Теплообменники воздух-воздух для более здоровых энергоэффективных домов | NDSU Сельское хозяйство и распространение знаний

Теплообменники воздух-воздух для более здоровых энергоэффективных домов

Чтобы снизить затраты на отопление и охлаждение, строители использовали лучшие строительные технологии и материалы, чтобы значительно уменьшить утечку воздуха в дом и из дома. В то время как «герметичный» дом снизит затраты на отопление и охлаждение, он также будет задерживать водяной пар и вредные частицы в доме.

Карл Педерсен, бывший преподаватель энергетики

Конденсация окон и другие проблемы с влажностью вероятны в обветренном доме без воздухообменников. Это проблема как для людей, так и для дома. Подача наружного воздуха и отвод воздуха из помещения (вентиляция) разбавляют или удаляют загрязняющие вещества и влагу из помещения. Вопрос в том, как вы удаляете влагу и загрязняющие вещества, сохраняя при этом нагретый или охлажденный воздух? Воздушный теплообменник решит эту проблему. Воздухообменники передают тепловую энергию воздуха в помещении поступающему свежему воздуху, удаляя влагу и загрязняющие вещества, но сохраняя тепло. В этой публикации описываются причины использования теплообменников типа «воздух-воздух», технология теплообменников, экономическая выгода от их установки и некоторые советы по выбору теплообменника, подходящего для вашего дома.

Почему проблема с вентиляцией?

В прошлом энергия была дешевле, чем теплоизоляция, и строители уделяли меньше внимания теплоизоляции дома. С течением времени и повышением цен на энергоносители домовладельцы начали сокращать расходы, утепляя чердаки, стены и подвалы, что остановило крупномасштабную передачу тепла.

В последнее время из-за высоких затрат на энергию и более качественных материалов домовладельцы и строители останавливают небольшие утечки воздуха вокруг дверей, окон, сантехники и даже пластин выключателей света. В некоторых домах эта естественная инфильтрация воздуха теперь заменяет воздух внутри каждые 10-30 часов, по сравнению с каждые 40 минут XNUMX лет назад. К сожалению, такое уменьшение поступления наружного воздуха в здание может привести к проблемам с качеством воздуха в помещении. Двумя наиболее распространенными проблемами качества являются избыточная влажность.
и загрязняющие вещества.

Относительная влажность – это отношение количества водяного пара в воздухе к максимальному количеству водяного пара, которое воздух может содержать при определенной температуре. Точка росы – это температура, при которой относительная влажность составляет 100 процентов и образуется конденсат.

Теплый воздух способен удерживать больше водяного пара, чем холодный. В теплый летний день температура может достигать 85 градусов по Фаренгейту (°F) при 50-процентном уровне относительной влажности, что делает точку росы 71 °F.

Когда воздух охлаждается, температура приближается к точке росы, или точке, где водяной пар начинает осаждаться из воздуха. Например, при охлаждении воздуха при температуре 85 °F относительная влажность увеличивается, а при температуре 70 °F на холодных поверхностях образуется конденсат. Воздух при температуре 70 ° F и относительной влажности 40 процентов имеет относительную влажность около 80 процентов при охлаждении до 50 ° F. Воздух при температуре 20 ° F и относительной влажности 90 процентов имеет относительную влажность 23 процента при нагревании до 60 ° F. Грубо говоря, падение температуры на 20 °F снижает влагоудерживающую способность вдвое и удваивает относительную влажность.

В тесных домах деятельность человека, такая как душ, сушка одежды и приготовление пищи, поднимает относительную влажность до проблематичного уровня, что приводит к образованию конденсата на окнах и высокой влажности, что может привести к росту плесени. Рекомендуемая относительная влажность для людей составляет около 50 процентов, чтобы свести к минимуму носовые кровотечения, сухость кожи и другие физические недомогания. Северный климат не может поддерживать такой уровень влажности зимой. Когда теплый влажный воздух соприкасается с прохладными поверхностями, влага конденсируется на поверхности, если она ниже точки росы.

Подобно тому, как вода конденсируется на стакане воды со льдом, конденсат образуется на холодных поверхностях в доме. Это может произойти на окнах, дверях, полах и даже внутри стен. Постоянные влажные условия могут вызвать структурные повреждения и связанные с этим проблемы с гниением и плесенью. Идеальная влажность для северных равнин зимой составляет от 30 до 40 процентов, что является компромиссом между идеальными условиями для людей и строениями, в которых они обитают.

Измерение влажности дома

Используйте гигрометр (Рисунок 1), или измеритель относительной влажности, чтобы проверить конструкцию на предмет относительной влажности. Гигрометры могут иметь либо циферблат, либо цифровое считывание. Цифровые гигрометры не всегда более точны. В продаже имеются более дорогие модели, которые, как правило, должны иметь более высокую степень точности. Более дорогие гигрометры обычно имеют точность в пределах 5 процентов от фактической относительной влажности. Все гигрометры требуют калибровки для повышения уровня их точности. При покупке гигрометра проверьте рабочий диапазон, потому что электронные гигрометры могут иметь минимальный уровень относительной влажности, который они могут считывать, например 20 процентов.

Для калибровки гигрометра возьмите герметичный контейнер, по крайней мере, в три раза превышающий размер гигрометра. Примеры включают пластиковый пакет с застежкой-молнией, контейнер для хранения продуктов с плотно закрывающейся крышкой или кофейную банку с оригинальной крышкой. Поместите чашку с водой в герметичный контейнер вместе с глюкометром на четыре-шесть часов или до тех пор, пока капли воды не станут видны на внутренней поверхности контейнера. Когда капли начинают скапливаться на краю герметичной емкости, это указывает на уровень относительной влажности 100 процентов. Показание гигрометра должно быть не менее 95 процентов, а лучше 100 процентов, Рисунок 2. Обратите внимание на чтение.

Теперь добавьте поваренную соль в чашку с водой, помешивая, пока вода не перестанет растворять соль. Соль должна оставаться на дне чашки. Затем поместите чашку обратно в герметичный контейнер с глюкометром и снова оставьте на два-три часа. Соль снижает способность воды к испарению и, следовательно, уровень влажности. Солевой раствор должен давать показатель влажности 75 процентов, но допустимы значения от 70 до 80 процентов. Рисунок 3.

Сравните два показания. Если они оба отличаются на одинаковую величину, вы можете откалибровать свой гигрометр на эту величину. Обратитесь к руководству пользователя для получения конкретных инструкций по калибровке вашего устройства. Если ваш блок не имеет возможности калибровки, то вы можете настроить показания мысленно.

Загрязнители в домах

ЗагрязнительТип

Различные загрязняющие вещества существуют на разных уровнях в разных домах. Примеры включают двуокись углерода и монооксид от газовых приборов, газ радон из почвы вокруг фундамента, формальдегид от строительных материалов и твердых частиц, таких как плесень и табачный дым. Таблица 1 перечислены некоторые основные источники внутренних и наружных загрязнителей. Некоторые из наиболее распространенных загрязнителей заслуживают обсуждения в связи с их созданием и возможными проблемами со здоровьем человека.

Углекислый газ и окись углерода, образующиеся в результате сжигания топлива, могут вызвать серьезные проблемы со здоровьем. Старые приборы обычно производят самые высокие уровни угарного газа из-за неправильного сжигания, утечек и отсутствия достаточного количества свежего воздуха для полного сгорания. Хотя двуокись углерода вызывает проблемы только при высоких уровнях, ее присутствие обычно указывает на присутствие угарного газа. Высокий уровень углекислого газа вызывает сонливость и указывает на плохую вентиляцию. Угарный газ вызывает головные боли и усталость при низких концентрациях и может вызвать потерю сознания или смерть при высоких концентрациях. Обеспечить подачу наружного воздуха для любого топочного устройства и регулярный воздухообмен облегчают проблемы.

Радон попадает в строение через отверстия для доступа к трубопроводу, щели в полу и другие отверстия в почву и возникает в результате распада естественных радиоактивных материалов в почве. Радон может вызывать рак легких в высоких концентрациях. Вентиляция подвальных помещений и подвалов свежим воздухом может уменьшить проблему, но предпочтительным методом является вентилирование слоя гравия под цокольным полом. (Рисунок 4). Для определения уровня радона необходимо провести тест на радон.

Другие опасные факторы, передающиеся по воздуху в домашних условиях, связаны со строительными материалами и чистящими средствами. Формальдегид, распространенный промышленный химикат, присутствует во многих строительных материалах и предметах домашнего обихода. Газообразный формальдегид может покидать материалы и попадать в окружающую среду в течение всего срока службы материала, но большая часть газа уходит в течение первого года. Формальдегид вызывает раздражение слизистых оболочек носа, горла и глаз. Его нужно вывести наружу. Сегодня использование формальдегида в строительных материалах ограничено.

К твердым частицам относятся более крупные частицы, переносимые по воздуху, такие как споры плесени и табачный дым, упомянутые ранее. Сюда также входят вирусные и бактериальные организмы, перхоть домашних животных, пыль и многое другое. Из-за большого разнообразия предметов физические недуги варьируются от простуды до аллергии и болезней легких. Некоторые частицы могут быть отфильтрованы, а другие могут быть выброшены только наружу.

Эксплуатация и конструкция теплообменника воздух-воздух

Одним из способов свести к минимуму проблемы с качеством воздуха и влажностью в доме, не открывая окна, является установка механической системы вентиляции с использованием теплообменника «воздух-воздух». Теплообменник типа «воздух-воздух» приводит в тепловой контакт два воздушных потока с разной температурой, передавая тепло от отработанного внутреннего воздуха к поступающему снаружи в течение отопительного сезона. Типичный теплообменник показан на Рисунок 5.

Летом теплообменник может охлаждать, а в некоторых случаях и осушать горячий наружный воздух, проходящий через него и поступающий в дом для вентиляции. Теплообменник воздух-воздух удаляет избыточную влажность и вымывает запахи и загрязняющие вещества, образующиеся в помещении.

Теплообменники обычно классифицируют по способу прохождения воздуха через устройство. В противоточном теплообменнике потоки горячего и холодного воздуха движутся параллельно в противоположных направлениях. В поперечном блоке потоки воздуха текут перпендикулярно друг другу. В агрегате с осевым потоком используется большое колесо. Воздух нагревает одну сторону колеса, которое отдает тепло потоку холодного воздуха при медленном вращении. Блок с тепловыми трубками использует хладагент для передачи тепла. Другие единицы доступны для специализированных приложений. В небольших сооружениях, таких как дома, обычно используются противоточные или перекрестные теплообменники.

Большинство теплообменников воздух-воздух, устанавливаемых в северном климате, представляют собой вентиляторы с рекуперацией тепла (HRV). Эти агрегаты рекуперируют тепло из отработанного воздуха и возвращают его в здание. Недавние достижения в области технологий также увеличили использование вентиляторов с рекуперацией энергии (ERV). В прошлом ERV в основном использовались в климате с более высокой влажностью, когда нагрузка на охлаждение была больше, чем на отопление.

Основное различие между ними заключается в том, что HRV восстанавливает только тепло, а ERV восстанавливает тепло и влажность. У ERV были проблемы с более низкой эффективностью из-за перенасыщения внутренних осушающих колес в течение длительных периодов высокой влажности, но при правильной установке и обслуживании они могут создать более здоровое жилое пространство и большую экономию энергии. Кроме того, большинство ERV, продаваемых сегодня, представляют собой ERV пластинчатого типа, которые не содержат адсорбционного колеса. Проконсультируйтесь с подрядчиком по отоплению/охлаждению, чтобы определить, какие системы HRV или ERV будут наиболее полезными в ваших обстоятельствах.

В общей конструкции теплообменника воздух-воздух используется ряд пластин, называемых сердечником, уложенных друг на друга вертикально или горизонтально. Идеальная плита обладает высокой теплопроводностью, высокой коррозионной стойкостью, способностью поглощать шумы, низкой стоимостью и малым весом. Общие материалы пластин включают алюминий, различные типы пластиковых листов и современные композиты.

Первоначально в теплообменниках использовались алюминиевые пластины. Возникли проблемы с коррозией во влажной среде, создаваемой конденсатом, и плохими звуковыми характеристиками. Пластмассы решили проблему коррозии и некоторые проблемы со звуком, но проводимость не была такой же, как у алюминия, а стоимость была выше. В современных высокотехнологичных теплообменниках используются композитные материалы, отвечающие всем критериям.

В дополнение к сердцевине установка состоит из изолированного контейнера, средств управления оттаиванием для предотвращения замерзания влаги на сердцевине и вентиляторов для перемещения воздуха. Все теплообменники нуждаются в изоляции для повышения эффективности и уменьшения образования конденсата снаружи устройства. Различные типы механизмов разморозки с датчиками внутри устройства доступны для управления процессом разморозки. Вентиляторы перемещают воздух, чтобы обеспечить необходимый воздушный поток и скорость вентиляции.

Противоточные теплообменники состоят из сердцевины из плоских пластин. В качестве Рисунок 6 показывает, воздух входит в любой конец теплообменника. Тепло передается через пластины более холодному воздуху. Чем дольше воздух проходит в агрегате, тем больше теплообмен. Процент рекуперации тепла – это КПД агрегата. Эффективность обычно составляет около 80 процентов. Как правило, эти блоки длинные, неглубокие и прямоугольные, с воздуховодами на любом из длинных концов.

В теплообменниках с поперечным потоком также используются плоские пластины, но воздух течет под прямым углом. (Рисунок 7). Блоки имеют меньшую площадь основания и могут даже поместиться в окне, но теряют часть эффективности противотока. Эффективность обычно не превышает 75 процентов. Эти блоки часто имеют форму куба со всеми соединениями на одной грани куба. Подавляющее большинство теплообменников, используемых в жилых помещениях, используют конструкцию с поперечным потоком.

Выберите модель, которая лучше всего соответствует вашим конкретным потребностям. Следует учитывать такие характеристики, как пространство, доступное для установки, необходимый обменный курс и желаемая эффективность. К сожалению, почти каждый производитель по-разному сообщает эти цифры. Например, скорость вентиляции зависит от сопротивления воздушному потоку. Вентилятор с расходом воздуха 150 кубических футов в минуту (куб. фут/мин) фактически может создавать такой поток только при очень низком давлении. Точно так же блок может иметь заявленную эффективность 85 процентов, но может быть не лучше, чем блок с эффективностью 80 процентов, в зависимости от температуры испытания.

Чтобы стандартизировать заявления производителей об эффективности, Институт домашней вентиляции (HVI) тестирует теплообменники типа «воздух-воздух» и другое вентиляционное оборудование. Испытания используются для создания спецификации воздухо-воздушного теплообменника. Этот лист, показанный на Рисунок 8, нормализует теплообменники к заданному набору давлений и температур, позволяя сравнивать эффективность и скорость воздушного потока между моделями. Показатели производительности вентиляции связывают скорость воздушного потока с заданным давлением, а энергетические характеристики связывают набор заданных температур наружного воздуха с различными типами эффективности.

Наиболее важной эффективностью является разумная эффективность рекуперации, поскольку большая часть теплообмена происходит во время этого типа процесса. Ощутимая эффективность рекуперации обеспечивает эффективность установки при определенных расходах воздуха (куб. фут/мин) и температурах. Эти числа можно сравнивать от одного блока к другому, чтобы обеспечить правильное сравнение при одинаковых скоростях воздушного потока.