Вентиляция с рекуперацией энергии (ВРЭ) обычно рассматривается как метод энергосбережения, при котором удаляемый из здания воздух используется в теплый период года для предварительного охлаждения и осушения, а в холодный период – для нагревания и увлажнения приточного воздуха с незначительными затратами энергии лишь на работу вентилятора для преодоления аэродинамического сопротивления в системе ВРЭ. Действительно, эта технология утвердила себя как действенный метод снижения отопительной и холодильной нагрузки и энергопотребления, позволяя использовать менее мощное отопительное и охладительное оборудование и уменьшая величину пиковой электрической нагрузки при расчетном охлаждении. Другая, равноценная выгода от использования ВРЭ – агрегатированное оборудование для кондиционирования воздуха может поддерживать относительную влажность внутреннего воздуха на требуемом уровне в 40–50 % практически при любых условиях, включая высокую влажность наружного воздуха.

ВРЭ реализуется с использованием энтальпийного теплообменника типа «воздух-воздух» в качестве компонента воздухообрабатывающей установки, совмещенной с агрегатированным кондиционером воздуха, или в качестве компонента установки добавочного воздуха. Как показано на рис. 1, энтальпийный теплообменник типа «воздух-воздух» передает явную и скрытую теплоту (т. е. теплоту и водяные пары или энтальпию) между кондиционированным воздухом, выходящим из здания (Т₃ и Н₃), и наружным воздухом, поступающим в здание (Т₁ и H₁). В период охлаждения теплый влажный наружный воздух предварительно охлаждается за счет передачи теплоты и влаги более холодному и сухому вытяжному воздуху из здания, поэтому Т₂ и Н₂ будут меньше, чем Т₁ и Н₁. В режиме обогрева ситуация обратная (т. е. вытяжной воздух из здания нагревает более холодный поступающий наружный воздух через энтальпийный обменник), но в данной статье рассмотрим только период охлаждения.

Роторные энтальпийные теплообменники имеют насадку для переноса теплоты и влаги, покрытую осушителем. При вращении ротора обменника насадка поочередно проходит через потоки приточного и вытяжного воздуха, поглощая теплоту и влагу из теплого влажного воздушного потока и передавая ее холодному сухому потоку. Теплота и влага аккумулируются в материале насадки при переходе из одного воздушного потока в другой.

Во многих типах коммерческих зданий, таких как офисы, торговые центры, гостиницы, больницы, основная расчетная влажностная нагрузка – это влага, поступающая в здание в зону пребывания людей вместе с вентиляционным воздухом в жаркую влажную погоду. Причина положительного воздействия ВРЭ на регулирование влажности в здании заключается в том, что ВРЭ забирает значительную часть влаги из вентиляционного воздуха до того, как он попадает в здание, передавая ее более сухому вытяжному воздуху, удаляемому из здания. Хорошее объяснение этого явления можно получить при рассмотрении вопроса, из чего складываются явные и скрытые холодильные нагрузки в коммерческих зданиях.

На протяжении последних лет все большее количество зданий и находящихся в них людей испытывали серьезные проблемы с влажностью, включая так называемый синдром больного здания, рост плесени и дискомфорт, вызванный высокой влажностью. Эти проблемы вызваны плохим регулированием влажности внутреннего воздуха и утечками воды, такими как течи канализационной и водопроводной систем и протекание дождевой воды (серьезные проблемы с утечками воды не могут быть устранены только за счет осушения, необходимо устранить сами течи). Проблемы с влажностью и плесенью могут, в свою очередь, вызвать серьезные проблемы со здоровьем людей и снизить производительность. В экстремальных случаях здания даже признавались непригодными для проживания. Финансовые последствия таких ситуаций могут оказаться существенными и отражаются в резком росте стоимости страхования ответственности. Эти эффекты были задокументированы и получили широкое освещение в прессе.

Плохое регулирование влажности часто приписывается неспособности традиционных агрегатированных кондиционеров воздуха выдерживать влажностные нагрузки. Общепринятая концепция заключается в том, что повышенная эффективность современного оборудования для кондиционирования воздуха привела к снижению скрытой производительности (удаление влаги).

Миф о снижающейся холодильной производительности агрегатированных кондиционеров воздуха по скрытой теплоте

Когда оборудование для кондиционирования воздуха охлаждает воздух, оно снижает температуру (охлаждение по явной теплоте) и снижает содержание влаги в воздухе (осушает воздух), заставляя часть водяных паров в воздухе конденсироваться (скрытое охлаждение – называется так, потому что скрытая теплота конденсации влаги из воздуха является частью холодильной нагрузки, связанной с осушением). Осушительная эффективность оборудования для кондиционирования воздуха обычно характеризуется отношением явной (сухой) теплоты к общему (SHR), которое представляет собой отношение холодильной производительности по явной теплоте к общей (явная + скрытая) холодильной производительности. Снижение SHR повышает долю общей холодильной производительности, обеспечивающую осушение воздуха.

Уже широко известно, что увеличение коэффициента энергоэффективности (EER) агрегатированных кондиционеров воздуха, имевшее место в начале 1980-х годов, сопровождалось снижением холодильной производительности по скрытой теплоте как доли от общей холодильной производительности (т. е. повышается SHR). Также следует, что среди различных методов повышения эффективности увеличение площади поверхности испарителя приводит к более высокой температуре испарителя и, следовательно, к снижению осушительной производительности.

В реальном мире коммерческого оборудования для кондиционирования воздуха такое прямое отношение не существует. ARI провела тщательный анализ отношения EER к SHR для сегодняшнего оборудования и оборудования 1970-х годов. Результаты показали, что SHR различных моделей индивидуальных агрегатированных кондиционеров воздуха составляло 0,65–0,80 для всех уровней EER с 1970 года до сегодняшнего дня, без каких-либо статистически значимых связей между EER и SHR или между годом изготовления и SHR.

Отношение явных и скрытых холодильных нагрузок изменилось

Несмотря на то что SHR агрегатированного оборудования для кондиционирования воздуха осталось прежним, нагрузки внутри здания изменились существенно. Меры по повышению энергоэффективности (улучшенная теплоизоляция стен и покрытий, уменьшенные коэффициенты теплопередачи (U-value) окон, улучшенное затемнение солнечного света, более энергоэффективное освещение), реализуемые в соответствии с требованиями Стандарта 90.1 «Энергоэффективное проектирование новых зданий (кроме малоэтажных жилых зданий)», существенно снизили холодильные нагрузки. Холодильные нагрузки по скрытой теплоте, вызванные в большинстве зданий коммерческого назначения преимущественно вентиляцией, инфильтрацией и людьми, существенно не изменились.

Эффект от этого для большинства зданий, построенных или подвергшихся существенной реконструкции после 1990 года, заключается в повышении холодильной нагрузки по скрытой теплоте относительно холодильной нагрузки по явной теплоте для всех условий. В сравнении со зданиями, построенными до 1990 года, при типичных расчетных условиях охлаждения (в большинстве регионов США при высокой температуре по сухому термометру и высокой температуре по мокрому термометру) уровень влажности наружного воздуха и соответствующая нагрузка по скрытой теплоте достаточно высоки, хотя нагрузка на ограждающие конструкции и внутренняя нагрузка по явной теплоте были снижены. Традиционное агрегатированное кондиционирование воздуха справляется с нагрузкой по явной теплоте достаточно хорошо до тех пор, пока не встретится нагрузка по скрытой теплоте, и в результате установившаяся внутренняя относительная влажность поднимается с требуемого уровня в 50 % до 70 % (что является некомфортным и способствует развитию плесени). При умеренных температурах наружного воздуха, от 18 до 21 °С, с высокой наружной влажностью, низкая нагрузка по явной теплоте приводит к частому включению и выключению агрегатированных кондиционеров воздуха с очень короткими циклами работы. Во время выключенного цикла влага на контуре может испаряться повторно, что еще более снизит производительность по скрытой теплоте и повысит относительную влажность воздуха внутри помещения.

Изменяя стандарты вентиляции и эффективности зданий

Две тенденции повлияли на холодильные нагрузки и отношение скрытых к явным нагрузкам в зданиях коммерческого назначения за последние 30 лет. Первая из них – призыв к повышению энергетической эффективности экономики США, нашла свое отражение в ужесточении стандартов эффективности для автомобилей, бытовой техники и зданий. Вторая тенденция заключается в осознании необходимости минимального расхода приточного наружного вентиляционного воздуха для поддержания достаточно здоровой атмосферы внутри зданий. Стандарты ASHRAE 62 и 90 (впоследствии они стали стандартами 62.1 «Вентиляция и принятые нормы по качеству воздуха внутри помещений» и 90.1 «Энергоэффективное проектирование новых зданий (кроме малоэтажных жилых зданий)») изначально были представлены в 1970-х годах. Их цель заключалась в установлении минимальных стандартов для вентиляции зданий и энергетических аспектов проектирования зданий, соответственно. С тех пор регулярно издаются их новые редакции. За последние 30 лет кратность наружной вентиляции, установленная Стандартом 62, была сначала снижена, затем возвращена на исходный уровень. В большинстве коммерческих и общественных зданий приток наружного воздуха является основным источником влажностных нагрузок, поэтому в конечном итоге нагрузки по скрытой теплоте были оставлены неизмененными. Стандарт 90.1 требует снижения различных компонентов, составляющих нагрузку здания по явной теплоте, но практически не затрагивает нагрузки по скрытой теплоте.

Ограждающие конструкции здания

Стандарт 90.1 задает минимальные требования к теплоизоляционной эффективности ограждающих конструкций здания через максимальные коэффициенты теплопередачи для конструкций стен и покрытий. Стандарт учитывает климатические различия, поэтому коэффициенты теплопередачи являются экономически обоснованными для окружающих условий заданной местности в течение охладительных и отпительных периодов. Со временем методы разделения на климатические зоны изменились, поэтому стало невозможным отслеживать меняющиеся требования к коэффициентам теплопередачи по климатическим зонам, установленным Стандартом 90.1. Вместо этого можно рассматривать максимальные установленные Стандартом 90.1 коэффициенты теплопередачи для определенных городов, поскольку последующие версии Стандарта 90.1 применяются к тем же климатическим характеристикам (например, расчетное количество дней с отоплением и расчетное количество дней с охлаждением) каждого города.

Ключевой момент здесь заключается в том, что каждый из перечисленных параметров – коэффициенты теплопередачи стен и покрытий, коэффициент теплопритока за счет солнечного излучения, соответствует вкладу только в холодильную нагрузку по явной теплоте.

Тепловые нагрузки от оборудования

Значительная доля холодильных нагрузок здания приходится на внутренний прирост теплоты за счет энергии, выделяемой оборудованием внутри здания (что также способствует отоплению здания в зимнее время года). Стандарт 90.1 определяет две составляющие технологических и бытовых теплопоступлений: освещение и электродвигатели. Минимальные эффективности электродвигателей установлены законом EPAct (Акт по защите окружающей среды) в разделе минимумов для электродвигателей общего применения, что является умеренным увеличением эффективности в сравнении с более ранними редакциями 90.1. Величина максимальных теплопоступлений от освещения показана на рис. 2. С момента выхода первой версии Стандарта 90 она уменьшилась на 40 %. Стандарт 90.1 не задает требования к эффективности или теплопоступлениям от офисного оборудования. Теплопоступления от офисного оборудования увеличились с расширением использования компьютеров, принтеров и т. д., частично перекрывая снижение максимально допустимых теплопоступлений от освещения. Оценочная величина теплопоступлений от офисного оборудования также показана на рис. 2. Так же, как и для ограждающих конструкций здания, требования Стандарта 90 по снижению внутренних нагрузок относятся только к явной теплоте.

_{Изменение максимальных теплопоступлений от освещения (для офисов – по Стандарту 90.1) и оценочных теплопоступлений от офисного оборудования со временем}