Оценка эффективности системы вентиляции футбольного стадиона «Зенит Арена»



Ключевые слова: энергосбережение, вентиляция, теплоутилизация, экономический анализ

Для больших помещений создание и поддержание требуемого микроклимата требует больших затрат энергии. В городе Санкт-Петербург представляет интерес футбольный стадион, расположенный в западной части Крестовского острова. Здесь вентиляционные установки отвечают не только за комфортное нахождение людей в помещении, но и за обогрев большого объема здания. Всего для обслуживания зрительной зоны (трибун) стадиона необходимо 33 приточно-вытяжных установки производительностью 3500–45000 м3/час каждая, установленных по всему периметру здания. Поэтому рациональная утилизация теплоты воздуха, удаляемого из помещений, становится актуальным вопросом. Сейчас существуют различные способы утилизации теплоты удаляемого воздуха жилых и общественных зданий [1–9]. Для анализа стоимости систем и выбора оптимального варианта рассмотрим семь приточных (приточно-вытяжных) установок с одинаковыми параметрами, но с различными способами утилизации теплоты (Табл. 1).

В первых двух установках (№ 1 и № 2, табл. 1) воздух из помещения удаляется вытяжным вентилятором и выбрасывается в атмосферу без утилизации теплоты.

Рис. 1. Принципиальная схема приточной установки с водяным нагревателем

Рис. 2. Принципиальная схема приточной установки с электрическим нагревателем

Третья установка (№ 3, табл. 1) с рециркуляцией смешивает часть забираемого из помещения воздуха с холодным наружным, нагревает его до необходимой температуры и затем подает в помещение [1, 2].

Рис. 3. Схема приточно-вытяжной установки с рециркуляцией воздуха

В четвертой установке (№ 4, табл. 1) выходящий из помещения воздух проходит через каждый второй канал теплообменника и нагревает пластины, а приточный воздух, проходя через остальные каналы, нагревается при соприкосновении с нагретыми вытяжным воздухом стенками каналов.

Рис. 4. Схема приточно-вытяжной установки с пластинчатым рекуператором

В пятой (№ 5, табл. 1) основу установки составляет алюминиевый барабан, через который встречными потоками проходит приточный и вытяжной воздух, частично смешиваясь между собой. Если установка работает на обогрев, то вытяжной воздух отдает теплоту тому сектору ротора, через который он проходит. Когда этот нагревшийся сектор попадает в поток холодного приточного воздуха, приточный воздух нагревается, а ротор, соответственно, охлаждается. Если система работает на охлаждение, то теплота передается от теплого приточного холодному вытяжному воздуху [4].

Рис. 5. Схема приточно-вытяжной установки с роторным рекуператором

В шестой (№ 6, табл. 1) установке применен теплообменник с промежуточным теплоносителем. Потоки приточного и вытяжного воздуха разнесены в пространстве на некоторое расстояние, а перенос теплоты между вентиляционными каналами осуществляется путем перекачки жидкого теплоносителя между индивидуальными теплообменниками в каналах, исключая при этом воздухообмен между притоком и вытяжкой.

Рис. 6. Схема приточно-вытяжной установки с промежуточным теплоносителем

В седьмой (№ 7, табл. 1) блок газового нагревателя представляет собой теплообменный модуль в теплоизолированном корпусе с камерой сгорания из специальной жаропрочной нержавеющей стали.

Рис. 6. Схема приточной установки с газовым нагревателем

Таблица 1

Варианты приточных (приточно-вытяжных) установок

№	Тип оборудования	Теплоноситель
1	Приточная установка без теплоутилизатора	вода
2	Приточная установка без теплоутилизатора	электричество
3	Приточно-вытяжная установка с рециркуляцией воздуха	вода
4	Приточно-вытяжная установка с пластинчатым рекуператором	вода
5	Приточно-вытяжная установка с роторным регенератором	вода
6	Приточно-вытяжная установка с теплообменником	промежуточный
7	Раздельные системы для притока и вытяжки	газ

В табл. 2 приведена ориентировочная стоимость оборудования; стоимость, (кВт в год) потребляемой электроэнергии двигателями установок; суммарные затраты на использование теплоносителя (руб. в год). При этом принимается время работы установок 3123 часа в год; тариф на электроэнергию 3,02 руб./кВт; время работы калориферов 2628 часов в год; тариф на тепловую энергию 1186,2 руб./Гкал, тариф на газ 5,748 руб./м3. Номера соответствуют табл. 1.

Таблица 2

Стоимость оборудования, электроэнергии и энергоносителя

№п/п	Стоимость оборудования, тыс. руб.	Стоимость электроэнергии, тыс. руб./год	Стоимость энергоносителя, тыс. руб./год
1	2 555	129, 7	1 146, 65
2	3 298	137, 4	3 401, 91
3	2 594	142, 6	404, 75
4	3 286	175, 0	398, 00
5	3 856	154, 4	346, 28
6	2 615	141, 7	964, 50
7	6 399	125, 7	538, 56

Из табл. 1 и 2 видно, что наиболее дорогой будет установка с газовым нагревателем, наиболее дешевой — приточная установка без теплоутилизатора, теплоносителем в которой служит вода. Наиболее энергозатратным, а соответственно дорогим, является двигатель приточно-вытяжной установки с пластинчатым рекуператором, менее энергозатратным и менее дорогим является двигатель установки с газовым нагревателем. Наиболее дорогостоящий теплоноситель — электричество, который существенно удорожает установку с электрическим калорифером и делает применение данной установки нецелесообразным. Наиболее экономичный способ подогрева воздуха в приточной установке с газовым нагревателем — из всех видов энергоносителей стоимость газа в перерасчете руб./год будет наименьшая.

Просуммируем начальную стоимость оборудования, затраты на электроэнергию, затраты на энергоноситель и получим ориентировочную стоимость установок через год эксплуатации, через 3 года эксплуатации и через 5 лет эксплуатации (табл. 3). Номера установок соответствуют табл. 1.

Sn=∑(Sоб+Sэл+Sэн)×n, (1)

где Sn- суммарная стоимость установок по времени, руб;

Sоб- стоимость оборудования, тыс. руб./год;

Sэл — стоимость электроэнергии, тыс. руб./год;

Sэн — стоимость энергоносителя, тыс. руб./год;

n — кол-во лет.

Таблица 3

Суммарная стоимость установок по времени, Sn руб.

№п/п	Через 1 год эксплуатации	Через 3 года эксплуатации	Через 5 лет эксплуатации
1	3 714 620	7 429 240	11 143 800
2	6 837 310	15 042 082	23 246 854
3	3 141 350	5 026 160	6 910 970
4	3 859 000	6 174 400	8 277 692
5	4 356 680	6 099 352	8 103 900
6	3 721 200	6 698 160	9 675 120
7	7 063 350	7 769 685	9 182 355

Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее экономичным способом теплоутилизации будет применение установки с рециркуляцией воздуха, однако использование в большом объеме удаляемого воздуха для смешивания с чистым может стать источником вирусов, бактерий и неприятных запахов, для удаления которых потребуются дорогостоящие фильтры. Если рассматривать установки, в которых удаляемый воздух не перемешивается с чистым приточным, то наиболее выгодным будет вариант приточно-вытяжной системы с роторным регенератором.

При использовании роторного рекуператора тепла происходит большая экономия затрат энергии. Эффективность работы установки зависит от значения коэффициента полезного действия, а его повышение приводит к энергосбережению, что в свою очередь имеет большое значение для экономики страны. Однако, для более детального исследования роторной рекуперации тепла нет теоретической базы и отсутствуют рекомендации по определению к. п.д. В имеющихся публикациях по данной тематике используется, как правило, упрощенный подход к анализу зависимостей к. п.д. от конструкции роторного рекуператора и параметров системы вентиляции [10].

Технические и экономические разработки, направленные на повышение эффективности систем вентиляции невозможны без изучения физической сути процесса рекуперации. Описанные в литературе характеристики приточно-вытяжных установок с роторной рекуперацией тепла в большей степени относятся к отражению экспериментальных данных без достаточного теоретического анализа течения воздуха в каналах ротора.

Литература:

1. Белова Е. М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях — М.: Евроклимат, 2006. -640с.
2. Кокорин О. Я. Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, кондиционирования воздуха (системы ВОК) О. Я. Кокорин. М.: Проспект, 1999. — 208 с.
3. Пушкарева Т. А. Морфологический анализ способов теплоснабжения жилого дома // Наука. Технологии. Инновации: материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 11 ч. — Новосибирск: НГТУ, 2014. — Ч.
4. Пушкарев А. Э., Пушкарев И. А. Аналитический расчет роторного регенеративного теплообменника // Интеллектуальные системы в производстве. 2016. -№ 1.-С. 86–89.
5. Отопления и вентиляция: Учебное пособие для строительных вузов и факультетов по специальности. «Теплогазоснабжение и вентиляция». В 2-х частях. Ч.2. Вентиляция.- М.: Высшая школа., 1984.-263 с., ил.
6. Ананьев В. А., Балуева Л. Н., Тальперин А. Д., Городов А. К., Еримин М. Ю. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. Учебное пособие-М.: «Евроклимат», изд-во «Арина». 2000- 416 с.
7. Б. В. Баркалов, Е. Е. Карпис. Кондиционирование воздуха в промышденных, общественных и жилых зданиях. М.:Стройиздат, 1982.
8. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача.-М.: Энергоиздат, 1981.
9. Справочник проектировщика. 4.3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Под.ред. Н. Н. Павлова и Ю. И. Шиллера.М.: Стройиздат, 1992.
10. Ватин Н. И., Смотракова М. В. Технико-экономическое обоснование применения систем вентиляции с роторной рекуперацией тепла: Учебно-методическое пособие. СПб.: СПбГПУ, 2003. — 75 с.