В холодное время года система вентиляции подаёт в помещение наружный воздух, температура которого может быть значительно ниже комфортной. Если подавать его без предварительного нагрева, это приводит к снижению температуры в помещениях, появлению холодных потоков и увеличению нагрузки на систему отопления.
Поэтому при проектировании приточной и приточно-вытяжной вентиляции необходимо заранее определить, каким способом будет нагреваться поступающий воздух.
Для этого могут использоваться электрические и водяные нагреватели, тепловые насосы, а в отдельных системах тепло от твердотопливного, в том числе дровяного, котла. Существенно уменьшить потребность в дополнительном нагреве позволяет рекуперация, при которой часть тепла вытяжного воздуха возвращается приточному.
У каждого решения есть свои особенности, требования к подключению и эксплуатационные затраты.
Зачем нагревать приточный воздух
Чем ниже температура наружного воздуха и выше производительность вентиляции, тем больше энергии требуется для его нагрева.
Особенно заметно это на производственных и коммерческих объектах, где вентиляционная система может подавать несколько тысяч или десятки тысяч кубометров наружного воздуха в час.
При выборе способа нагрева необходимо учитывать:
- производительность вентиляционной системы;
- расчётную наружную температуру зимой;
- необходимую температуру приточного воздуха;
- доступную электрическую мощность;
- наличие системы водяного отопления;
- стоимость различных источников энергии;
- график работы вентиляции;
- возможности автоматического регулирования;
- требования к обслуживанию.
Поэтому универсального способа нагрева, одинаково подходящего для каждого объекта, не существует.
Электрический нагреватель
Один из наиболее простых способов — установка электрического калорифера непосредственно в вентиляционной системе. Проходящий через него воздух нагревается электрическими нагревательными элементами.
Главное преимущество такого решения — относительно простая реализация. Не требуется прокладывать трубопроводы с теплоносителем или подключаться к котельной. Нагреватель интегрируется непосредственно в вентиляционную систему, а автоматика регулирует его работу в зависимости от требуемой температуры воздуха. Электрический нагрев также позволяет достаточно точно управлять температурой притока.
Однако при большой производительности вентиляции необходимая электрическая мощность может быть значительной. Именно поэтому для крупных промышленных систем электрический нагрев не всегда оказывается наиболее рациональным решением.
Электрический нагрев подходит, когда необходимая тепловая мощность относительно небольшая, на объекте имеется достаточный запас электрической мощности или подключение водяного теплоносителя невозможно либо неоправданно сложно.
Водяной нагреватель
В водяном калорифере приточный воздух нагревается при прохождении через теплообменник, внутри которого циркулирует горячий теплоноситель.
Источником тепла может быть существующая система отопления, котельная или другой теплогенерирующий контур.
Для объектов с большими расходами воздуха водяной нагрев часто становится удобным решением, особенно если на предприятии уже имеется собственный источник тепловой энергии.
При этом система получается сложнее электрической. Необходимо предусмотреть трубопроводы, насосно-смесительный узел, регулирующую арматуру и автоматику.
Отдельное внимание уделяется защите водяного теплообменника от замерзания. Если при низкой наружной температуре прекратится циркуляция теплоносителя или его температура окажется недостаточной, вода в теплообменнике может замёрзнуть и повредить его.
Поэтому автоматика вентиляционной установки должна контролировать работу нагревателя и обеспечивать соответствующие защитные алгоритмы.
Нагрев от дровяного(пеллетного) котла
Дровяной нагрев в контексте вентиляции правильнее рассматривать не как отдельный тип воздушного нагревателя, а как источник тепловой энергии для водяного калорифера.
Дровяной или другой твердотопливный котёл нагревает теплоноситель, который затем поступает в теплообменник вентиляционной установки. То есть непосредственно воздух и в этом случае нагревается водяным калорифером.
Такое решение может быть актуально для производственных объектов, мастерских, складов и других зданий, где уже используется твердотопливная котельная или имеется доступное твёрдое топливо.
При этом есть важная особенность: тепловую мощность твердотопливного котла сложнее быстро изменять вслед за потребностью вентиляции.
Для более стабильной работы системы может применяться буферная ёмкость, которая накапливает тепло и позволяет использовать его по мере необходимости.
Кроме того, твердотопливное оборудование требует регулярной загрузки топлива, удаления продуктов сгорания и обслуживания. Поэтому при сравнении вариантов важно учитывать не только стоимость получаемого тепла, но и удобство эксплуатации всей системы.
Также присутствует такое оборудование, как теплогенератор. В данном случае происходит прямой нагрев без промежуточного теплоносителя. Но есть и нюансы: процесс горения и, следовательно, регулировки температуры не поддаётся точной регулировке, поэтому система больше востребована для воздушного отопления, а не для вентиляции, когда процесс отопления запускается на целый день и не регулируется.
Определённый интерес представляет совмещённая система вентиляции с воздушным отоплением, но ввиду её инертности и слабой регулируемости применение целесообразно для больших цехов.
Тепловой насос
Другой вариант — использовать для нагрева приточного воздуха тепловой насос. В отличие от электрического калорифера, который непосредственно преобразует электрическую энергию в тепло, тепловой насос переносит тепловую энергию из окружающей среды. В зависимости от системы источником может быть наружный воздух.
Для вентиляции особенно интересны решения, позволяющие нагревать или охлаждать приточный воздух в зависимости от сезона.
Одно из главных преимуществ является возможность получить больше тепловой энергии относительно затрачиваемой электрической энергии по сравнению с прямым электрическим нагревом.
Но эффективность теплового насоса зависит от условий эксплуатации. Например, для воздушных тепловых насосов при снижении наружной температуры меняются производительность и эффективность, поэтому рассчитывать систему необходимо с некоторым запасом учитывая сезонные коэффициенты
На объекте также может потребоваться резервный или дополнительный источник тепла для работы в наиболее холодные периоды.
При этом тепловой насос позволяет использовать одно оборудование не только для зимнего нагрева, но и для охлаждения приточного воздуха летом, если это предусмотрено схемой системы.
Рекуперация тепла
Рекуператор принципиально отличается от перечисленных способов. Он не создаёт тепло, а возвращает часть энергии, которая в обычной вытяжной системе была бы выброшена наружу вместе с удаляемым воздухом.
Зимой тёплый вытяжной воздух проходит через рекуператор и передаёт часть своей тепловой энергии холодному приточному воздуху. Благодаря этому после рекуператора наружный воздух уже имеет более высокую температуру и для его дальнейшего нагрева требуется меньше энергии.
Например, вместо нагрева очень холодного наружного воздуха непосредственно до требуемой температуры система сначала использует тепло вытяжного воздуха, а нагреватель компенсирует только оставшуюся разницу.
Именно поэтому рекуперацию особенно интересно рассматривать на объектах с большими объёмами постоянного воздухообмена.
Какой рекуператор можно использовать
В вентиляционных установках применяются разные типы теплообменников. Наиболее распространены пластинчатые и роторные рекуператоры.
В пластинчатом теплообменнике приточный и вытяжной воздушные потоки проходят через отдельные каналы и обмениваются теплом через поверхность пластин.
В роторном рекуператоре тепло переносится вращающимся ротором, который последовательно проходит через вытяжной и приточный воздушные потоки.
Пластинчатые рекуператоры хорошо себя зарекомендовали для тяжёлых условий эксплуатации. Они не имеют механических элементов, имеют крупные ламели для устойчивости к загрязнениям.
Роторные же, в свою очередь, более компактны и, как правило, имеют на 20% более высокий КПД, но требуют более сложной автоматики для их вращения.
Рекуператор не всегда полностью заменяет нагреватель
Даже при высокой эффективности рекуперации в холодном климате после теплообменника температура приточного воздуха может оставаться ниже необходимой.
Поэтому рекуператор часто работает вместе с дополнительным нагревателем.
Получается последовательная схема:
наружный воздух → рекуператор → дополнительный нагрев → помещение.
В качестве догрева может использоваться электрический или водяной калорифер, а источником энергии для водяного контура — газовый, электрический, твердотопливный котёл, тепловой насос или другой источник тепла.
Такой подход позволяет сначала максимально использовать уже имеющееся тепло вытяжного воздуха и только затем расходовать дополнительную энергию.
Что выбрать для промышленной вентиляции
Для небольших систем электрический нагрев может быть наиболее простым с точки зрения монтажа и управления. Но с ростом производительности вентиляции резко увеличивается требуемая электрическая мощность.
Если на предприятии уже имеется котельная или другой источник горячего теплоносителя, имеет смысл рассматривать водяной нагреватель.
Твердотопливный котёл может использоваться как источник тепла для водяного контура там, где такой способ отопления экономически и технически оправдан. В большинстве своём всё-таки пригоден для больших помещений, т. к. на объёме цена дров в разы дешевле электроэнергии, а при эксплуатации больших помещений всегда есть свободные люди, которые могут следить за наличием дров.
Тепловой насос интересен возможностью эффективного использования электроэнергии и сочетания нагрева с охлаждением, но требует более сложного расчёта и больших первоначальных вложений. Поэтому ограничивается применение на небольших объектах.
Рекуперация при этом не является прямой альтернативой этим системам. Её задача — уменьшить количество энергии, которое необходимо получить от основного источника тепла.
Почему способ нагрева нужно выбирать на этапе проектирования
Способ нагрева влияет не только на вентиляционную установку. От него зависят электрические мощности объекта, система теплоснабжения, автоматика, размеры оборудования и инженерные коммуникации.
Если сначала подобрать вентиляционную установку, а вопрос нагрева решать уже во время монтажа, может выясниться, что для электрического калорифера недостаточно выделенной мощности или существующая котельная не способна обеспечить требуемую тепловую нагрузку.
Поэтому одновременно с расчётом воздухообмена необходимо определить тепловую мощность, необходимую для нагрева приточного воздуха, и выбрать источник энергии.
Нагрев воздуха в промышленной вентиляции
При выборе способа нагрева необходимо оценивать не только стоимость оборудования. Важны доступная мощность, стоимость энергии, режим работы предприятия, климатические условия, возможность автоматизации и будущие эксплуатационные расходы.
Компания проектирует и реализует системы промышленной вентиляции и производит вентиляционное оборудование под брендом HeatVent. При подборе системы рассчитывается необходимый расход воздуха и тепловая мощность, определяется подходящий способ нагрева и возможность применения рекуперации.
Такой подход позволяет рассматривать нагрев не как отдельный элемент вентиляционной установки, а как часть общей системы энергоснабжения и воздухообмена объекта.