Влияние вентиляции на теплопотери и энергопотребление здания
Вентиляция влияет на энергопотребление здания одновременно по двум направлениям: тепловому и электрическому. Тепловая энергия требуется для нагрева наружного приточного воздуха в холодный период, а при необходимости охлаждения возникают соответствующие затраты на холодоснабжение. Электроэнергию потребляют вентиляторы, обеспечивающие движение воздуха через вентиляционную систему.
Величина этих затрат зависит от расхода воздуха, наружной и внутренней температуры, продолжительности работы оборудования, мощности вентиляторов и наличия рекуперации тепла. Поэтому оценивать энергопотребление вентиляции только по установленной электрической мощности или только по расходу тепла на нагрев воздуха неправильно. Необходимо учитывать обе составляющие за один расчётный период.
Какие данные необходимы для оценки энергопотребления вентиляции
Основной исходный показатель — расход приточного воздуха. Он определяет количество наружного воздуха, поступающего в здание за единицу времени. Для расчёта используют измеренный или обоснованно установленный расход с указанием соответствующего режима работы.
Наружная и внутренняя температуры необходимы для определения тепловой нагрузки на обработку притока. Чем больше разность между температурой наружного воздуха и требуемой температурой подачи, тем больше энергии необходимо для его нагрева при прочих равных условиях.
Продолжительность работы вентиляции позволяет перейти от текущей тепловой и электрической мощности к количеству потребляемой энергии за период. Если система работает с переменным расходом воздуха, необходимо учитывать продолжительность каждого характерного режима.
Мощность вентиляторов характеризует электрическую составляющую энергопотребления. Для расчёта предпочтительно использовать фактическую потребляемую мощность в соответствующих режимах, поскольку установленная мощность электродвигателя не обязательно равна текущему потреблению.
Сведения о рекуператорах необходимы для оценки возврата тепла из удаляемого воздуха. При наличии рекуперации следует установить, насколько уменьшается потребность в дополнительном нагреве наружного притока.
Все данные должны относиться к одной измерительной границе. Если расход воздуха установлен для отдельной установки, а расход электроэнергии учитывает несколько систем, эти показатели нельзя непосредственно объединять без уточнения состава оборудования.
Как рассчитать тепловую нагрузку на нагрев приточного воздуха
При нагреве наружного воздуха тепловая мощность определяется количеством проходящего воздуха, его теплоёмкостью и необходимым изменением температуры.
Для расчёта по объёмному расходу воздуха применяют зависимость:
Q = ρ × cp × L × (tп − tн), где Q — тепловая мощность нагрева, Вт; ρ — плотность воздуха, кг/м³; cp — удельная теплоёмкость воздуха, Дж/(кг·К); L — объёмный расход, м³/с; tп — требуемая температура приточного воздуха, °C; tн — температура наружного воздуха, °C.
Эта зависимость описывает нагрев воздуха без учёта возврата тепла и относится к рассматриваемым температурным условиям. Если наружная температура изменяется, тепловую нагрузку необходимо рассчитывать для соответствующих интервалов, а затем определять суммарный расход энергии.
Например, при неизменном расходе воздуха похолодание увеличивает потребность в нагреве притока. Но если в тот же период система снижает расход воздуха, итоговая нагрузка будет определяться совместным влиянием температуры и расхода.
Поэтому расчёт по одной наружной температуре и одному номинальному расходу не всегда отражает фактическое сезонное потребление. Его применимость зависит от того, насколько выбранные условия соответствуют реальной эксплуатации системы.
Как учитывать охлаждение приточного воздуха
В тёплый период обработка наружного воздуха может требовать не нагрева, а охлаждения. В этом случае энергетическая нагрузка зависит от характеристик поступающего воздуха и требуемого состояния притока после обработки.
Если рассматривается только изменение температуры без изменения влагосодержания, можно оценивать явную тепловую нагрузку по расходу воздуха, его теплоёмкости и разности температур.
Однако при охлаждении с осушением необходимо учитывать также изменение влагосодержания воздуха. Поэтому для полной оценки холодильной нагрузки одной разности температур может быть недостаточно.
Потребность в охлаждении воздуха и фактическое потребление электроэнергии системой холодоснабжения — разные показатели. Чтобы определить электрические затраты на обеспечение охлаждения, необходимы сведения о соответствующем оборудовании и его эксплуатационном режиме.
В энергобалансе здания важно сохранять это разграничение: холодильная нагрузка характеризует количество отводимого тепла, а электрическое потребление относится к работе оборудования, обеспечивающего такой процесс.
Как рекуперация изменяет потребность в нагреве притока
Рекуперация позволяет использовать часть тепловой энергии удаляемого воздуха для предварительного нагрева наружного притока. При этом потребность в дополнительном подводе тепла уменьшается относительно режима без возврата энергии.
Для оценки необходимо определить условия работы рекуператора, расходы воздуха и температуры до и после передачи тепла. Именно фактическое изменение теплового состояния притока показывает результат возврата энергии.
Если после рекуператора приточный воздух имеет более высокую температуру, чем наружный воздух до него, нагревательное оборудование должно обеспечить только оставшуюся разность до требуемой температуры подачи.
Поэтому расход тепла на нагрев притока при работающей рекуперации нельзя рассчитывать так, словно весь наружный воздух поступает непосредственно в нагреватель без предварительной обработки.
Одновременно нельзя считать всё тепло, переданное рекуператором, дополнительным внешним поступлением энергии в здание. Речь идёт о повторном использовании части энергии удаляемого воздуха внутри рассматриваемой системы.
При отсутствии достоверных температурных и расходных измерений фактическую величину возвращённого тепла необходимо считать неопределённой. Паспортная характеристика рекуператора не заменяет оценку его работы в конкретных эксплуатационных условиях.
Как рассчитать электрическое потребление вентиляторов
Электроэнергия, расходуемая вентиляторами, зависит от их потребляемой мощности и продолжительности работы. При постоянной мощности количество энергии за период определяется произведением мощности на время.
E = P × τ, где E — потреблённая электроэнергия, кВт·ч; P — электрическая мощность, кВт; τ — время работы, ч.
Для системы с несколькими режимами необходимо определять потребление отдельно по каждому режиму. Например, если в течение части суток вентиляция работает с уменьшенным расходом воздуха, её фактическая электрическая мощность может отличаться от мощности при полной производительности.
Поэтому применение номинальной мощности вентилятора ко всем часам работы способно исказить оценку потребления. Для корректного расчёта необходимо сопоставлять электрическую мощность с действительным режимом оборудования.
Электрическую составляющую следует учитывать отдельно от тепловой нагрузки приточного воздуха. При необходимости общей энергетической оценки результаты приводят к согласованным единицам, сохраняя различие между потреблением электроэнергии и использованием тепловой энергии.
Чем отличается круглосуточная вентиляция от переменной по занятости
При круглосуточной вентиляции приточный воздух подаётся на протяжении всех часов рассматриваемого периода. Если расход поддерживается постоянным, тепловая нагрузка меняется прежде всего вслед за наружной температурой и условиями обработки воздуха.
При переменной по занятости вентиляции расход воздуха и продолжительность отдельных режимов зависят от использования помещений. В этом случае энергетический профиль определяется не только погодой, но и изменением количества подаваемого воздуха.
Например, два объекта с одинаковой максимальной производительностью вентиляции могут иметь разное потребление энергии, если одна система работает круглосуточно, а другая изменяет расход в течение суток.
Для сопоставления необходимо учитывать фактические часы работы и расходы воздуха в каждом режиме. Нельзя оценивать переменную вентиляцию по максимальному расходу на протяжении всего периода, если такой режим используется только часть времени.
При этом сокращение времени работы или расхода воздуха допустимо оценивать как энергосберегающую возможность только после проверки потребности помещений в наружном воздухе. Само наличие незанятых периодов не доказывает, что приток можно полностью исключить.
Почему инфильтрацию нельзя включать в производительность вентилятора
Организованная вентиляция и инфильтрация представляют разные способы поступления наружного воздуха в здание. Организованный приток проходит через предусмотренную вентиляционную систему, а инфильтрация возникает из-за движения воздуха через неплотности строительной оболочки.
Оба процесса способны влиять на тепловую нагрузку здания, поскольку поступающий наружный воздух необходимо нагревать в холодный период. Однако электроэнергия вентилятора непосредственно связана с перемещением воздуха через соответствующее оборудование, а не с любым поступлением наружного воздуха в помещения.
Поэтому объём инфильтрационного воздуха нельзя автоматически добавлять к производительности приточного вентилятора. Такой подход исказит связь между расходом воздуха, тепловой нагрузкой и электрическими затратами установки.
При формировании энергобаланса необходимо разграничивать организованный приток и неконтролируемый воздухообмен. Если фактические расходы не разделены измерениями, вклад каждого механизма следует оценивать с учётом неопределённости.
Как объединить тепловую и электрическую составляющие в энергобалансе
Модель энергопотребления вентиляции строят для одного периода и одной установленной границы системы. Сначала определяют количество наружного воздуха, подаваемого вентиляцией в разных режимах, и соответствующую потребность в его нагреве или охлаждении.
Затем учитывают возврат тепла через рекуперационное оборудование. Для этого определяют, какую часть тепловой нагрузки фактически компенсирует передача энергии от удаляемого воздуха.
Отдельно рассчитывают потребление электроэнергии вентиляторами по их фактической мощности и времени работы. Если режимы вентиляции изменяются, расчёт выполняют для каждого интервала.
В результате получают взаимосвязанные показатели: тепловую энергию на обработку притока, эффект возврата тепла и электрическую энергию на перемещение воздуха.
Такое разделение позволяет установить, за счёт чего меняется общее энергопотребление: вследствие наружной температуры, расхода воздуха, продолжительности вентиляции, работы рекуператора или электрической мощности вентиляторов.
При этом тепловую нагрузку и электрические затраты необходимо сохранять как самостоятельные составляющие, если задача не предусматривает специально установленного способа их энергетического или стоимостного сопоставления.
Почему уменьшение притока не всегда означает допустимую экономию
Сокращение расхода наружного воздуха уменьшает тепловую нагрузку на его обработку и может изменять электрическое потребление вентиляторов. Но такой эффект не является достаточным основанием для уменьшения притока.
Вентиляция предназначена для обеспечения требуемого воздухообмена и качества воздуха в помещениях. Поэтому любое изменение расхода необходимо оценивать относительно фактической потребности и условий использования здания.
Если предлагаемый режим не обеспечивает необходимого притока, снижение энергопотребления достигается за счёт ухудшения условий эксплуатации. Такой результат нельзя считать обоснованным повышением энергоэффективности.
Следовательно, при сравнении режимов вентиляции необходимо одновременно проверять энергетические показатели и достаточность воздухообмена. Только технически допустимые режимы могут рассматриваться как сопоставимые варианты.
Результат оценки влияния вентиляции на энергопотребление
Результатом становится модель вклада организованного воздухообмена в энергобаланс здания. Она включает тепловую нагрузку на нагрев или охлаждение приточного воздуха, учтённый возврат тепла и электрическое потребление вентиляторов за согласованный период.
Модель позволяет сопоставлять круглосуточные и переменные режимы вентиляции, оценивать влияние температуры наружного воздуха и определять, какую роль играет рекуперация в снижении потребности в дополнительном нагреве.
При интерпретации необходимо сохранять границу между организованным притоком и инфильтрацией. Неизмеренный неконтролируемый воздухообмен не следует включать в фактическую производительность вентиляторов или приписывать ему электрическое потребление установки.
Главное ограничение: сокращение расхода воздуха не может обосновываться одной экономией энергии без оценки необходимого качества воздуха в помещениях. Если неизвестны фактические расходы, режимы работы или характеристики рекуперации, требуются дополнительные измерения с явным указанием неопределённости расчётов.
Вопросы технического обследования оборудования рассмотрены на странице «Системы вентиляции». Определение тепловых потерь здания связано с задачей «Выявление тепловых потерь». Другие инженерные разъяснения представлены в разделе «Материалы».