Важнейшая задача, решаемая при проектировании современных домов, – создание эффективной системы приточно-вытяжной вентиляции. Она должна обеспечивать нормативную кратность воздухообмена при минимизации энергопотерь.

Экономить нельзя не экономить… Очевидно, что запятую в этой дефиниции можно и нужно сегодня ставить только после первого слова. Но вот пределы возможной экономии могут быть достаточно широки. Причем использование ряда современных технических достижений (иногда они – лишь подзабытые конструктивные решения прошлых столетий и даже тысячелетий).

Априори, чем меньше будет объем поступающего наружного воздуха, тем больше тепла можно сохранить при прочих равных условиях теплообмена с окружающей средой и теплогенерации. В то же время проживание при недостаточном воздухообмене может оказаться не только некомфортным, но и невозможным.

Проектировщики разрешают эту дилемму за счет оптимизации объемов воздушных потоков (воздуха должно поступать ровно столько, сколько необходимо, и именно туда, куда требуется), рекуперации и предварительной подготовки воздуха (пассивного нагрева или охлаждения).

Возвращенное тепло

Утилизация тепла отработанного воздуха часто осуществляется в приточно-вытяжных установках с рекуперацией. Они функционируют в комплексе с канальным или центральным кондиционером, который присоединяется к воздуховоду системы вентиляции, при этом удаляемый воздух подогревает приточный в теплообменнике. Рекуператор позволяет снизить затраты на подогрев воздуха на 50–70 % (чем ниже температура окружающего воздуха, тем больше дополнительной энергии потребуется на его подогрев). Для оценочных расчетов температуру удаляемого воздуха из бытовых помещений принимают равной 24 °С.

Самый часто используемый тип рекуператора – перекрестноточный (рис. 1). Распространены также пластинчатые рекуператоры, вращающиеся теплообменники, системы с промежуточным теплоносителем (гликолевые теплообменники) и др. Пластинчатые рекуператоры выполнены из алюминиевых пластин, установленных в секции вместе с фильтрами на каждой. Вращающийся рекуператор, снабженный рекуперационным барабаном с электроприводом для вращения, может также утилизировать энергию фазового перехода воды.

Рис. 1. Схема работы перекрестноточного теплообменника

Канальные кондиционеры с приточной вентиляцией комплектуются электрическими или водяными нагревателями с диапазоном мощности 4,5–24 кВт. Для утилизации тепла используется перекрестноточный теплообменник из алюминиевых пластин, создающих систему каналов для протекания двух конструктивно разделенных потоков воздуха с различной температурой. Турбулизация потоков воздуха в каналах обеспечивает эффективную утилизацию тепла при сравнительно низком аэродинамическом сопротивлении.

Из-за возможности конденсации влаги из удаляемого воздуха за перекрестноточным теплообменником обычно размещается сепаратор со сливным поддоном и отводом конденсата через сифон. Центральные кондиционеры с утилизацией тепла вытяжного воздуха компонуются из типовых секций, герметично соединяемых между собой. Они оснащаются перекрестноточным, вращающимся теплообменником или секцией теплоутилизации с промежуточным теплоносителем (гликолевым теплообменником).

Во вращающемся теплообменнике происходит аккумуляции тепла вращающейся регенеративной насадкой – гофрированным стальным листом, свернутым так, чтобы были образованы каналы для горизонтального протекания воздуха. Насадка, похожая на колесо, вращается электродвигателем. Вытяжной воздух, имеющий высокую температуру, проходит через насадку и нагревает ее. Насадка оказывается в потоке холодного приточного воздуха, которому отдает тепло. Регулирование осуществляется путем изменения числа оборотов двигателя. За вращающимся теплообменником устанавливается сепаратор со сливным поддоном и отводом конденсата через сифон. Такие теплообменники позволяют возвратить до 75 % тепловой энергии.

В центральном кондиционере теплообменник-теплоотдатчик, расположенный на приточной стороне, чаще всего играет роль подогревателя первой ступени. Эффективность рекуперации составляет до 60 %.

Для индивидуальных домов применяются моноблочные приточно-вытяжные установки (ПВУ) (рис. 2). Часто они, помимо системы эффективной очистки воздуха, снабжены и устройствами для рекуперации тепла. Среди производителей таких установок можно назвать компании Amalva (Литва), выпускающая установки Komfovent с пластинчатыми (Recu) роторными (Rego) теплообменниками. В последнем случае обеспечивается рекуперация до 85 % . Теплоутилизатор обеспечивает работу установки при наружной температуре до –20 °С при сохранении 93 % влажности в воздухе. Применяются два типа теплообменников – с алюминиевой поверхностью и с покрытой гигроскопическим слоем. Корпус всех моделей выполнен из листовой оцинкованной стали с теплоизоляцией из минеральной ваты. Компания Daikin выпускает ПВУ производительностью до 2000 м3/ч. Рекуперация тепла (до 75 %) осуществляется в противоточном теплообменнике.

Рис. 2. PVU-350 компании VENTMACHINE

ПВУ Star компании Electrolux (Швеция) оборудованы пластинчатым рекуператором мембранного типа с КПД до 90 %. Материал рекуператора позволяет переносить влагу из вытяжного воздуха в приточный. А в летний период возможна работа в режиме рекуперации холода, производимого кондиционером.

Компания Ferroli (Италия) в установках UT Rec-R, UT-Rec DP и UT-Rec DP F применяет роторный теплообменник из деформированных и накрученных вокруг оси алюминиевых листов с эффективностью утилизации до 85 %. Поверхность теплообменника – пористая и может поглощать влагу, передавая ее встречному потоку воздуха. В ПВУ компании «ГлобалВент» (Россия) серии «Климат» подогрев уличного воздуха осуществляется с помощью встроенного реверсивного теплового насоса, работающего в режиме рекуператора (рис. 3).

Рис. 3. ПВУ серии «Климат»

Государственная корпорация «Фонд содействия реформированию жилищно-коммунального хозяйства» подготовила проект энергоэффективного 3-этажного 18-квартирного дома экономического класса. Предполагается, что в нем будет установлена механическая вентиляция с синхронизированными регулируемыми притоком и вытяжкой с пластинчатым рекуператором, позволяющим утилизировать более 60 % тепла удаляемого воздуха. Система регулирования вентиляции позволяет полностью ее блокировать при отсутствии человека в квартире. Снижение расхода тепловой энергии на подогрев приточного воздуха планируется снизить за счет рекуперации тепла – на 60 % и регулирования воздухообмена – на 30 %. Ожидаемая экономия тепловой энергии на подогрев приточного воздуха должна составить более 72 %.

Пассивный нагрев и охлаждение

Пассивные методы климатизации, обычно сопряженной в этом случае с вентиляцией, известны давно, но стали забываться и отодвигаться на второй план по мере развития более интенсивных активных систем. Так, в среднеазиатских домах был предусмотрен внутренний двор, находящийся в тени. Охлажденный воздух из него свободно попадал во внутренние помещения, открытые башенки, располагавшиеся на крыше, интенсифицировали вентиляцию. Аналогичную функцию выполнял дымоход, труба которого имела темный, поглощающий тепловое излучение цвет. Это создавало внутри нее восходящий поток воздуха – вытяжку.

Система климатизации по принципу термитника была реализована в торгово-офисном центре Зимбабве. Внешний воздух поступает внутрь через вентиляционные каналы, внутри которых он охлаждается или нагревается массой здания. Затем, проходя в пустоты под полом, он направляется в офисы и затем удаляется через трубы на крыше. Движение воздуха внутри помещений обеспечивают вентиляторы. В холодный период года в вентиляционных каналах устанавливаются нагреватели небольшой мощности, причем такое конструктивное решение позволяет снизить почти в 10 раз расход электроэнергии.

Установка на внешних выходах вентиляционных каналов различных типов дефлекторов позволяет активизировать естественную тягу и обеспечить нормативную кратность воздухообмена без увеличения проходного сечения. Дальнейшим развитием этого направления естественной вентиляции можно считать устройства, использующие механическую энергию ветра.

Рис. 4. Турбодефлектор

Так, турбодефлектор – элемент естественной вентиляции, который эффективно создает тягу в вентиляционных каналах (рис. 4). Его активная головка вращается под воздействием ветра, создавая разряжение в вентиляционном канале, активизируя тягу. Срок эксплуатации такой насадки может превышать 15 лет, а монтаж не требует специальных навыков и знаний. В конструкции дефлектора предусмотрена защита от птиц, исключается также нарушение тяги (задувание) ветром, попадание дождя и снега в вентиляционные каналы.

Геотермальный аккумулятор

В определенном приближении как тип рекуператора можно рассматривать геотермальный теплообменник, который обеспечивает экономию энергии при вентиляции за счет предварительного нагрева уличного воздуха. Например, теплообменник ComfoFond-L, который используется в рассматриваемом выше примере, имеет горизонтальный контур длиной 196 м с двумя ветками, проложенными на глубине 4 и 3 м. Согласованную работу системы вентиляции с таким теплообменником обеспечивает система автоматики.

Воздух выходит из дома и поступает в него через подземный воздухопровод, снабженный теплообменником. Зимой холодный воздух входит в подземный воздухопровод, нагреваясь там за счет тепла земли, и затем поступает в рекуператор. Там отработанный домашний воздух нагревает поступивший свежий и выбрасывается на улицу. Нагретый свежий воздух имеет температуру около 17 °C. Летом горячий воздух, поступая в подземный воздухопровод, охлаждается там от контакта с землей.

Одним из вариантов такой системы является режим пассивного кондиционирования при использовании теплового насоса. В холодный период геотермальный тепловой насос получает энергию для теплоснабжения из грунта. В летний период происходит не просто смена направления термодинамического цикла как в реверсивном кондиционере, а холод, получаемый из грунта, применяется для кондиционирования без использования компрессора теплового насоса – его самая энергоемкая часть отключена.

При этом обычно к внешнему коллектору подключаются фэнкойлы и осуществляется прямая циркуляция теплоносителя между ними и грунтовым, первичным коллектором.

В схеме энергоэффективных решений присутствуют и комбинированные схемы вентиляции – климатизации, в которых используются тепловые насосы в прямом и реверсивном циклах, рекуператоры в системе вентиляции и воздушные гелиоколлекторы. Преимущество такой организации вентиляции – возможность комплексного решения различных, но сопряженных задач теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования с максимальной энергоэффективностью.

В целях минимизации расхода электроэнергии в доме может быть не предусмотрена система искусственного охлаждения воздуха – комфортная внутренняя температура в летний период зависит от размеров окон, ориентации здания и внутренних источников тепла. Хорошая теплоизоляция здания также облегчает охлаждение здания летом. В регионах, где ночью в летний период температура опускается до 20 ºС, лишнее тепло из здания может отводиться только за счет ночного проветривания. При этом оно через оконный проем достаточно эффективно, воздухообмен осуществляется за счет разности плотностей воздуха через окна от пола до потолка. Эффект дымохода и перепады давления также используются в вентиляции дома.

Снижение тепловых нагрузок от солнечной радиации днем достигается за счет хорошей теплозащиты, а также наружного затенения окон. Одна из стен деревянного дома может быть выполнена из кирпича, служа пассивным кондиционером и регулятором влажности. В холодное время года необходимый воздухообмен осуществляется системой вентиляции с рекуператором тепла.

Электронный компонент

Существенно повысить эффективность системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла может использование smart (умных) электронных систем регулирования. Такие системы проходят своего рода обкатку, апробирование при реализации проектов так называемых пассивных домов (домов низкой энергии). Можно принять, что в них реализуется своего рода максимальный, предельный вариант, а все остальные проекты являются своего рода приближениями, «демоверсиями».

Так, система вентиляции Zehnder Comfosystems (рис. 5) с рекуперацией тепла и влажности немецкой компании Zehnder (Германия) – это ПВУ с перекрестно-противоточным рекуператором и максимальным расходом воздуха до 350 м3/ч (СomfoAir 350) при внешнем статическом давлении 250 Па. Система распределения воздуха Zehnder Comfofresh представляет собой компактную разводку пластиковых воздуховодов круглого сечения со специальным гипоаллергенным внутренним покрытием Clinside, на котором не скапливается пыль и не развиваются микробы.

Рис. 5. Схема системы вентиляции Zehnder

Дополнительную экономию энергии обеспечивает предварительный подогрев уличного воздуха в геотермальном теплообменнике с горизонтальным контуром длиной 196 м (две ветки на глубине 4 и 3 м). Согласованную работу системы вентиляции с геотермальным теплообменником обеспечивает автоматика. КПД установки – 84 %, расход электроэнергии на 1 м3/ч воздуха – 0,29 Вт, реализованы также функции возврата влаги и контроля влажности.

Такая система позволяет организовать индивидуальное воздухоснабжение – в каждое помещение (комнату) проведен отдельный воздуховод. Это позволяет точно рассчитать объем и скорость подачи воздуха и обеспечить комфортный микроклимат при минимизации энергозатрат. Расположение точек притока воздуха и воздухозабора проектируется таким образом, чтобы в доме образовывались воздушные потоки, препятствующие распространению неприятных запахов и нарушению расчетных тепловых режимов. Здание имеет кратность воздухообмена 0,33 при обеспечении требуемого по СНиП 41-01-2003 минимального объема поступающего наружного воздуха.