Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 107-91-50 ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"

АВОК ассоциированный
член
Summary:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции – использование отработанной теплоты или источник возобновляемой энергии?

Heat recovery in ventilation systems use of waste heat or a renewable energy source?

Claus Handel, Technical Secretary of the European Ventilation Industry Association (EVIA)

Keywords: EU Directives, renewable energy source (RES), RES definitions, heat recovery, calculation methods, primary energy

Requirement to use renewable energy sources is included in many technical and national standards of EU member states for many years. However today there is still no single and unified approach to the terms, definitions and calculations. RES terms and definitions from different regulatory documents in ventilation and air conditioning standards may differ and even contradict each other. This article describes the differences between heat recovery and use of waste heat, and offers a definition and calculation method for the share of renewable energy during heat recovery in ventilation and air-conditioning systems.

Описание:

Требование использования возобновляемых источников энергии содержится во многих технических и национальных стандартах стран ЕС уже много лет. Однако единого и унифицированного подхода к терминам, определениям и расчетам на сегодняшний день так и не появилось. В стандартах по вентиляции и кондиционированию термины и определения по ВИЭ различных нормативных документов могут не совпадать или даже противоречить друг другу. Данная статья описывает различия между рекуперацией теплоты и использованием отработанной теплоты и дает определение и методику расчета доли возобновляемой энергии при рекуперации теплоты в системах вентиляции и кондиционирования.

Рекуперация теплоты в системах вентиляции - использование отработанной теплоты или источник возобновляемой энергии?

Требование использования возобновляемых источников энергии содержится во многих технических и национальных стандартах стран ЕС уже много лет. Однако единого и унифицированного подхода к терминам, определениям и расчетам на сегодняшний день так и не появилось. В стандартах по вентиляции и кондиционированию термины и определения по ВИЭ различных нормативных документов могут не совпадать или даже противоречить друг другу. Данная статья описывает различия между рекуперацией теплоты и использованием отработанной теплоты и дает определение и методику расчета доли возобновляемой энергии при рекуперации теплоты в системах вентиляции и кондиционирования.

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

Определение возобновляемого источника энергии, основанное на подходе к первичной энергии как таковой, – это объективный и технологически неангажированный подход к расчету доли возобновляемых источников в любом типе энергетической установки.

1. Правовая база ЕС

Основными нормативными документами ЕС по возобновляемым источникам энергии являются:

• Директива ЕС 2018/2001 года о содействии использованию энергии из возобновляемых источников [1];

• Директива ЕС 2018/844 об энергоэффективности зданий [2].

Рассмотрим определения из Директивы ЕС 2018/2001.

«Энергия из возобновляемых источников» (energy from renewable sources) или «возобновляемая энергия» (renewable energy) (п. 1) означает энергию из возобновляемых неископаемых источников, а именно ветряную, солнечную (солнечную тепловую и солнечную фотоэлектрическую) и геотермальную энергию, энергию окружающей среды, энергию приливов, волн и других океанических энергий, гидроэнергию, биомассу, свалочный газ, газ очистных сооружений и биогаз.

 «Окружающая энергия» (ambient energy) (п. 2) означает природную тепловую энергию и энергию, накопленную в окружающей среде с ограниченными границами, которая может аккумулироваться в окружающем воздухе (исключая удаляемый/вытяжной воздух), ограждающих конструкциях, поверхностных водах или сточных водах (канализация).

 «Отработанные теплота и холод» (waste heat and cold) (п. 9) означают теплоту или холод, образующиеся в качестве побочного продукта в промышленных, энергетических или иных установках (в том числе установках, где использовался или будет использоваться процесс когенерации или где когенерация невозможна), которые будут рассеиваться неиспользованными в воздухе или воде без доступа к централизованной системе отопления или охлаждения.

Определение «окружающего воздуха» из п. 2 нельзя назвать четким, прозрачным и имеющим под собой понятную физическую основу. Это же касается и определения «отработанной теплоты и холода» из п. 9. Трактовка этих определений всегда зависит от контекста и от конкретных условий проекта.

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

Директивы ЕС дополнены и подкреплены национальными нормативными актами по развитию возобновляемых источников энергии. Например, в Германии это «Закон о поощрении использования возобновляемых источников энергии в теплоснабжении» (EEWärmeG) и региональные законы, например EWärmeG в земле Баден-Вюртемберг.

Если детально рассмотреть только упомянутые выше документы, то обнаружится, что единого подхода к вопросу о том, к чему относить рекуперацию теплоты в системах вентиляции, нет. Рекуперация теплоты в системе вентиляции в энергобалансе здания, согласно этим документам, может:

• не учитываться;

• рассматриваться как использование отработанной теплоты и не учитываться в статистике;

• рассматриваться как использование отработанной теплоты и по разным методикам учитываться для разных типов зданий.

Выдвигаемые в статье предложения относятся исключительно к инженерным системам здания – отопление, вентиляция, кондиционирование.

Определение возобновляемого источника энергии, основанное на подходе к первичной энергии как таковой, – это объективный и технологически неангажированный подход к расчету доли возобновляемых источников в любом типе энергетической установки.

Вывести такой подход нам поможет Директива 2018/2001 и изложенная в приложении VII методика, рассматривающая аэро-, гео- либо гидротермальную энергию, потребляемую тепловыми насосами, как энергию из возобновляемых источников ERES:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции(1)
 

где Qusable – полезная энергия, вырабатываемая тепловым насосом. В расчет принимаются только тепловые насосы с показателем SPF > 1,15 × 1/η; SPF – сезонная эффективность теплового насоса, в данной статье равна COP; ηis – КПД производства электроэнергии по первичной энергии (в данной статье используется 1/fpr).

В соответствии с рекомендациями [3] ηis для тепловых насосов, работающих на электроэнергии, составляет 0,45. В случае с абсорбционными тепловыми насосами следует использовать значение ηis = 1,0.

Минимально допустимый SPF:

• для тепловых насосов, работающих на электроэнергии, составляет 2,55;

• для абсорбционных тепловых насосов – 1,15.

Основываясь на формуле (1), можно сформулировать условие, при котором допустимо считать рекуперацию как энергию от возобновляемого источника:

 

Рекуперация теплоты в системах вентиляции(2)

Иными словами, говорить о возобновляемой энергии можно, если полезная энергия, получаемая потребителем от энергетической установки, на 15 % больше, чем энергопотребление установки по первичной энергии.

Рекуперация теплоты и использование отработанной теплоты

При расчете энергобаланса здания рекуперация теплоты, как правило, рассматривается как использование отработанной теплоты. Следует отметить, что существуют физические различия между рекуперацией отработанной теплоты и рекуперацией теплоты в системах вентиляции (см. Примеры адаптивных систем вентиляции с рекуперацией теплоты. – Прим. ред.).

Следующие примеры призваны это проиллюстрировать.

Использование отработанной теплоты

Если здание отапливается топливным котлом (рис. 1), то, например, только 75 % энергии от топлива идет непосредственно на нагрев теплоносителя, 25 % энергии топлива (отработанная теплота) рассеивается в атмосфере с газо-образными продуктами сгорания. В рассматриваемом примере КПД утилизации отработанной теплоты составляет 80 %, то есть 20 % от полной энергии топлива, потребляемого котлом, и, соответственно, только 5 % отработанной теплоты рассеивается в атмосфере.

Изменение СДЗ в течение первых 15 лет срока окупаемости системы

Рисунок 1.

Утилизация отработанной теплоты от топливного котла

Это классическое использование отработанной теплоты от процесса сгорания топлива. Она может быть использована один раз как энергия от сгораемого топлива.

Рекуперация теплоты в системе вентиляции

Для начала рассмотрим систему вентиляции без рекуперации теплоты (рис. 2). Энергия топлива, расходуемая на нагрев приточного воздуха, используется лишь единожды и уходит в вытяжку.

Пример системы вентиляции без рекуперации теплоты

Рисунок 2.

Пример системы вентиляции без рекуперации теплоты

В случае если используется система вентиляции с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха (рис. 3), энергия топлива возвращается в систему вентиляции, причем не один раз. Допустим, мы используем рекуператор с КПД 50 %, тогда, если на первом этапе на нагрев приточного воздуха требуется 1 кВт, мы утилизируем из вытяжного воздуха 0,5 кВт.

Пример системы вентиляции с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха

Рисунок 3.

Пример системы вентиляции с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха

При этом важно понимать, что процесс рекуперации в системе вентиляции является цикличным, то есть в первом «цикле» мы утилизируем 50 % от энергии топлива, использованного для нагрева приточного воздуха на запуске системы, во втором «цикле» мы повторно утилизируем уже 25 % и так далее (рис. 4).

Пример системы вентиляции с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха

Рисунок 4.

Пример системы вентиляции с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха

Получается, что энергия становится возобновляемой.

Если бы КПД рекуператора составлял 100 %, то, нагрев воздух до требуемой температуры один раз, мы могли бы не тратить больше топливо и считать всю затраченную энергию возобновляемой во втором и следующих циклах.

Процесс цикличного использования энергии при рекуперации теплоты удаляемого воздуха системой вентиляции может быть описан формулой:

  

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

Расчет доли возобновляемой энергии в системе вентиляции с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха

Для простоты понимания процесса не будем учитывать расход энергии на транспортировку воздуха (вентилятор)1. Основываясь на формуле (1) для тепловых насосов и для заданного цикла повторений процесса при КПД рекуперации ηt [0…100 %], имеем:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

Тогда полезная энергия, вырабатываемая приточно-вытяжной установкой, может быть рассчитана как:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

При круглосуточной работе системы вентиляции количество циклов стремится к бесконечности; соответственно, КПД установки можно выразить как:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

Допустим, что вентиляция не используется для воздушного отопления и наружный воздух в приточной установке догревается только до температуры воздуха в помещении, а теплопотери через ограждающие конструкции и инфильтрация компенсируются системой отопления. Тогда мы можем условно разделить системы. В случаях, когда вентиляция отключается в ночное время, система отопления поддерживает требуемую в помещении температуру, а утром мы начинаем ровно с той же точки (температуры воздуха в помещении), в которой система вентиляции была отключена. Другими словами, даже при отключении системы вентиляции в ночное время формула (6) будет верна и может использоваться для расчетов, если требования к температуре воздуха в помещении в дневное и ночное время не отличаются.

Тогда, используя подход к определению доли возобновляемой энергии Директивы 2018/2001 и формулу (1), можно утверждать, что:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

А доля возобновляемой энергии для системы вентиляции с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

Используя формулы (5) и (6), получим:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

О чем нам говорит формула (10)? В системах рекуперации теплоты инженерных систем здания всегда есть часть энергии, которая является утилизацией теплоты от отопительного прибора:    

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

Все выполненные расчеты – это упрощенная модель, не учитывающая, что в помещении обязательно будут находиться другие «источники» нагрева воздуха, а по сути возобновляемой энергии – люди, теплопритоки от освещения и т. п., которые дополнительно увеличат долю возобновляемой энергии в системе рекуперации.

Рекуперация холода

Для расчета доли возобновляемой энергии при рекуперации в теплый период года, когда наружный воздух в системе вентиляции охлаждается до температуры воздуха в помещении, верны все формулы, приведенные выше. Их можно использовать и для процессов увлажнения и осушения воздуха, используя характеристики тепло- и влагопереноса в рекуператоре.

Примеры расчетов

Используя формулу (6) и значения ηt  от 0 до 0,9, построим график (рис. 5), из которого видно, что для типовой системы приточно-вытяжной вентиляции при КПД рекуператоров (для рекуператора с промежуточным теплоносителем минимальная ηt = 0,67, для прочих ηt = 0,73)2 значение теплового COP рекуператора теплоты удаляемого воздуха будет находиться в интервале от 3 до 5. Это аналогично интервалу значений COP по потребляемой электроэнергии существующих на рынке тепловых насосов.

Тепловой COP вентиляционной установки с рекуперацией теплоты

Рисунок 5.

Тепловой COP вентиляционной установки с рекуперацией теплоты

Расчет по первичной энергии

Общие принципы

Рассмотренная методика расчета доли возобновляемой энергии для рекуператора в системе вентиляции учитывает только тепловую энергию на нагрев наружного воздуха и не включает прочие энергозатраты, существующие в реальных установках. Суммировать энергозатраты тепловой и электрической энергии арифметически неверно. Поэтому, чтобы оценить картину эффективности рекуперации целиком, логично использовать в расчетах значения, приведенные к первичной энергии:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

КПД энергетической установки по первичной энергии COPpri – отличный показатель, помогающий оценить, использует ли установка возобновляемую энергию. Если COPpri > 1, то установка производит больше полезной энергии, чем потребляет первичной, то есть использует возобновляемые источники. В случае тепловых насосов нужно помнить про требования документа [1] по 15 %-ному превышению первичной энергии: для отнесения к ВИЭ COPpri должен быть больше 1,15!

Используя уравнение (11), приведем формулу (12) к виду:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

При определенных условиях параметров наружного воздуха, уровне теплопритоков в помещении и требованиях к температуре воздуха помещения может оказаться, что эффективность рекуператора теплоты удаляемого воздуха избыточна (рис. 6). Поэтому в установках необходимо предусматривать системы регулирования эффективности рекуперации.

Динамика изменения коэффициента эффективности рекуператора по температуре

Рисунок 6.

Динамика изменения коэффициента эффективности рекуператора по температуре

Примеры расчета

Результаты расчетов (табл. 2) показывают общие принципы подхода к выявлению доли возобновляемой энергии в системе вентиляции воздуха с рекуперацией теплоты. Для расчета рассмотрена вентиляционная установка, отвечающая требованиям [4]:

• расход воздуха 10 800 м3/ч (3 м3/с);

• энергопотребление вентиляторов без сети воздуховодов 2 400 Вт [800 Вт/(м3/с) × 3 м3/с], на притоке 1 400 Вт и на вытяжке 1 000 Вт;

• температурная эффективность рекуператора теплоты 0,73;

• коэффициент первичной энергии: тепловой – fpri,heat = 1,0 (h = 1), электроэнергии – fpri,elec = 2,2 (h = 0,45);

• температура приточного воздуха и воздуха в помещении в холодный период года минимум 20 °C (без охлаждения в теплый период года);

• время эксплуатации 8 760 ч/год.

Почасовое моделирование параметров работы показывает (табл. 1, варианты 1–4), что COPpri вентиляционной установки с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха для южных районов Европы составит 1,5 и для Северных стран – 2. Потребление электроэнергии вентиляторами не включает напор на сеть воздуховодов, согласно методике ErP 1253/2014 [4], что аналогично подходу к расчету COPpri тепловых насосов по рекомендациям [3].

Даже если предположить, что энергопотребление вентиляторов увеличится в 2 раза за счет сети воздуховодов, COPpri такой установки все равно будет равен 1,33 (см. табл. 1, вариант 1а).

Если мы приведем стандартное для тепловых насосов значение COP 3,5 к первичной энергии, то при fpri,elec = 2,2 (h = 0,45) получим весьма близкое значение: 1,59.

Прочие технологии получения возобновляемой энергии

Изложенный подход к расчету доли энергии от ВИЭ по отнесению полезной вырабатываемой энергии к первичной энергии может использоваться для хладоцентров, рекуперации холода и влажности, фрикулинга, испарительного охлаждения, а также любой из комбинаций перечисленных технологий.

Формулу (12) можно привести к универсальному виду:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

где Qusable – полная полезная энергия, получаемая системой от установки;

Qf – потребление энергии установкой на основной процесс (нагрев/охлаждение или иное);

Wf – потребление энергии установкой на вспомогательные процессы;

f – коэффициент первичной энергии (отражает отношение затраченной первичной энергии к полученной энергии определенного вида).

Коэффициенты первичной энергии для этой формулы будут определять текущая политика и приоритеты в развитии видов энергетики.

Используя такой подход, очень просто понять, можно ли считать, что то или иное инженерное решение использует или «создает» долю возобновляемой энергии в своем энергопотреблении:

Рекуперация теплоты в системах вентиляции

Если производимая системой энергия больше, чем потребляемая, приведенная к первичной, очевидно, что такая система использует возобновляемый источник энергии и это должно учитываться при расчете тарифов/налогов и т. п.

Расчеты по предложенной методике (табл. 2) демонстрируют, какие из технологий генерации энергии можно считать использующими ВИЭ. Некоторые выводы могут показаться неоднозначными. Многие эксперты могут усомниться и заявить, что для чиллера, потребляющего электроэнергию, долю от ВИЭ можно считать только в ограниченных условиях и при указанных в статье значениях коэффициентах первичной энергии. Более того, можно сказать, что чиллер в принципе не производит энергию, а просто переносит ее из одной среды в другую. Но ведь тепловой насос работает по точно такому же принципу, и никто не оспаривает, что источник его энергии является возобновляемым!

Выводы и рекомендации

Итак, было показано, что современные политические определения ВИЭ и технологий использования возобновляемых источников энергии в зданиях ЕС сложны и не отвечают принципу технологической нейтральности.

Системы вентиляции с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха при пересчете на первичное энергопотребление по своей энергоэффективности вполне сравнимы с тепловыми насосами.

Подход к расчету эффективности, основанный на потреблении первичной энергии, позволил бы технологически нейтрально оценить долю возобновляемых источников энергии различных инженерных технологий. Открытый и гласный процесс расчета и принятия национальных факторов первичной энергии внесет ясность в процесс принятия политических решений в области энергетики и повысит прозрачность отчетности по энергопотреблению зданий.

Рекуперация теплоты в системах вентиляции
Рекуперация теплоты в системах вентиляции

Литература

  1. Directive (EU) 2018/2001 of the European Parliament and of the Council of 11 December 2018 on the promotion of the use of energy from renewable sources.
  2. Directive (EU) 2018/844 of the European Parliament and of the Council of 30 May 2018 amending Directive 2010/31/EU on the energy performance of buildings and Directive 2012/27/EU on energy efficiency.
  3. Commission guidelines on calculating renewable energy from heat pumps from different heat pump technologies pursuant to Article 5 of Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council (2013/114/EU).
  4. Commission Regulation (EU) No 1253/2014 of 7 July 2014 implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for ventilation units.

1 Подробный расчет, учитывающий все виды потребляемой установкой энергии, приведен в разделе статьи «Расчет по первичной энергии».

2 Согласно нормативному документу [4].

купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Все иллюстрации приобретены на фотобанке Depositphotos или предоставлены авторами публикаций.

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №8'2020

PDF pdf версия


Статьи по теме

Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Сертификационный центр АВОК
Реклама на нашем сайте
Онлайн-словарь АВОК!