ВЕНТИЛЯЦИОННАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к области вентиляции с рекуперацией тепла. Особо изобретение касается вентиляционных установок для небольших помещений, таких как жилье, офисы, врачебные кабинеты, палаты и др. Вентиляционные приборы для таких помещений в большинстве случаев выполняются как местные приборы. Они компактны, не требуют прокладки воздуховодов, подходят для различных климатических и эксплуатационных условий.
Проблема вентиляции современных квартир, иных жилых помещений, офисов, больничных палат стала особенно актуальной в связи с внедрением технологий плотного строительства, включающего установку герметичных окон и дверей. Если в крупных объектах используются центральные системы вентиляции, подающие и удаляющие воздух помещений по системам воздуховодов, то для небольших отдельных помещений, таких как квартиры, подобные решения чаще всего неприемлемы. Используются, в основном, местные системы вентиляции.
Современные строительные нормы и тенденции подорожания энергоносителей требуют обеспечивать весьма высокий уровень энергосбережения. В современных зданиях примерно 66% потерь тепла составляют вентиляционные потери - потери тепла с удаляемым из помещения вытяжным воздухом. Поэтому выполнение требований энергосбережения возможно только в системах вентиляции, реализующих процессы рекуперации тепла вытяжного воздуха.
В настоящее время для вентиляции небольших помещений чаще всего находят применение отдельные самостоятельные, как правило, приточные вентиляционные приборы. Удаление загрязненного воздуха производится традиционными вытяжными системами, расположенными в кухне или подсобных помещениях. Характерными представителями таких приточных приборов являются клапана КИВ (см. например, www.eneq.ru) Главным недостатком такой вентиляции является то, что воздух, подаваемый в помещение зимой, в большинстве случаев холоден и имеет температуру наружного, а удаляемый воздух подогрет и уносит большое количество тепла.
Существует небольшая группа местных вентиляционных приборов, решающая проблему энергосбережения. Это приточно-вытяжные приборы с утилизацией тепла вытяжного воздуха в перекрестно-точном или перекрестно-противо-точном рекуперативном теплообменнике (см. например, www.meltem.de; www.dezentral.info; www.datakrat-ks.ru/news/detail/88). Эти приборы компактны и приспособлены именно для монтажа в комнате обычной квартиры. Такие приборы одновременно осуществляют подачу свежего воздуха в помещение и удаление из него загрязненного по отдельным вентиляционным каналам, соединяющим их с улицей, и с помощью отдельного приточного и отдельного вытяжного вентилятора. При этом за счет теплообмена между свежим и удаляемым воздухом в рекуперативном теплообменнике свежий воздух подогревается практически без затрат энергии. Несмотря на высокую энергетическую эффективность, такие приборы имеют ряд недостатков. В процессе охлаждения удаляемого воздуха в теплообменнике происходит конденсация и замерзание содержащейся в нем влаги. Это приводит к перекрыванию инеем каналов теплообменника. В связи с этим в большинстве из приборов, например, в работающем по такому способу приборе Lossney (Mitsubishi) минимальная рабочая температура ограничена -10С (http://www.rusklimat.ru/catalog/household-fans-vortice/influx-and-extract-system/9442.html). То есть при низких наружных температурах, когда использование рекуперации тепла наиболее обосновано и с точки зрения сохранения энергии и с точки зрения комфорта, приборы просто не работают.
Известен ряд подобных приборов, в которых предусмотрена защита от перемерзания. К ним относится, в частности, прибор фирмы Мельтем (www.meltem.de). В них для защиты от замерзания уменьшают количество холодного приточного воздуха и сохраняют количество удаляемого. Однако это не только резко снижает эффективность энергосбережения, но в ряде случаев и опасно для жизни. Возникающее при этом понижение давления в помещении может приводить к «опрокидыванию» дымовых потоков в каминах, отопительных котлах итп. Кроме того, подаваемый такими приборами вымороженный свежий наружный воздух имеет низкую влажность, в то время как удаляемый воздух постоянно уносит с собой влагу из атмосферы помещения. Это вынуждает к применению в помещении увлажнителей воздуха. То есть требуется использование дополнительного дорогостоящего оборудования, которое к тому же способствует выходу из строя основного прибора из-за замерзания. Однако главным недостатком этих приборов является их дороговизна и то, что всасывание отработанного комнатного воздуха и подача свежего происходит в одном месте. При этом нельзя гарантировать распространение свежего воздуха по всему помещению.
Более эффективны приточно-вытяжные вентиляционные приборы, оснащенные регенератором. Для вентиляции небольших помещений наиболее подходят те из них, в которых регенератор неподвижен (см. Описание полезного м DE 29801917 U1 от 05.02.98 и DE 9301812 U1 от 10.02.93, а также www.inventer.de). В этих приборах подачу свежего и удаление комнатного воздуха осуществляют через один и тот же вентиляционный канал, соединяющий помещение и улицу. В канале установлен воздухопроницаемый теплоемкий регенератор, реверсивный осевой вентилятор, фильтр, и внутреннее воздухораспределительное устройство. В состав вентиляционной установки входят два таких прибора, устанавливаемых в различных помещениях или разных частях одного помещения. Оба прибора вентиляционной установки подключают к общему электронному блоку управления. Перед включением установки необходима разгерметизация вентиляционного канала. Ее выполняют вручную, открывая крышку воздухораспределительного устройства. Затем включают вентиляторы приборов, выбрав одну из трех скоростей их вращения на блоке управления. Технически это осуществляется подачей соответствующего питающего напряжения вентиляторов, которое в дальнейшем остается постоянным и одинаковым для обоих приборов. Алгоритм управления, заложенный в общем электронном блоке управления, предусматривает синхронное включение вентиляторов с вращением всегда в противоположные стороны. Когда первый прибор подает свежий воздух в помещение, второй - осуществляет удаление комнатного воздуха. Через заданный и внесенный в память блока управления промежуток времени синхронно направление вращения вентиляторов меняется. Прибор, осуществлявший приток, переходит к удалению воздуха и наоборот. При этом посредством воздухопроницаемого регенератора осуществляется тепло-, массообмен: при удалении комнатного воздуха тепла отдается о него к регенератору и последний нагревается. При последующем нагнетании свежего воздуха он нагревается, охлаждая регенератор. При охлаждении удаляемого воздуха в условиях низких наружных температур может происходить конденсация и замерзание содержащейся в нем влаги. Влага в виде кристаллов, капелек и пара частично выносится на улицу вместе с удаляемым воздухом, а частично осаждается на стенках регенератора в виде капелек и кристаллов инея. При последующем нагнетании сухого свежего воздуха влага сублимирует или испаряется и передается атмосфере помещения. Таким образом, поддерживается не только температурный режим помещения, но и приемлемый уровень влагосодержания атмосферы помещения. При выключении установки выключаются вентиляторы и во избежание сквозняка, вручную закрываются крышки воздухораспределительных устройств ее приборов.
Процессы теплопередачи в регенераторе более эффективны, чем в рекуперативных теплообменниках. Это позволяет легко достигнуть эффективности энергосбережения более 90%. При этом регенератор конструктивно проще и дешевле рекуперативного теплообменника. Подача свежего воздуха и удаление комнатного происходит в различных приборах, удаленных друг от друга и размещенных, как правило, в соседних помещениях. Благодаря этому, несмотря на отсутствие воздуховодов, достигается гарантированная вентиляция всего пространства. Частичный возврат влаги атмосфере помещения с одной стороны препятствует полному высыханию комнатного воздуха, а с другой - перемерзанию регенератора при низких наружных температурах. Благодаря этому описываемые приборы более приспособлены для работы в суровом климате, где энергосбережение имеет наибольшее значение и смысл.
Вместе с тем, описанная установка имеет ряд существенных недостатков. Питание приборов от общего блока управления усложняет монтаж установки, так как требует прокладки специально кабеля, что особенно неудобно при размещении приборов в удаленных друг от друга помещениях. Это также ухудшает и эксплуатационные свойства, так как для изменения производительности установки приходится идти в помещение, где установлен пульт. Ручное открывание при включении и закрывание при выключении установки крышек воздухораспределительных устройств неудобно и препятствует оптимальному размещению приборов. Из соображений наилучшего распределения воздуха приборы рекомендуется устанавливать высоко под потолком. Тогда, чуть более холодный свежий воздух, входя в помещение, опускается, наполняя комнату и исключая температурную стратификацию. Однако такое размещение при ручном открывании неудобно и приходится искать компромисс.
Однако главные недостатки связаны с неустойчивостью установки к негативным внешним воздействиям. К таким воздействиям относится, в частности, ветер. При порывах ветра образуется существенный перепад давления воздуха между улицей и помещением, особенно для многоэтажных многоквартирных домов. Этот перепад может быть положительным на одной стороне здания и отрицательным - на противоположной. Под воздействием перепада давления вентилятор прибора может ускорять или замедлять вращение и даже менять его направление. Соответственно нарушается соотношение между количеством свежего и удаляемого воздуха, а, следовательно, эффективность установки. При сильном ветре приходится выключать установку и вручную закрывать крышки воздухораспределительных устройств.
Другим вредным для энергосбережения внешним воздействием является работа в помещении традиционных вытяжных вентиляционных систем. Такие системы в кухне, туалете, ванной служат для удаления загрязненного воздуха, хотя в герметичном помещении при отсутствии притока они практически неработоспособны. Они лишь создают в помещении пониженное давление. При наличии в помещении приточно-вытяжной установки любого типа (это справедливо как для установок с рекуперативным теплообменником, так и с регенератором) вытяжные системы оживают и начинают интенсивно удалять часть воздуха. При этом количество наружного воздуха, поступающего через энергосберегающие приточно-вытяжные приборы, становится больше количества ими удаляемого. Воздух, удаляемый через вытяжные системы, покидает помещение, унося тепло на улицу. Это ведет не только к потерям в энергосбережении. Нарушение баланса между притоком и вытяжкой в рассматриваемой приточно-вытяжной установке ведет к понижению температуры входящего в помещение свежего воздуха. И хотя работа вытяжных вентиляционных систем в подсобных помещениях (туалете, ванной, кухне) необходима лишь периодически, кратковременно, незначительную долю времени суток, но неожиданный поток холодного воздуха из вентиляционного прибора, например, в детской или спальне при включении света и вентилятора в туалете является серьезным недостатком.
Перечисленные недостатки, несмотря на высокие энергетические характеристики и эксплуатационные качества, снижают потребительскую ценность известной приточно-вытяжной установки с рекуперацией тепла удаляемого воздуха и являются одной из причин слабого распространения этой технологии энергосбережения.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, упрощение монтажа установки, улучшение ее характеристик при воздействии внешних (ветровая нагрузка) и внутренних (вытяжные системы в подсобных помещениях) негативных эксплуатационных условий, расширение сервисных возможностей управления установкой потребителем.
Поставленная цель достигается тем, что в известной вентиляционной установке, содержащей монтируемые в различных помещениях или различных частях одного помещения первый и второй вентиляционные приборы, в состав каждого из которых входит вентиляционный канал, соединяющий помещение с улицей, и установленные в нем воздухопроницаемый теплоемкий регенератор или регенераторы, осевой вентилятор для побуждения реверсивного потока воздуха, фильтр или фильтры, комнатное воздухораспределительное устройство, а также электронный блок, управляющий и синхронизирующий работу вентиляторов, таким образом, что когда первый прибор удаляет комнатный воздух, второй нагнетает в помещение свежий воздух, и наоборот, первый и второй приборы вентиляционной установки дополнительно оснащены:
- датчиком контроля фактической скорости вращения вентилятора и системой регулирования, поддерживающей заданную скорость, причем блок управления позволяет задать различные скорости для первого и второго прибора, а также различные скорости прямого и обратного вращения;
- датчиком температуры, подключенным к блоку управления и установленным в вентиляционном канале вблизи комнатного воздухораспределительного устройства таким образом, что он последовательно контролирует температуру проходящего комнатного и приточного воздуха,
- воздушным клапаном с электроприводом, подключенным к электронному блоку и по его сигналу способным по крайней мере частично перекрыть вентиляционный канал в случаях понижения температуры приточного воздуха ниже допустимого значения и полностью перекрыть его по окончании вентиляции, а также полностью открыть вентиляционный канал в начале вентиляции и перед началом удаления комнатного воздуха, если клапан был ранее закрыт из-за понижения температуры приточного воздуха ниже допустимого значения.
Кроме того, для удобства управления при монтаже первого и второго приборов в различных помещениях электронный блок выполнен в виде двух пультов, каждый из которых размещен вблизи соответствующего первого или второго прибора, снабжен дополнительным пультом дистанционного управления и независимо управляет этим прибором вентиляционной установки, а синхронизация первого и второго приборов осуществляется по цепи питания переменным током.
Таким образом, предложена вентиляционная установка для местной вентиляции небольших помещений с рекуперацией тепла удаляемого воздуха состоящей из двух вентиляционных приборов с неподвижным регенератором. Усовершенствования конструкции касаются оснащения приборов воздушными клапанами с электроприводом, датчиками скорости вращения вентилятора и температуры воздуха, а также отдельными для каждого прибора установки электронными пультами управления, работа которых синхронизирована. Конструкции отдельных элементов приборов установки на момент изобретения известны. Однако перечисленное сочетание признаков, характеризующих предлагаемую вентиляционную установку, в доступной информации отсутствует. Именно это ранее не встречавшееся сочетание признаков позволяет получить новые, не известные из доступной информации технические характеристики вентиляционной установки, изложенные в настоящем описании полезной модели. Это сочетание конструктивных признаков установки дает новые потребительские и эксплуатационные качества, отсутствующие у прототипа, и устраняет его недостатки. Новыми качествами является работоспособность и эффективность при совместной работе традиционными вытяжными вентиляционными устройствами, размещенными в помещении, работоспособность при воздействии ветровой нагрузки, удобство монтажа, новые сервисные свойства при эксплуатации. Эти качества достигаются именно благодаря включению в состав установки предложенных дополнительных элементов: датчиков температуры и скорости, клапана с электроприводом, блоков управления, которые в предложенном сочетании позволяют реализовать различные приведенные в описании режимы работы установки и обеспечить выполнение сформулированной выше цели. Этим, по мнению автора, обеспечена новизна и полезность предлагаемого единого технического решения.
Техническое решение полезной модели поясняется чертежами и схемами. На фиг.1 приведена схема вентиляционной установки. На фиг.2 приведен продольный разрез одного прибора вентиляционной установки. На фиг.3 представлена конструкция воздушного клапана. На фиг.4 и 5 представлены поясняющие циклограммы работы установки.
Вентиляционная установка (см. схему фиг.1) включает два вентиляционных прибора 1 и 2, установленные в различных помещениях и разных частях одного помещения. Управление вентиляционной установкой осуществляется электронным блоком управления, состоящим из двух пультов 3 и 4. Каждый из приборов 1 и 2 оснащен собственным отдельным пультом 3 и 4, соответственно, подключенным к общей сети питания переменным током. В комплект пульта 3 и 4 может быть включен пульт дистанционного управления 5.
Каждый из входящих в вентиляционную установку приборов 1 и 2 имеет вентиляционный канал 6, в котором размещены воздухопроницаемый теплоемкий регенератор или регенераторы 7, реверсивный вентилятор 8, наружная решетка 9, внутреннее воздухораспределительное устройство 10 с фильтром 11 и воздушный клапан 12 с электроприводом 13. В непосредственной близости от воздухораспределительного устройства 10 расположен датчик температуры 14. Вентилятор 8 оснащен датчиком скорости вращения 15. Вентилятор 8, датчик температуры 14, датчик скорости вращения 15 и электропривод 13 воздушного клапана 12 приборов 1 и 2 подключены к блоку управления 3 и 4, соответственно.
Конструктивно каждый из двух приборов вентиляционной установки (фиг.2) выполнен следующим образом. Он имеет продолговатый вентиляционный канал - корпус 6, один конец которого через канал или отверстие 15 и наружную решетку 9 сообщается с наружным воздухом, а второй конец через канал или отверстие 17 и внутреннее воздухораспределительное устройство 10 - с атмосферой помещения. Прибор может монтироваться на наружной поверхности стены, внутри помещения, либо, и преимущественно, непосредственно в стене, как и показано на фиг.2. Внутри вентиляционного канала 6 размещены: воздухопроницаемый теплоемкий регенератор или регенераторы 7, реверсивный вентилятор 8 с датчиком скорости вращения 15, воздушный клапан 12 с электроприводом 13 и фильтр комнатного воздуха 11. При монтаже приборов на первых этажах зданий или в районах с сильной запыленностью наружного воздуха может быть установлен дополнительный фильтр наружного воздуха 16. Вблизи от воздухораспределительного устройства 10 размещен малоинерционный датчик температуры воздуха 14. Датчик скорости вращения вентилятора 15 может быть выполнен, например, как датчик Холла или оптопара. В качестве электропривода 13 может быть использован, в частности, миниатюрный мотор-редуктор на базе синхронного электродвигателя.
Синхронизация пультов 3 и 4 производится в момент подачи напряжения в общую сеть питания 220 В. При этом пульты 3 и 4 настроены так, что один из приборов начинает свою работу с процесса удаления комнатного воздуха (процесса вытяжки), а другой - с процесса подачи свежего воздуха (притока).
Конструкция воздушного клапана 12 более детально показана на рис.3. Клапан 12 состоит из основания 21, устанавливаемого в вентиляционный канал 6 или корпус воздухораспределительного устройства 10, и шибера 22. Шибер 22 установлен на валу 24 электропривода 13, таким образом, что при его вращении шибер 22 может перекрывать окна 23 основания 21. На основании 21 клапана 12 установлен датчик температуры 14.
Вентиляционная установка работает следующим образом. Включение установки производится с помощью пультов 3 и 4, соответственно, или входящего в их комплект пульта дистанционного управления 5. Включение приборов может производиться одновременно, последовательно, может быть включен только один прибор 1 или 2. В последнем случае, естественно, эффективность воздухообмена снижается.
При включении пульты 3 и 4 вырабатывают сигнал на полное открывание клапанов 12. По этому сигналу электропривод 13 осуществляет поворот шибера 22 клапана 12 на заданный угол относительно основания 21. Окна 23 при этом полностью открываются. Далее включаются вентиляторы 8 приборов 1 и 2, причем направление вращение вентиляторов 8 выбрано так, что прибор 1 начинает вентиляцию с удаления комнатного воздуха (вытяжки), а прибор 2 - с подачи свежего воздуха (притока). Это видно из циклограммы фиг.4. При работе приборов эти процессы последовательно повторяются. Длительности обоих процессов строго заданы в каждом из пультов 3 и 4 и равны между собой. При удалении комнатного воздуха поток, всасываемый вентилятором 8 через комнатное воздухораспределительное устройство 10, имеет примерно постоянную, комнатную температуру. Она фиксируется датчиком температуры 14. Теплый комнатный воздух проходит через воздухопроницаемый теплоемкий регенератор (или регенераторы) 7 и прогревает его. При этом комнатный воздух охлаждается и затем через наружную решетку 9 удаляется на улицу.
Скорость вращения вентиляторов 8 и, следовательно, производительность вентиляционной установки задается потребителем и контролируется датчиком скорости 15. В случае, если фактическая скорость не соответствует заданной, пульт 3 или 4 изменяет параметры питания вентилятора 8 по одному из законов (П, ПИ, или ПИД) регулирования, таким образом, чтобы восстановить заданное значение. Благодаря этому снижается влияние на работу установки таких негативных факторов как порывы ветра, включение вытяжных вентиляционных устройств в подсобных помещениях и т.п.
По истечении заданного времени пульты 3 и 4 формируют сигналы на измерение направления вращения вентиляторов 8.
В обычных условиях эксплуатации, при отсутствии негативных внешних факторов, соответствие температуры приточного воздуха допустимым значениям гарантировано выбором параметров теплообменного аппарата - регенератора 7, производительности вентилятора 8 и длительности процессов притока и вытяжки. То есть, например, при температуре комнатного воздуха +22С приточный воздух не может быть холоднее +14С. Понижение температуры приточного воздуха в какой-то момент процесса притока ниже допустимой, как правило, является следствием того, порция холодного свежего воздуха прошедшего через регенератор намного превысила порцию удаленного ранее через регенератор комнатного воздуха. Это происходит при порывах ветра или в силу работы вытяжных устройств на кухне, в туалете или ванной, создавших дополнительную сильную тягу, которая уже не может быть компенсирована изменением скорости вращения вентилятора. В силу повышенной тяги заданное количество свежего воздуха проходит через прибор за время меньшее, чем запрограммированная длительность притока. Таким образом, понижение ниже допустимой величины температуры подаваемого в помещение приточного воздуха является сигналом для ограничения притока. Приток может быть ограничен снижением скорости вращения вентилятора 8 относительно заданной или его полной остановкой, и/или частичным или полным закрыванием с помощью электропривода 13 воздушного клапана 12. Для компенсации возросшего притока может быть также увеличена относительно заданной скорость вращения вентилятора при осуществлении вытяжки.
Конструкция прибора позволяет реализовать любой из названных режимов работы и алгоритмов управления. В любом из этих случаев нарушение баланса между количеством приточного и вытяжного воздуха в рассматриваемом приборе будет если не восстановлено полностью, то сведено к допустимому, а поступление холодного воздуха - предотвращено. В наиболее простом для осуществления случае, циклограмма для которого приведена на фиг.5, при достижении температурой приточного воздуха значения ниже допустимого до конца текущего процесса притока выключается вентилятор 8 и полностью закрывается воздушный клапан 12. По истечении заданного времени, отведенного для притока, открывается воздушный клапан 12 и реверсируется вентилятор 8.
На циклограмме фиг.5 показан характер изменения температуры воздуха, фиксируемой датчиком 14. В процессе вытяжки датчик 14 контактирует с комнатным воздухом. Его температура в течение всего процесса постоянна. Далее в процессе притока температура подаваемого в помещение свежего воздуха постепенно понижается. Это определено постепенным отбором тепла и охлаждением теплоемкого регенератора 7. Размеры регенератора 7 и длительность процесса, производительность вентилятора 8 выбраны таким образом, что при штатной работе установки температура подаваемого в помещение воздуха всегда остается выше минимально допустимой. Влияние негативных внешних воздействий, например, ветра, видно во втором цикле. Количество холодного воздуха, проходящего через регенератор 7 в единицу времени из-за ветра увеличивается. Естественно, что регенератор охлаждается быстрее и быстро, быстрее, чем при штатной работе, падает температура подаваемого в помещение воздуха. При значительных нарушениях баланса она может опускаться ниже заданной, что и показано на фиг.5 во втором цикле. При этом по сигналу датчика 14 закрывается клапан 12 и выключается вентилятор 7. Это состояние сохраняется до конца времени, отведенного на процесс притока свежего воздуха. Далее клапан 12 открывается, вентилятор 8 включается на вытяжку, процессы повторяются. При исчезновении негативного фактора прибор переходит к штатной работе.
Оптимальная вентиляция достигается при работе обоих приборов 1 и 2 установки с примерно равной производительностью вентиляторов 8. Однако наличие самостоятельных пультов управления 3 и 4 позволяет в отдельных случаях использовать различные скорости вращения вентиляторов 8 в разных приборах 1 и 2 установки. Это хотя и несколько ухудшает вентиляцию, но создает иные положительные качества. В частности, для уменьшения вентиляционного шума, например, в спальне, можно задать вентилятору 8 прибора 2, установленного там, меньшую скорость, а вентилятору 8 прибора 1, установленного в ином помещении, например, в жилой комнате - большую. При этом фактическая производительность каждого из приборов 1 и 2 пары будет примерно одинаковой и равной средней величине, из заданных для каждого отдельного прибора значений, а шум в критичном к нему помещении будет снижен. Частным случаем такого режима является режим, при котором полностью отключается вентилятор 8 одного из приборов, например, 2, но остается открытым его воздушный клапан 12, а реверсивный поток обеспечивается за счет интенсивной работы вентилятора 8 второго прибора (1) установки.
Приведенная конструкция предлагаемой вентиляционной установки позволяет реализовать любой из перечисленных режимов, что было невозможно в прототипах.
И, наконец, включение в состав вентиляционной установки пультов дистанционного управления упрощает выбор режимов, управление установкой, сервисные возможности.
Установка, полностью соответствующая предлагаемому техническому решению, создана на основе испытаний и анализа недостатков установки, выбранной в качестве прототипа. Она готовится в настоящее время к производству.