УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМЕ ВЕНТИЛЯЦИИ ОФИСНЫХ И ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к вентиляционной технике, кондиционированию воздуха и энергосбережению.
В условиях сурового климата России остро стоит вопрос об экономии тепла на обогрев офисных и жилых помещений. Введение новых нормативных значений термических сопротивлений привело к существенному уменьшению тепловых потерь через стены и окна, так что основным источником теплопотерь теперь является система вентиляции. В литературе отмечается, что около 50-70% от общих затрат тепла на обогрев жилых помещений теряется в этой системе. Все это делает актуальной задачу снижения затрат тепла на нагрев приточного воздуха в системе принудительной вентиляции, которая является обычной для рабочих и офисных помещений. Для жилых помещений переход на такую вентиляцию, по-видимому, предстоит в ближайшее время в связи с широким использованием в строительстве герметичных окон.
Обычное решение проблемы энергосбережения связано с использованием теплого воздуха, выходящего из помещения, для подогрева холодного воздуха, поступающего в помещение. Для этого обычно используют теплообменные устройства рекуперативного и регенеративного типа [Пат. РФ 2120087, F 24 E 11/00, 10.10.98; Пат. РФ 2119129, F 24 D 9/00, 20.09.98].
3
3
Однако в странах с холодным климатом на пути практической реализации этого способа регенерации тепла стоят два серьезных препятствия. В первую очередь это наличие значительного количества влаги в выходящем из помещения воздухе, что приводит к конденсации воды и образованию льда в холодной части теплообменника, что может полностью блокировать его работу. Так, при относительной влажности в помещении 50% и температуре 20°С абсолютная влажность составляет 8.6 г/м, что соответствует точке росы +9°С. При той же температуре и при влажности 20% в воздухе содержится 3.4 г воды на 1 м, которая будет конденсироваться при -4°С и замерзать.
Кроме того, баланс влаги в помещении нарушается, т.к. с выходящим воздухом удаляется на улицу больше влаги, чем ее поступает со свежим воздухом с улицы. Естественно, что в зимнее время влажность в помещении при такой организации вентиляции будет понижаться и выходить далеко за пределы зоны комфортного
микроклимата. В соответствии с СанПиНами оптимальная относительная влажность воздуха в жилых и офисных помещениях даже в зимний период составляет 40-60%. В реальной практике в декабре-феврале она может понижаться до 10-15% и даже ниже, несмотря на то, что в таких помещениях непрерывно генерируется влага за счет использования бытовых приборов, испарения влаги с поверхности кожи работающего персонала и пр.
Наиболее близкими являются устройство для регулирования теплообмена в системе вентиляции [Пат. РФ №2075718, F 28 D 17/00, 20.03.1997]. Устройство работает следующим образом. Греющий газ (продукты сгорания), проходя через насадку сверху вниз, отдает тепло насадке. В следующий период работы регенератора нагреваемая среда (воздух)) поступает снизу вверх, получая тепло от нагретой насадки. Затем процесс циклически повторяется. Насадка регенеративного теплообменника в данном изобретении представляет собой систему металлических полусфер, расположенных в шахматном порядке на боковых гранях плоских пластин. Применение металлических элементов в регенеративных теплообменниках приводит к частичной конденсации влаги при движении теплого влажного воздуха из помещения и испарении ее при поступлении сухого холодного наружного воздуха. Как уже отмечалось, применение таких теплообменников в условиях холодного климата может приводить к замерзанию сконденсированной влаги и частичной или полной закупорке проходных каналов в теплообменной насадке.
Задачами, на решение которых направлено предлагаемое техническое решение, являются повышение степени утилизации теплоты вытяжного воздуха, предотвращение замерзание конденсата при низких температурах наружного воздуха и повышение термического комфорта в офисных и жилых помещениях.
Для решения этих задач предлагается использовать устройство - регенеративный теплообменник, в котором перед теплоаккумулирующей средой, выполняющей функцию регенерации теплоты, размещен слой сорбента, способного поглощать пары воды и отдавать пары воды в проходящий через него воздух, регулирую тем самым его влажность, т.е. решает задачу обмена влагой между входящим и выходящим воздушными потоками.
Воздух из помещения вначале проходит через слой сорбента, в котором поглощается содержащаяся в воздухе влага, так что влажность на выходе всегда ниже предела конденсации при температуре улицы. Далее воздух поступает в теплоаккумулирующую среду, где его температура понижается практически до
температуры наружного воздуха, после чего он выбрасывается в атмосферу. После прогрева теплоаккумулирующей среды направление движения воздуха меняется на обратное. Наружный воздух сначала нагревается в теплоаккумулирующем слое, а затем насыщается влагой в слое сорбента до влажности, близкой к исходной влажности в помещении.
В этом случае в слой теплоаккумулирующей насадки попадает уже осушенный воздух, поэтому конденсации и замерзания влаги не происходит. При обратном движении холодный сухой наружный воздух сначала нагревается в слое теплоаккумулирующей насадки, а затем увлажняется, проходя через слой влажного сорбента, и подается в помещение при комфортной температуре и влажности.
На Фиг.1 представлена схема устройства, где: 1 - корпус теплообменника, 2 - вентилятор вытяжной, 3 - сорбент, 4 - теплоаккумулирующий слой, 5 - вентилятор приточный.
Само устройство представляет собой замкнутый объем, например, трубу круглого, прямоугольного или другого сечения, один конец которой (теплый) выходит в комнату, а другой (холодный) - на улицу. В теплую часть трубы помещают реверсивный вентилятор, поочередно засасывающий воздух из комнаты или с улицы, либо устанавливают два прямоточных вентилятора на разных концах трубы (Фиг.1). Вентиляторы могут быть размещены и в центральной части трубы. Далее в теплую часть трубы помещают стационарные или съемные кассеты с сорбентом и затем - с теплоаккумулирующим материалом. Переключение направления потока воздуха производят либо при достижении определенной разности температур между воздухом в комнате и на выходе устройства, либо через фиксированное время, типичное для данного разряда помещений. Устройство может быть установлено в пространстве под подоконником или в наружной стене, вставлено в стандартные каналы для естественной вентиляции, являться частью герметичного окна или размещаться иным образом.
Для уменьшения габаритов и веса устройства используют сорбенты, способные поглощать и удерживать большое количество влаги по отношению к своему сухому весу. Поэтому наряду со стандартными однокомпонентными осушителями, например, оксид кремния, оксид алюминия, цеолит мы предлагаем использовать новые более эффективные двухкомпонентные сорбционные материалы. Эти сорбенты могут быть получены из стандартных осушителей путем их модифицирования гигроскопичными солями (хлоридом кальция, бромидом лития и др.), что позволяет увеличить их динамическую сорбционную емкость в 2-3 раза при сохранении низкой точки росы
3
осушенного воздуха (ниже температуры наружного воздуха). Как стандартные, так и модифицированные сорбенты будут выдерживать в таком устройстве большое число циклов сорбция-десорбция, поскольку "работают" в узком диапазоне изменения температуры. В качестве теплоаккумулирующей насадки используют гранулированные материалы с высокой объемной теплоемкостью не ниже 1.5 Дж/(г см), например: отходы керамики, шлаки, отсев гравия, либо отходы металлургического производства, например, чугунную крошку, с размером гранул 2-6 мм.
Время переключения направления движения воздуха зависит от требуемой кратности воздухообмена, количества сорбента и теплоаккумулирующей засыпки, а также заданной степени регенерации теплоты и влаги. Обычно его разумно выбирать в интервале от 2 до 20 мин. На Фиг.2 представлена зависимость времени переключения потоков от объемной скорости воздуха на входе. Теплозапасающая среда - шары из свинца ⌀4.5 мм, длина засыпки 166 мм.
об
об
Сравнение времен переключения Δτ для свинцовых шаров диаметром 3.5 мм и стеклянных шаров диаметром 3.2 мм (т.е. примерно одинакового размера) показывает, что Δτ меняется примерно пропорционально объемной теплоемкости материала С, т.е. произведению массовой теплоемкости на плотность. Следовательно, в качестве теплоаккумулирующей насадки надо использовать материалы, которые обладают максимальной величиной С.
Наилучшими характеристиками обладает вода, имеющая высокую массовую теплоемкость. Железо имеет хорошие характеристики в первую очередь благодаря ее высокой плотности, а "тяжелый" свинец значительно уступает некоторым другим "легким" металлам и диэлектрикам, которые имеют гораздо более высокую массовую теплоемкость. С практической точки зрения наибольший интерес представляют оксиды металлов. Так, объемная плотность запасания тепла для керамики на основе оксида алюминия почти такая же, как для железа, при гораздо более низкой стоимости. Примерно такими же характеристиками обладают минеральные соединения - глины, гравий и пр. В связи с этим в практических устройствах, видимо, целесообразно делать засыпки из оксидных материалов, типа отходов керамики, шлаков, отсева гравия и пр. либо отходов металлургического производства, например, чугунной крошки.
Оказалось, что хотя у керамики теплопроводность λ гораздо ниже, чем у металла, это практически не влияет на скорость теплообмена между материалом гранулированной засыпки и потоком воздуха. Объяснение этого состоит в том, что в
2
-2
2
-5
2
-3
2
условиях процесса, реализуемых в регенераторе, передачи тепла от воздуха к твердому телу лимитируется теплоотдачей на поверхности насадки. Действительно, в условиях реализуемых в регенераторе коэффициент теплоотдачи а меняется от 20 до 100 Вт/(м К), а связанное с ним термическое сопротивление, соответственно, равно 1/α=(1-5)·10(м К)/Вт. Термическое сопротивление внутри единичной частицы засыпки (условно в форме шара радиуса R) можно оценить как R/λ. Для шаров радиусом 2 мм оно равно 2.5·10 (м К)/Вт для железа и 2·10 (м К)/Вт для стекла, что гораздо меньше, чем сопротивление на внешней поверхности частицы. Таким образом, даже в случае керамической частицы градиентом температуры по ее радиусу можно пренебречь, поэтому теплопроводность материала засыпки не накладывает серьезных ограничений на процесс ее теплообмена с потоком воздуха вплоть до размера частиц насадки 6-10 мм. Более того, малый коэффициент продольной теплопроводности слоя керамических частиц делает тепловой фронт более узким, что увеличивает степень регенерации теплоты или время между переключениями.
Таким образом, в гранулированном варианте насадки размер ее частиц должен лежать в интервале (1.5-2)÷(4-6) мм. Для более крупных частиц начинает сказываться низкая собственная теплопроводность, и, кроме того, ширина теплового фронта увеличивается. Более мелкие частицы создают высокое гидродинамическое сопротивление, что увеличивает затраты энергии на прокачку воздуха и ухудшает параметры устройства. Гидродинамическое сопротивление слоя сферических стеклянных шаров диаметром 3.2 мм и слоя цилиндрических частиц адсорбента диаметром 4.5 мм и длиной 6 мм.