуператор

Пластинчатый рекуператор представляет собой герметичную камеру с параллельно расположенными воздуховодами. Их каналы разделены пластинами-перегородками из материала, хорошо поглощающего и отдающего тепловую энергию. Камера помещена в корпус, имеющий два входных и два выходных клапана, а также воздушные насосы.

Пластинчатые рекуператоры доступны по цене и компактны, что делает их самым распространенным видом данного оборудования в жилых и бытовых помещениях, а также не небольших производствах.

Пластины чаще всего изготавливают из таких материалов:

• Сталь. Перегородки из этого сплава отличаются высокой эффективность и столь же высокой ценой. Кроме того, они много весят и утяжеляют всю конструкцию, так что их в настоящее время применяют на отдельных промышленных производствах.
• Алюминий. Самый распространенный материал для пластин. Дешевый и легкий, он, однако, имеет ограниченную производительность в холодное время года из-за промерзания. Оптимален для бассейнов и бань, но в жилье сильно сушит воздух.
• Пластик. Перегородки из синтетических полимеров обладают очень высокой эффективностью, но они достаточно дороги. Поэтому в быту пластиковые пластины применяют редко, намного чаще — в общественных зданиях, на производстве.
• Целлюлоза. Такие перегородки называют еще бумажными. Это специфический вариант пластинчатого рекуператора со стойкостью к промерзанию и поддержкой нормальной влажности в помещении. Изделия из этого материала применяют в квартирах, домах, офисах.

Принцип работы пластинчатых рекуператоров следующий. Потоки отработанного и свежего воздуха поступают во входные клапаны и пересекаются в камере (кассете), при этом не смешиваясь благодаря системе перегородок. Теплообмен происходит за короткое время: пластины получают тепло от вытяжного потока и сразу же отдают его приточным массам. С одной стороны они нагреваются, с другой охлаждаются. Благодаря такому принципу работы этот вид рекуператоров также называют перекрестным.

Главное преимущество пластинчатых теплообменников — простая конструкция, которая ускоряет монтаж, настройку и обслуживание. Такие рекуператоры не имеют подвижных деталей, что также повышает срок их службы.

Исключение контакта встречных потоков расширяет сферу применения оборудования: например, изделия используют в стационарах. Однако при этом эффективность пластинчатых агрегатов снижается до 40–70%.

Единственный существенный минус устройств — конденсат в вытяжном канале, что зимой приводит к образованию наледи. Ее растапливает теплый вытяжной поток, а свежий воздух при этом направляют в обход теплообменника. Кроме того, можно предварительно нагревать входящий воздух до температуры выше нуля, при которой исключено образование наледи, или использовать пластинчатые перегородки из гигроскопической целлюлозы. Они впитают влагу из вытяжного потока и передадут ее приточным массам.

Промежуточный рекуператор

Рекуператоры с промежуточным теплоносителем также называют связанными или гликолевыми.

Первое связано с тем, что такие установки реализуют только в виде раздельной технологической схемы: один агрегат врезают в приточный канал, другой — в вытяжную магистраль. Теплообменники дополняют обвязкой, схема которой состоит из циркуляционного насоса, расширительного бака, общего контроллера, воздушного и предохранительного клапанов, датчика температуры и индикатора рабочего давления.

Второе происходит от наиболее распространенного варианта рабочей среды: водного раствора двухатомных спиртов, по устаревшей номенклатуре называвшихся гликолями. Обычно используют два спирта: этандиол (этиленгликоль) и пропандиол (пропиленгликоль), растворяемые в воде в концентрации 40–60% по массе.

Принцип работы систем очень прост. Промежуточная среда циркулирует между двумя агрегатами. Она получает тепло от отработанного воздуха, затем поступает в приточный канал, где отдает энергию свежему потоку с улицы. После этого цикл повторяется. Такая система получается замкнутой — полностью исключает физический контакт двух потоков и не допускает примешивания вытяжного воздуха в свежий приточный.

Связанные рекуперационные установки обладают следующими характеристиками:

• средний уровень КПД, который составляет всего 45–55%;
• возможность комбинации разного количества притоков и вытяжек;;
• Изменение эффективности установки за счет изменения скорости движения антифриза;
• антифриз предотвращает выпадение на приточном канале конденсата и образование наледи;
• рекуператор можно монтировать и горизонтально, и вертикально, а воздуховоды размещать на удалении друг от друга до 800 метров.

Рекуператоры данного типа окупаются примерно за два года эксплуатации. При этом объемы выводимого и поступающего воздуха должны быть примерно одинаковыми, в противном случае промежуточная среда либо не сможет получить достаточно тепла, либо нагреет нагнетаемый с улицы поток слишком сильно. Гликолевые теплообменники нужны в случае сильного загрязнения одного из потоков, чтобы исключить их смешивание.

Камерный рекуператор

Оборудование этого типа также называют камерным узлом и ценят за универсальность применения. С точки зрения конструкции установка представляет собой закрытый короб. Внутреннее пространство разделено подвижной заслонкой: она может передвигаться, изменяя просвет камеры внутри рекуператора.

Принцип работы:

1. Вытяжной поток отработанного воздуха движется вдоль первого канала агрегата, свежий воздух поступает с улицы во вторую камеру.
2. Отработанные массы передают свое тепло стенкам первого отсека.
3. Через некоторое время заслонка передвигается, входящий поток воздуха меняет свое направление и идет вдоль теплых стенок первого прибора.
4. В это время отработанные массы нагревают поверхность второй камеры. Когда ее температура достигает заданного значения, заслонка возвращается в исходное положение, и цикл запускается заново.

К несомненным преимуществам теплообменного узла камерного типа относят очень высокий КПД порядка 80–90% и поддержание комфортного уровня влажности в помещении. Кроме того, такие рекуператоры не обмерзают зимой благодаря закрытой конструкции. Их легко установить, а вместе с качественной теплоизоляцией они сведут к минимуму расходы на отопление, что особенно важно в частных домах и на дачах.

Камерные рекуператоры очень удобны в регионах, где большую часть года наблюдается значительная разница температур внутри и снаружи помещения.

При этом данное оборудование имеет некоторые недостатки. Во-первых, в этой установке есть подвижные элементы, которые необходимо регулярно проверять, чинить или заменять.

Во-вторых, встречные потоки все же частично смешиваются, из-за загрязнения и запахи могут возвращаться в помещения — но в значительно меньшей концентрации. Чтобы снизить объема подмеса, рекуператор оснащают фильтром. Это помогает сделать воздух в помещении чище, но ощутимо снижает эффективность теплового обмена.

Фреоновый рекуператор

Другое и более точное название — трубчатый, тепловая трубка. Более распространенный вариант наименования обусловлен тем, что в качестве хладагента чаще всего используют именно фреон — летучий фторированный углеводород. Он заполняет множество медных или алюминиевых трубок, из которых состоит рекуператор данного типа. При повышении температуры фреон переходит в газовое агрегатное состояние, а при ее понижении — возвращается в жидкую фазу. Энергия фазового перехода и обеспечивает теплообмен.

Трубку с фреоном располагают вертикально, чтобы нижний ее конец находился в вытяжном канале, а верхний в приточном воздуховоде. Поток отработанного воздуха огибает конец трубки, нагревая ее содержимое, отчего фторированный углеводород начинает кипеть и в итоге выпаривается. Газ поднимается по трубке и передает тепло входящему потоку, из-за чего охлаждается, конденсируется и стекает по стенкам трубы вниз. Цикл повторяется.

Среди технико-эксплуатационных преимуществ трубчатых рекуператоров:

• неплохая эффективность: КПД устройства достигает 65%;
• крайне низкий уровень фонового шума из-за отсутствия подвижных деталей;
• простая конструкция с длительным сроком службы;
• небольшие размеры и малый вес, дающий возможность бытового применения;
• энергетическая автономность, так как фреон движется естественным образом.

При этом трубчатые рекуператоры имеют и два существенных технических недостатка:

• Максимальная эффективность возможна только в узком температурном интервале. Резкий перегрев испаряет весь фреон, а слишком медленное нагревание снижает интенсивность парообразования. В обоих случаях тепловой обмен не происходит.
• Трубки с фторированным хладагентом имеют невысокую прочность. Их нетрудно деформировать или нарушить герметичность швов.

При этом конструкция фреоновых рекуператоров исключает даже частичное смешивание приточных и вытяжных воздушных масс. Оборудование универсально: его устанавливают в жилых домах (многоквартирных и частных, городских и загородных) и в различных общественных зданиях, на промышленных и производственных территориях небольшой площади.