Влияние вентиляции на теплопотери и энергопотребление здания

Вентиляция влияет на энергопотребление здания одновременно по двум направлениям: для нагрева поступающего наружного воздуха требуется тепловая энергия, а для перемещения воздуха по воздуховодам расходуется электричество. Поэтому оценивать эффективность вентиляционной системы только по мощности вентиляторов или только по расходу тепла недостаточно.

Величина энергопотребления зависит от расходов приточного и вытяжного воздуха, продолжительности работы оборудования, температурных условий, аэродинамического сопротивления сети и наличия рекуперации. Чтобы установить влияние вентиляции на энергетический баланс здания, необходимо отдельно рассчитать тепловую и электрическую составляющие, а затем сопоставить их при одинаковых режимах эксплуатации.

Почему вентиляционный воздухообмен увеличивает потребность в тепле

В холодный период наружный воздух обычно имеет более низкую температуру, чем воздух, который необходимо подавать в обслуживаемые помещения. Для доведения приточного воздуха до требуемой температуры используется тепловая энергия.

Чем больше объём наружного воздуха и разница между его исходной и требуемой температурой подачи, тем выше нагрузка на нагрев при прочих равных условиях.

При этом расход наружного воздуха определяется назначением помещений и условиями их эксплуатации. Увеличение воздухообмена может быть необходимым для обеспечения соответствующего качества воздушной среды или технологического процесса. Следовательно, повышенная тепловая нагрузка не является самостоятельным доказательством неэффективной работы вентиляции.

Для технической оценки необходимо установить, какое количество воздуха действительно поступает снаружи, до какой температуры оно нагревается и как долго система работает в рассматриваемом режиме.

Какие исходные данные необходимы для анализа

Совместная оценка теплового и электрического потребления требует трёх групп исходных сведений.

• Расходы приточного и вытяжного воздуха и часы работы. Позволяют определить объём перемещаемого воздуха и продолжительность соответствующих эксплуатационных режимов. Эти данные необходимы для расчёта тепловой нагрузки и потребления электроэнергии за период.
• Температура наружного и приточного воздуха. Используется для оценки необходимого нагрева наружного воздуха. Температуры следует сопоставлять в одинаковые интервалы работы системы.
• Мощность вентиляторов и наличие рекуперации. Позволяют определить электрическую составляющую и установить, предусмотрен ли возврат части тепла удаляемого воздуха.

Исходные данные должны относиться к одной границе анализа. Если тепловая нагрузка рассчитана для всей приточной системы, а электрическое потребление определено только для одного вентилятора, полученные величины не описывают одинаковый состав оборудования.

Также необходимо учитывать различия между установленной и фактической мощностью двигателей. Номинальные характеристики оборудования не обязательно соответствуют потреблению электроэнергии в каждом эксплуатационном режиме.

Как рассчитать тепловую нагрузку на нагрев приточного воздуха

Тепловая нагрузка определяется количеством поступающего наружного воздуха и величиной его нагрева. При известном массовом расходе воздуха для упрощённой оценки чувствительной тепловой нагрузки можно использовать зависимость:

Q = G × c_p × (t_пр − t_нар),

где Q — тепловая мощность нагрева, G — массовый расход воздуха, c_p — его удельная теплоёмкость, t_пр — температура приточного воздуха, t_нар — температура наружного воздуха.

Если исходный расход задан в объёмных единицах, для применения зависимости необходимо согласовать единицы измерения и определить соответствующий массовый расход с учётом плотности воздуха.

Такая зависимость показывает физический механизм увеличения нагрузки: при неизменном температурном перепаде рост количества наружного воздуха увеличивает требуемую тепловую мощность.

Однако полученное значение характеризует расчётную нагрузку для заданных условий. Его нельзя автоматически принимать за фактическое потребление тепловой энергии за отопительный период.

Для определения энергии за период необходимо учитывать продолжительность работы и изменение температур наружного и приточного воздуха. Если система работает по разным графикам, расчёт выполняют для соответствующих режимов с последующим объединением результатов.

Как определить электрическое потребление вентиляторов

Вентиляторы расходуют электрическую энергию на перемещение воздуха через элементы вентиляционной сети. Их фактическая потребляемая мощность зависит от расхода воздуха, сопротивления системы и характеристик оборудования.

Если известна действительная электрическая мощность вентилятора в определённом режиме, потребление за соответствующий период определяется произведением мощности на продолжительность работы.

Для системы с изменяющимися режимами необходимо учитывать каждый характерный период отдельно. Использование одной постоянной мощности для всех часов работы допустимо лишь тогда, когда она соответствует рассматриваемым условиям эксплуатации.

При анализе приточно-вытяжной системы электрическую энергию двигателей приточной и вытяжной частей рассматривают в пределах согласованной границы. Это позволяет не исключать из расчёта оборудование, непосредственно обеспечивающее необходимый воздухообмен.

Тепловую нагрузку на нагрев наружного воздуха и электрическую энергию вентиляторов показывают отдельно. Обе величины могут быть выражены в энергетических единицах, но относятся к разным видам потребляемых ресурсов и не должны смешиваться без определения цели расчёта.

Как сопротивление вентиляционной сети влияет на расход электроэнергии

Для перемещения воздуха вентилятор должен преодолевать аэродинамическое сопротивление воздуховодов и других элементов сети. При увеличении сопротивления изменяются условия работы вентилятора и требуемая мощность для обеспечения заданного воздушного потока.

Если необходимо сохранять прежний расход воздуха при возросшем сопротивлении сети, может потребоваться большее усилие со стороны вентилятора. Это способно увеличить электрическую нагрузку системы.

Однако зависимость фактического электропотребления от сопротивления определяется рабочей характеристикой вентилятора и режимом его регулирования. Поэтому рост сопротивления сам по себе не означает, что измеренная мощность двигателя обязательно увеличилась: без поддержания расхода фактический воздушный поток также может измениться.

Для обоснованного вывода необходимо сопоставлять расход воздуха, условия работы вентилятора и его электрическую мощность. Оценка только по установленной мощности двигателя не показывает, насколько эффективно система преодолевает сопротивление сети.

Как рекуперация изменяет тепловой баланс вентиляции

Рекуперация предусматривает передачу части энергии удаляемого воздуха приточному потоку. В холодный период это позволяет уменьшить потребность в дополнительном нагреве наружного воздуха при подходящих условиях работы системы.

Если наружный воздух после теплообменного устройства получает часть тепла вытяжного потока, нагревателю необходимо обеспечить меньшую разницу температур для достижения заданной температуры подачи.

Но наличие рекуператора не означает полного устранения тепловой нагрузки. Степень возврата тепла зависит от фактических условий работы устройства, температур и расходов воздушных потоков.

При оценке необходимо также учитывать электрическую составляющую вентиляции. Дополнительное сопротивление элементов системы может влиять на работу вентиляторов. Поэтому результат рекуперации следует рассматривать не изолированно, а в общем балансе тепла и электроэнергии.

Важное ограничение: рекуперация снижает только соответствующую часть нагрузки на нагрев притока. Она не устраняет необходимость поддерживать требуемый воздухообмен и не гарантирует снижение совокупного энергопотребления без расчёта фактических режимов.

Почему тёплый приточный воздух не всегда подтверждает эффективность рекуперации

Повышенная температура приточного воздуха может быть связана с передачей тепла от вытяжного потока, но сама по себе не подтверждает работу рекуператора с определённой эффективностью.

Одно из альтернативных объяснений — влияние внутренних тепловыделений. Температурные условия внутри здания способны изменять состояние удаляемого воздуха и энергетические параметры системы.

Поэтому для оценки возврата тепла необходимо учитывать не только температуру притока, но и условия наружного воздуха, работу соответствующего оборудования и фактическую передачу энергии между потоками.

Если эти сведения отсутствуют, можно установить температуру подачи, но нельзя достоверно определить, какая доля нагрева обеспечена рекуперацией.

Как режим работы вентиляции связан с использованием помещений

Продолжительность работы вентиляции непосредственно влияет на расход тепловой и электрической энергии. Даже если мощности оборудования не изменяются, увеличение количества часов работы увеличивает энергопотребление за соответствующий период.

Поэтому при оценке необходимо сопоставлять график вентиляции с занятостью и назначением помещений. Проверяют, соответствует ли фактический режим предусмотренной потребности в воздухообмене.

При этом офисные помещения и производственные зоны нельзя оценивать по одной эксплуатационной модели.

В офисе потребность в вентиляции может изменяться в зависимости от присутствия людей и использования помещений. На производственном объекте работа вентиляции может быть связана с технологическим процессом и необходимостью удаления выделяющихся веществ или тепла.

Следовательно, отсутствие персонала в производственной зоне не всегда означает отсутствие потребности в воздухообмене. Прежде чем рассматривать изменение графика, необходимо установить санитарные и технологические условия эксплуатации.

Сопоставление часов работы с занятостью помогает выявить возможное несоответствие режима. Но оно не является достаточным основанием для отключения или сокращения подачи воздуха.

Почему необходимо проверять качество воздухораспределения

Общий расход приточного воздуха характеризует количество воздуха, подаваемого системой, но не показывает, насколько правильно он распределяется между обслуживаемыми зонами.

Поэтому при оценке вентиляции необходимо учитывать качество воздухораспределения. Недостаточный воздухообмен в отдельной зоне не всегда означает, что всему зданию требуется увеличить общий расход наружного воздуха.

Возможны различия между фактическим распределением потока и потребностью отдельных помещений. Для их интерпретации необходимо сопоставить расходы притока и вытяжки с условиями использования зон.

Если рассматривается изменение режима вентиляции, следует убедиться, что необходимый воздухообмен обеспечивается во всех соответствующих зонах, а не только в системе в целом.

Это особенно важно для производственных помещений, где допустимость изменения подачи воздуха зависит от характера технологического процесса.

Почему нельзя снижать расход воздуха только ради экономии

Уменьшение количества наружного воздуха при прочих равных условиях способно снизить тепловую нагрузку на его нагрев. В некоторых режимах оно может изменить и электрическое потребление вентиляционного оборудования.

Однако энергетическое снижение не означает, что такое решение допустимо для эксплуатации.

Необходимый воздухообмен определяется санитарной и технологической потребностью. Если уменьшение расхода приводит к нарушению условий воздушной среды или требований производственного процесса, его нельзя рекомендовать как энергосберегающее мероприятие.

Поэтому проверка возможного изменения режима должна начинаться с установления необходимого воздухообмена. Только после этого можно рассматривать, существует ли избыточная подача воздуха в определённые периоды или зоны.

Расчёт возможной экономии без такой проверки не является достаточным основанием для изменения расхода или графика вентиляции.

Как составить совместный баланс тепла и электричества

Для итоговой оценки необходимо объединить тепловую и электрическую составляющие в пределах одних и тех же эксплуатационных режимов.

1. Определить границу анализа. Установить, какие приточные и вытяжные системы рассматриваются и какие потоки воздуха относятся к выбранному объекту.
2. Уточнить расходы и часы работы. Разделить эксплуатацию на характерные режимы, для которых известны объёмы воздухообмена и продолжительность.
3. Рассчитать нагрузку на нагрев притока. Использовать расходы наружного воздуха и соответствующие температуры с учётом фактического нагрева и наличия возврата тепла.
4. Определить электрическую энергию вентиляторов. Сопоставить действительную мощность оборудования с продолжительностью каждого режима.
5. Проверить эксплуатационные ограничения. Убедиться, что рассматриваемые режимы соответствуют санитарной и технологической потребности и обеспечивают необходимое воздухораспределение.
6. Свести результаты. Отдельно показать тепловую и электрическую энергию и отметить, какие величины подтверждены измерениями, а какие получены расчётом.

Такой баланс позволяет установить, какие режимы формируют существенную тепловую нагрузку, какая электрическая энергия необходима для перемещения воздуха и как на результат влияет рекуперация.

При сравнении разных режимов важно сохранять одинаковую границу учёта. Нельзя сопоставлять потребление всей системы в одном варианте только с энергией приточного вентилятора в другом.

Что делать, если исходные данные неполные

Если известны расходы воздуха и часы работы, но отсутствуют температуры наружного и приточного воздуха, можно описать объём воздухообмена, однако достоверно рассчитать тепловую нагрузку на нагрев притока нельзя.

Если имеются температурные данные, но неизвестна фактическая мощность вентиляторов, электрическая составляющая остаётся неопределённой. В таком случае требуется уточнить рабочий режим оборудования и доступные энергетические показатели.

Если наличие рекуперации установлено, но неизвестны параметры её фактической работы, нельзя приписывать системе определённую величину возвращённого тепла.

Если отсутствует подтверждение санитарной или технологической потребности в воздухообмене, нельзя делать вывод о допустимости сокращения расхода воздуха, даже если предварительный расчёт показывает возможное снижение потребления энергии.

Таким образом, при недостаточных исходных сведениях результатом проверки становится перечень необходимых измерений и уточнений, а не необоснованная рекомендация изменить режим системы.

Как использовать результат оценки

Итогом является баланс влияния вентиляционного воздухообмена на тепловую и электрическую энергию при заданных режимах работы. Он должен показывать объёмы притока и вытяжки, продолжительность эксплуатации, температурные условия, энергопотребление вентиляторов и влияние предусмотренной рекуперации.

Баланс позволяет определить, какое дополнительное измерение или расчёт необходимо выполнить для уточнения энергетической картины. При наличии сопоставимых данных можно анализировать различия между эксплуатационными режимами и проверять техническую обоснованность их настройки.

При этом снижение энергопотребления не должно рассматриваться отдельно от функции вентиляции. Необходимо учитывать назначение помещений, качество воздухораспределения и требуемый санитарный либо технологический воздухообмен.

Практический вывод: вентиляция формирует одновременно тепловую нагрузку на нагрев наружного воздуха и электрическую нагрузку вентиляторов. Увеличение воздухообмена при прочих равных повышает потребность в нагреве, сопротивление сети влияет на работу вентиляторов, а рекуперация может уменьшать лишь часть тепловой нагрузки. Для обоснованной оценки необходим баланс обоих видов энергии за сопоставимые периоды. Рекомендовать уменьшение расхода воздуха только ради экономии без подтверждения санитарной и технологической потребности недопустимо.

Связанные вопросы рассматриваются в материалах о системах вентиляции, энергоаудите инженерных систем и выявлении потерь энергии в инженерных системах.