содержание      ..     1      2      3      4      ..

Технико-экономическое обоснование применения систем вентиляции с роторной рекуперацией тепла - часть 3

Рисунок 1.2 График зависимости напора от объема воздуха

Ниже представлены диаграммы вентилятора отработанного воздуха

(вентилятор ОВ) и вентилятора приточного воздуха

(вентилятор ПВ) для

типоразмера GOLD 31. Эти диаграммы показывают располагаемое повышение

давления вентиляторов для покрытия напора воздуховодов, а также наружных

функциональных частей, и общий уровень шума L_w,tot, в воздуховоде выброса

воздуха, dB, в октавной полосе125-8000 Hz.

Диаграмма SFPv показывает энергоэффективность агрегата, где значение

SFPv (удельная мощность) относится к совместному потреблению мощности

вентиляторами в конкретной вентиляционной системе стеме на данный расход

воздуха. Удельная мощность вентилятора измеряется в kW/м³/с, т.е. киловатт за

кубометр воздуха в секунду. Значение SFPv определяется в режиме полной

нагрузки и с чистыми фильтрами.

Диаграммы SFPv и Вентилятор ОВ предполагают, что вентиляторы

приточного воздуха и отработанного воздуха работают в условиях равных

объемов воздуха и с одинаковым напором. Объем утечки и чистого притока, а

также дополнительный объем для получения корректного направления утечки -

учтены.

Жирные пунктирные линии разделяют зоны

(1,2,3,4) применения

корректирующего фактора K_ОК. Зоны 1 и 2 наиболее бесшумные. Общий уровень

шума на выбросе вентилятора L_w,tot,(общ) считывается в диаграмме. Для

разделения его в октавном регистре используется формула:

L_w,ok = L_w,tot + K_ok.

28

Рисунок 1.3 Диаграмма вентилятора отработанного и приточного воздуха

Таким образом, при подборе приточно-вытяжной установки производится

аэродинамический расчет и расчет требуемого расхода воздуха. При этом не

рассчитывается экономия тепла и не оценивается экономическая эффективность

применения установки.

1.12. Оценка эффективности инвестиций

1.12.1. Инвестиции. Капитальные вложения. Основные понятия.

Инвестирование

- это акт вложения денежных средств

(именуемых

инвестициями) с целью получения дохода в будущем. В знаменитом английском

Оксфордском толковом словаре даны два значения инвестиций:

«1.

Приобретение средств производства, таких, как машины и оборудование, для

предприятия, с тем чтобы производить товары для будущего потребления.

Обычно такое приобретение называется капительными вложениями;

2.

Приобретение активов, например ценных бумаг, произведений искусства,

депозитов в банках или строительных обществах и т.п., прежде всего в целях

получения финансовой отдачи в виде прибыли или увеличения капитала [37].

Такой вид финансовых инвестиций представляет собою средство сбережения».

Инвестиции также можно классифицировать:

• По государственной принадлежности инвестора

(государственные

инвестиции, иностранные инвестиции)

• По организационно-правовой форме инвестора

29

• пользователей объектов инвестиционной деятельности;

• других качествах.

Вышеназванным законом определены права, обязанности и отношения

субъектов инвестиционной деятельности.

Отношения между конкретными субъектами регулируются договором

(контрактом), заключённым между ними.

Понятие “капиталовложения” уже понятия “инвестиции”, т.к. оно:

а) не включает средства, направленные, например, на приобретение

оборотных средств;

б) имеет в виду только денежные средства.

1.12.2. Оценка эффективности инвестиционного проекта

При оценке эффективности исходят из той информации о проекте, которая

содержится в проектных материалах, принимая ее, обычно как полную, точную и

достоверную. Говорить об эффективности проекта можно, лишь, когда

содержащаяся в проектных материалах информация подтверждает

реализуемость проекта [35].

Эффективность проекта, в том числе инвестиционного, - это категория,

выражающая соответствие результатов и затрат проекта целям и интересам его

участников. Включая в необходимых случаях государство и население. В ходе

оценки эффективность проекта оценивается определенными количественными

характеристиками

- показателями эффективности, отражающими указанное

соответствие в том или ином аспекте, «выгодность» реализации проекта для

каждого из его участников, а также некоторыми качественными характеристиками.

Чтобы рассчитать показатели эффективности, надо не только знать, какие

действия выполняет участник, но и то, каких затрат это требует и к каким

результатам приводит.

Для оценки эффективности инвестиционного проекта обычно используют

четыре показателя: чистый дисконтированный доход (ЧДД), внутренняя норма

доходности

(ВНД), срок окупаемости

(Т_ок) и иногда уровень бухгалтерской

рентабельности

(УБР). Первые два показателя основаны на концепции

дисконтирования, два последние (более старые) эту концепцию не используют.

Дисконтирование - приведение затрат, результатов и других экономических

показателей разных периодов к сопоставимому по значению виду с

использованием коэффициента дисконтирования.

В известной мере представление о годовой доходности инвестиций дает

показатель ВНД, который численно равен наибольшей величине коэффициента

дисконта

r,

обеспечивающего неотрицательное

значение

чистого

дисконтированного дохода. r определяется по формуле:

T

T

K

I

R

(1.21)

t

=

+

,

∑ t

t

∑

t

T

t=1

(1+

r)

t=1

(1+

r)

(1+

r)

где t - номер временного интервала; T - период владения или эксплуатацией

объекта; K_t

- капиталовложения или инвестиции в интервале; I_t

- доход в

интервале t; R - стоимость реверсии (продажи в конце срока эксплуатации).

Временной интервал может быть принят равным году, полугоду, кварталу

или месяцу, соответственно речь будет идти о соответствующих капитальных

сложениях и доходах.

Если вместо r в формулу подставить произвольное значение коэффициента

дисконта i, то равенство левой части (дисконтированные капиталовложения) и

правой (дисконтированные доходы) нарушится и разность между левой и правой

31

частями определит чистый дисконтированный доход инвестиционного проекта

(ЧЧД).

Если заложенный в расчеты экономической эффективности коэффициент

дисконта i меньше r, то проект эффективен и неэффективен в противном случае.

Чем больше разность i-r, тем эффективнее проект.

Зависимость, определяющая r, характерна для проектов типа

«долговременные инвестиции (строительство) и долговременная эксплуатация»

или «мгновенные инвестиции (покупка) и долговременная эксплуатация», при

этом начало эксплуатации объекта, как правило, начинается после окончания его

строительства или покупки.

Существуют проекты другого типа, когда доходы от реализации

строительной продукции начинают поступать сразу с началом строительства и

поступление их прекращается несколько позже, а иногда и раньше окончания

строительства (строительств и продажа жилья, офисов, магазинов, кафе и т.д.).

Строительство таких объектов ведется инвестором - застройщиком, который сам

же реализует строительную продукцию. Экономическая жизнь проекта

заканчивается реализацией последней квартиры или окончанием строительства.

Реверсия для таких проектов равна нулю. В этом случае r получается или очень

большим, или не существует вообще. Из ранее изложенного можно было бы

сделать вывод, что такие проекты сверхэффективны, однако это не так

-

доходность их может быть весьма скромной. Во всех случаях по r и i ничего

нельзя сказать о фактической доходности инвестиций.

Мерой эффективности капитальных вложений является величина обратная

сроку окупаемости (коэффициент эффективности):

1

I

(1.22)

=

,

T

T

ok

∑

K

t

t

=1

T

где I - годовой доход от эксплуатации объекта, принятый постоянным;

-

∑Kt

t=1

общая сумма капиталовложений в создание объекта.

Доходность инвестиций по этому коэффициенту определить тоже нельзя, т.к.

он будет постоянным в любой момент времени. Здесь не учитывается срок

владения объектом, а, например, при сроке владения меньшем, чем срок

окупаемости, доходность инвестиций будет отрицательной.

Не отражает доходности инвестиций и показатель уровня бухгалтерской

рентабельности:

2⋅I

(1.23)

УБР

=

,

K

−

R

где K - стоимость основных фондов на момент приобретения; R - стоимость

их на момент списания.

Это некоторая средняя эффективность основных фондов, приносящих

постоянный годовой доход, за весь период их экономической жизни.

Ни одни из этих показателей прямо не определяет годовую доходность

инвестиций при применении установки с роторным рекуператором тепла.

Требуется дополнительный анализ работы систем с рекуперацией тепла и

необходима разработка методики оценки эффективности установок [37].

32

2. Расхода тепла в системах с рекуперацией

Технические и экономические разработки, направленные на повышение

эффективности систем вентиляции невозможны без изучения физической сути

процесса рекуперации. Создание математической модели процесса роторной

рекуперации тепла позволит создать методику расчета эффективности и выявить

факторы, от которых зависит эффективность роторной рекуперации тепла.

Как было рассмотрено в предыдущей главе, рекуперация основана на

сложных процессах теплообмена, которые происходят при прохождении воздуха

через вращающийся ротор. В системах вентиляции для утилизации теплоты из

удаляемого нагретого воздуха могут использоваться регенеративные, в том числе

вращающиеся, воздухонагреватели. В регенеративных воздухонагревателях одна

и та же теплообменная поверхность систематически или воспринимает теплоту,

нагреваясь от одного теплоносителя, или отдает воспринятую теплоту другому

теплоносителю, охлаждаясь при этом, а затем процессы повторяются [38].

Нагревание воздуха осуществляется путем сообщения ему явной теплоты.

2.1.

Необходимая теплота нагрева воздуха

Необходимость нагревания воздуха, обрабатываемого в системе

вентиляции, можно определить по формуле без использования I-d-диаграммы.

Нагревание неизбежно, если:

min

Q

(2.1)

пом

t

−

>

t

,

в

х

нрх

L

c

ρ

н

в

в

где t_в.х.

- расчетная температура воздуха внутри помещения в холодный

период года; Q_помmin - минимальные теплоизбытки в помещении; L_н - количество

наружного воздуха; с_в - теплоемкость воздуха внутри помещения; ρ_в - плотность

воздуха; t_нрх - расчетная температура наружного воздуха в холодный период

года.

Количество нагреваемого воздуха выявляется при определении

воздухообмена, необходимого для борьбы с расчетной вредностью, выделяемой

в вентилируемом помещении. Расход теплоты обычно определяют по формуле:

Q=G⋅c(t

−

t

),

(2.2)

2

1

где G

- количество нагреваемого воздуха; c

- массовая теплоемкость

воздуха; t₂ - температура воздуха после нагревания (температура приточного

воздуха); t₁-температура воздуха до нагревания

(температура наружного

воздуха).

2.2. Коэффициент полезного действия роторного

регенератора тепла

Эффективность работы любой машины определяется коэффициентом

полезного действия (далее к.п.д.), который, в свою очередь, зависит от к.п.д.,

входящих в нее компонентов. Так, помимо температурного к.п.д. приточно-

вытяжной установки, рассматриваемого подробно ниже, необходимо отметить

потери энергии в двигателе ротора и потери давления непосредственно в роторе.

Под температурным к.п.д. приточно-вытяжной установки понимаем

количество тепла, которое возвращается в помещение по отношению к теплу,

содержащемуся в воздухе, удаляемом из помещения [33].

34

2.2.1.

Определение к.п.д. роторного регенератора тепла

2.2.1.1. Температурный к.п.д.

В регенеративных воздухонагревателях одна и та же теплообменная

поверхность систематически или воспринимает теплоту, нагреваясь от одного

теплоносителя, или отдает воспринятую теплоту другому теплоносителю,

охлаждаясь при этом, а затем процессы повторяются. Таким образом,

поверхность теплообмена регенеративных теплообменников является

тепловоспринимающей и теплоотдающей. Время, за которое происходит

нагревание насадки и охлаждение первичного теплоносителя τ₁, называется

периодом нагрева, а время, за которое происходит охлаждение насадки и

нагревание вторичного теплоносителя τ₂, называется периодом охлаждения.

Время, за которое происходят нагрев и охлаждение насадки, называют полным

циклом или периодом. Время полного цикла определяется по формуле:

τ

=τ

+τ

пер

1

2

Регенераторы работают в условиях нестационарного теплового процесса,

т.е. происходит изменение во времени как температуры стенки в период

нагревания и охлаждения, так и температуры теплоносителей. Особенности

расчета заключаются в том, что все расчеты приходится вести по средним

характеристикам за период

(цикл). Тепловой поток относится не к единице

времени, а берется за период.

В системах вентиляции для утилизации теплоты из удаляемого нагретого

воздуха могут использоваться регенеративные, в том числе вращающиеся,

воздухонагреватели. На рисунке изображен регенератор тепла роторного типа,

который устанавливается в приточно-вытяжных установках. Приточный воздух

течет через одну половину теплообменника, а вытяжной воздух течет в

противоположном направлении через другую половину ротора. Отработанный

воздух - это теплый воздух, удаляемый из помещения, который отдает свою

теплоту ротору. Наружный воздух - это воздух, поступающий с улицы, который,

проходя через ротор, нагревается.

Рисунок 2.1 Роторный рекуператор тепла

Вытяжной

Отработанный

воздух

воздух

Наружный

воздух

Приточный

воздух

Количество теплоты, содержащееся в отработанном воздухе, по сравнению с

наружным воздухом определяется по формуле:

35

Q =c⋅m⋅

−

t

),

(2.3)

(tот

нар

где c - теплоемкость воздуха; m - количество отработанного воздуха; t_от -

температура отработанного воздуха; t_нар

- температура наружного воздуха.

Количество отработанного воздуха определяется как

m=L

⋅

τ

1

1

Количество теплоты Q₁, передаваемое отработанным воздухом роторному

регенератору, можно определить по формуле:

Q

=

c

⋅ L

⋅ (t

−t

)⋅

τ

,

1

1

от

выт

1

где с

- теплоемкость воздуха; L₁

- расход вытяжного воздуха; t_от

-

температура отработанного воздуха; t_выт - температура вытяжного воздуха; τ₁ -

период, за который происходит нагревание ротора и охлаждение первичного

теплоносителя.

Количество теплоты, которое поступает в помещение после процесса

теплообмена, можно определить по формуле:

Q

=

c

⋅ L

⋅ (t

−t

)⋅

τ

,

2

2

пр

нар

2

где с

- теплоемкость воздуха; L₂

- расход приточного воздуха; t_пр

-

температура приточного воздуха; t_нар - температура наружного воздуха; τ₂ -

время, за которое происходит охлаждение насадки и нагревание вторичного

теплоносителя.

Для нагрева приточного воздуха утилизатор тепла использует тепло

отработанного воздуха. Развитая поверхность теплообмена внутри ротора

позволяет передать приточному воздуху максимальное количество тепла воздуха

помещения, и, значит, использовать догревающий калорифер значительно

меньшей мощности либо вовсе избежать его.

Следовательно, можем дать определение температурного к.п.д. как

отношение количества теплоты, содержащейся в приточном воздухе к теплоте,

содержащейся в отработанном воздухе, удаляемом из помещения:

Q₂

(2.4)

η

=

Q

Принимаем, что количество приточного и вытяжного воздуха равно, т.е.

L₁=L₂. В случае вращающегося регенератора тепла предполагаем, что τ₁=τ₂.

Тогда:

t

−t

=η⋅(t

−

t

) , следовательно:

пр

нар

от

нар

t_пр

−

t

(2.5)

нар

η

=

t

−

t

от

нар

Температура воздуха, удаляемого из помещения t_от, и температура

наружного воздуха t_нар известны, значит, зная к.п.д. η роторного рекуператора

тепла, можно найти температуру приточного воздуха t_пр:

t

=t

+η⋅(t

−

t

).

пр

нар

от

нар

К.п.д. зависит от температур отработанного и наружного воздуха. Путем

снижения скорости вращения ротора можно уменьшить к.п.д. Эту возможность

используют для регулирования температуры приточного воздуха после

теплообменника [34], [17].

2.2.1.2. К.п.д. по передаче влаги

Для гигроскопичного ротора можно определить к.п.д. передачи влаги

приточного воздуха η_вл:

d_пр

−

d

(2.6)

нар

η

=

,

вл

d

−

d

от

нар

36

где d_пр

- влагосодержание приточного воздуха; d_от

- влагосодержание

отработанного воздуха; d_нар - влагосодержание наружного воздуха. Общей чертой

всех гигроскопических алюминиевых роторов является то, что при пониженном

числе оборотов к.п.д. передачи влаги снижается больше, чем температурный к.п.д

[31].

2.2.2.

Модель тонкого ротора

На первый взгляд может показаться, что при балансе притока и вытяжки (при

равенстве расходов приточного и вытяжного воздуха) температура исходящего из

ротора воздуха может в лучшем случае быть равна полусумме температур

входящих в ротор воздушных потоков. Другими словами к.п.д., определенное

формулой (1.28), не может быть больше 50 %. Однако таким свойством обладает

только короткий ротор.

Рассмотрим модель короткого ротора (рис. 2.2). Длина ротора и изменение

температуры ротора по длине (в направлении потока) считается пренебрежимо

малым. В модели принято, что ротор

- это тело, у которого температура

изменяется по углу поворота ротора Через верхнюю часть ротора протекает

воздух большей температуры

t

, через нижнюю часть - меньшей

t

(t

>

t

).

1

2

1

2

Теплый воздух температурой t передаст часть своей тепловой энергии ротору, в

1

результате чего ротор нагреется. Воздух в нижней части ротора в охладится

среднем до температуры

t

, получая тепловую энергию от ротора. Средняя

4

температура ротора после многократных процессов теплообмена установится

равной половине суммы температур входящих потоков (t

+t

)2

1

2

Рисунок 2.2. Модель короткого ротора

Рассмотрим теоретическую зависимость к.п.д. от угловой скорости

вращения ротора.

Очевидно, что при нулевой скорости теплообмена нет и к.п.д. равен нулю.

Рассмотрим малый сектор dϕ ротора и проследим его температуру в

различных фазах поворота ротора. Для наглядности построим графики

зависимостей температуры малого сектора ротора от угла поворота (рис. 2.3).

Пусть при фазе 0 радиан сектор попадает в поток холодного приточного воздуха.

При малой угловой скорости вращения ротора сектор начинает охлаждаться

и при неком угле поворота его температура достигает минимального значения.

Эта температура далее сохраняется вплоть до значения фазы π радиан. Начиная

с фазы π радиан сектор, попадая в верхнюю часть рекуператора, начинает

37

нагреваться до максимальной температуры. При неком угле поворота его

температура достигает максимального значения. Эта температура далее

сохраняется вплоть до значения фазы 2π радиан. Далее процесс повторяется.

Температура воздуха в отходящих от ротора воздуховодах будет определятся

смешением струек воздуха

, проходящих через разные секторы ротора и

воспринимающих температуру этих секторов. В случае малой угловой скорости

вращения ротора температура отходящего воздуха изменяется мало, теплообмен

в большей части ротора не идет и к.п.д. близко к нулю.

Рисунок 2.3

Зависимость температуры ротора от угла

поворота

30

20

10

Температура ротора,

0

град.С

0,5

1

1,5

-100

-20

-30

Угол поворота, ПИ

При большей, чем на предыдущем рисунке, угловой скорости вращения

ротора отсутствуют сектора, в которых температура сектора достигла

температуры набегающего воздуха (рис. 2.4).

Рисунок 2.4

Зависимость температуры ротора от угла

поворота

30

20

10

0

Темп. ротора

0,5

1

1,5

-100

-20

-30

Угол поворота, ПИ

Теплообмен идет интенсивнее и значение к.п.д. будет выше, чем в

предыдущем случае.

При еще большей скорости вращения ротора температура его секторов

успевает мало изменится, теплообмен идет еще более интенсивно (рис. 2.5).

38

Рисунок 2.2

Зависимость температуры ротора от угла

поворота

25

15

5

Темп. ротора

-5

0

0,5

1

1,5

-15

-25

Угол поворота, ПИ

Значение к.п.д. будет близко к 50%. Температура воздуха в отходящих от

ротора воздуховодах, определяемая смешением струек воздуха, проходящих

через разные секторы ротора, близка к полусумме температур входящих

воздушных потоков. В нашем условном примере, изображенном на рисунках эта

полусумма температур равна нулю.

Очевидно, что, по влиянию на вид этих графиков, увеличение теплоемкости

ротора аналогично увеличению его скорости вращения. Характер изменения

температур секторов (от рисунка к рисунку) при увеличении теплоемкости будет

аналогичен увеличению скорости вращения ротора.

В модели короткого ротора при балансе притока и вытяжки изменение

температуры приточного и вытяжного воздуха

∆t не превышает полуразности

температур наружного и отработанного воздуха:

t

−t

(2.7)

1

2

∆t

=≤

2

В рамках этой модели к.п.д. не зависит от температуры отработанного и

наружного воздуха.

2.2.3.

Обратный переток воздуха

При переходе от модели короткого ротора к более сложным и более точно

описывающем объект моделям приходится учитывать процессы, происходящие

по длине ротора. Прежде всего заметим, что процесс прохождения воздуха через

ротор всегда будет сопровождаться перетоком воздуха, то есть часть воздуха

будут возвращаться обратно в помещение.

При увеличении скорости вращения ротора, увеличивается объем воздуха,

который не успевает пройти всю длину ротора и возвращается обратно в

помещение. Использование рециркуляции возможно, но есть некоторые

ограничения, связанные с недостаточной очисткой воздуха, удаляемого из

помещения. Обычно допустимое значение перетока составляет всего несколько

процентов от общего расхода воздуха. Определяется это значение требованиями

микроклимата при проектировании системы вентиляции.

Рассмотрим модель движения объема воздуха при прохождении через ротор

(рис. 2.7).

39

Рисунок 2.3 Определение перетока

Пусть n(%)-допустимый объем воздуха, возвращается обратно в помещение,

отнесенного к объему... удаленного из помещения. Тогда:

n⋅L

=

L

,

(2.8)

1

2

где

L

- расход воздуха, протекающий через верхнюю половину ротора;

L

-

1

2

расход воздуха, не успевшего пройти до конца ротора и возвратившегося в

помещение.

Рассмотрим сектор ротора, в котором воздух не успевает пройти по всей

длине ротора. Так как ротор вращается, воздух из этого сектора перейдет в

нижнюю область ротора и затем вернется в помещение. Определим расход через

верхнюю часть ротора и расход воздуха через сектор ротора.

2

2

π

⋅ R

1

π

⋅ R

L

=

v⋅

;

L

=

⋅ v ⋅

⋅ϕ

,

1

2

2

2

2π

где v - скорость воздуха; R - радиус ротора.

Отсюда получаем, что ϕ = 2⋅π ⋅n .

Определим время t, за которое ротор повернется на угол ϕ, т.е. тот момент

времени, когда воздух, ограниченный сектором, перейдет в нижнюю область

ротора:

ϕ

t

=

,

ω

где ω - угловая скорость вращения ротора.

Определим расстояние, которое успеет пройти воздух, находящийся в

секторе, за время t:

l=v⋅t.

Из уравнений получаем:

⋅ n⋅ v

(2.9)

ω

=2π

,

l

l

⋅

И следовательно:

n

= ω

2⋅π

⋅ v

Построим график зависимости перетока от скорости вращения ротора (рис.

2.8)

40

Рисунок 2.4

Зависимость перетока от скорости вращения

ротора

1,2

1

0,8

0,6

переток

0,4

0,2

0

скорость вращения ротора

При увеличении скорости вращения ротора, как было показано выше,

происходит увеличение к.п.д., но также увеличивается переток, что может не

удовлетворять требованиям чистоты воздуха. При понижении скорости вращения

ротора происходит снижение к.п.д. Поэтому при постоянном расходе воздуха надо

найти такое наибольшее значение ω_кр, при котором будет допустимый переток:

⋅

⋅ n⋅v

ω

= 2 π

кр

l

⋅

⋅v⋅

Из графика видно, что при конечной скорости вращения ротора

ω

≥ 2 π

l

переток достигает 100%. При стопроцентном перетоке не будет притока свежего

воздуха.

2.2.4.

Линейная модель длинного ротора

Переходим к модели длинного ротора с учетом изменения температуры по

длине ротора l. Не будем учитывать эффекты обратного перетока воздуха.

Разобьем ротор по длине на множество бесконечно коротких роторов с длиной

∆x

(рис.

2.9). Здесь

t

,t

,t

,t

..- осредненные по углу

ϕ

поворота ротора

1

2

3

4

температуры воздуха по двум секторным половинам (верхней и нижней) ротора.

Осреднение проводится в интервале (0, π) и (π, 2π) соответственно.

Рисунок 2.5 Линейная модель длинного ротора

41

содержание      ..     1      2      3      4      ..