Оценка теплопотерь на вентиляцию частного дома

Наша семья давно мечтает о своем доме. Потихоньку "лежим в этом направлении". В качестве конструктива смотрим в сторону каркасного дома. В частности, задумались о проектном решении, а это --- планировка, окна, толщина утеплителя и прочее.

Сегодня речь пойдет о вентиляции частного дома, требующая энергию не только на работу вентустановки, но также затрат на нагрев воздуха поступающего с улицы. Именно об энергозатратах на нагрев мы и будем говорить.

Оценка теплопотерь на вентиляцию частного дома - Стройка

Сколько свежего воздуха нужно человеку?

Существует несколько стандартных вариантов определения объема исходя из СНИПов и научных исследований. Во-первых, для нежелых помещений требуется 3 м3 на 1 м2 площади здания. Но это к нам не относится. Во-вторых, СНИПы и научные исследования говорят примерно о следующем:

  • 30 м3 на человека в час --- некомфортно большинству людей и при этом является необходимым минимумом. Приемлимо для сна.
  • 60 м3 на человека в час --- комфортно большинству людей
  • 100 м3 на человека в час --- комфортно всем

Но откуда взялись эти цифры? Давайте посчитаем на коленке.

Расчет необходимого воздухообмена

Начнём с терминологии. Концентрация углекислого газа (CO2) в воздухе часто показывается в таких единицах как ppm. Например, концентрация CO2 на улице колеблется в зависимости от сезона, достигая максимальных значений 415-420 ppm, что соответствует концентрации 0,0004% в воздухе. Таким образом 1 ppm --- это 1 миллионная часть.

Для дальнейшего расчёта рассмотрим "тепличный" случай нахождения одного человека в комнате неограниченное время. Это означает, что вентиляцией выводится ровно такое де количество CO2, что производится человеком. Кроме того, необходимо предпологать, что концентрация углекислого газа в комнате равномерно распределена по всему объему. Позже мы обсудим, как отклонение от "тепличного" случая может повлиять на результаты.

Человек в период бодрствования потребляет порядка 500 литров (0.5 м3) воздуха в час и выдыхает смесь с концентрацией 4,5% углекислого газа. При этом во вдыхаемом воздухе концентрация CO2 порядка 0,05%-0,1%. Таким образом, за час один человек произведёт 0.5 * 4.5% = 0,0225 м3 = 22.5 л углекислого газа. Именно такое количество углекислого газа должна выводить вентиляционная установка в час в стационарном случае.

Пусть за час через вентиляционную установку пройдёт N кубов воздуха. Таким образом с улицы попадает N м3 воздуха с концентрацией углекислого газа 420 ppm, а на улицу выбрасывается воздух из комнаты с концентрацией 600 ppm. Напомню, что мы предполагаем, что воздух во всей комнате имеет одинаковую концентрацию углекислого газа, а значит вентиляционная установка забирает тот же воздух, которым дышит человек.

Тогда за час вентиляционная установка выведет N * (600ppm-420ppm) кубических меторов углекислого газа, что должно совпадать с количеством углекислого газа, который был произведен человеком. Отсюда N = 0,0225/180ppm = 125 м3 воздуха.

Дальше варьируя требуемую концентрацию углекислого газа в воздухе дома, можно получить следующие цифры.

  • 500 ppm --- 281 м3 на человека в час
  • 600 ppm --- 125 м3 на человека в час
  • 800 ppm --- 60 м3 на человека в час
  • 1000 ppm --- 39 м3 на человека в час

Почему цифры немного отличаются от рекомендованных, полученных экспериментально? Есть несколько причин. Во-первых, если человек пришёл в комнату со "свежим" воздухом, то воздух ещё какое то время оставаться свежим. Большие комнаты могут оставться свежими дольше, чем маленькие. Во-вторых, мы не находимся в комнате постоянно. Когда открываются двери, в комнату врывается неконтролируемый объем свежего воздуха. Кроме того, есть небольшая инфильтрация свежего воздуха через ограждающие конструкции. Также, мы учитывали объем углекислого газа, выдыхаемого человеком в час во время бодрствования. Во время сна, этот объем существенно отличается. Кроме того, у каждого человека своя норма "свежести" воздуха, для кого-то это 800 ppm, а для кого-то и концентрация CO2 в 600 ppm может показаться большой. И, возможно самое важное, расположение входных и выходных вентиляционных отверстий существенно влияет на результат.

Предположим, что входное отверстие находится с одной стороны комнаты, а выходное с противположной. Тогда по всей комнате есть поток воздуха в направлении выходного вентиляционного отверстия. Таким образом, когда человек выдыхает воздух, он движется приемуществено по этому потоку в направлении выходных вентиляционных отверстий, и, соответсвенно, быстрее удаляется. Что понижает необходимый воздухообмен.

Если же мы так неудачно расположим вентеляционные отверстия, что свежий воздух будет сразу поступать на выходное вентиляционное отверстие, то комната фактически проветриваться не будет. Как мы видим, расположение вентиляционных отверстий в комнате является крайне важным.

Будем в дальнейшем принимать, что одному взрослому человеку необходимо 100 м3 свежего воздуха в час, а ребёнку 60 м3 в час. Ночью всем требуется по 40 м3 в час.

Также нужно отметить, что есть большое количество факторов, которые могут влиять на расход. В силу того, что явно учесть эти факторы затруднительно, а иногда и невозможно, то идеальная система вентиляции должна уметь измерять уровень CO2 и подстраивать свою работу так, чтобы поддерживать концентрацию CO2 в требуемых границах.

Виды вентиляционных установок

Упрощая реальность, можно разделить все вентиляционные установки на пассивные и активные. Классическим примером пассивной вентиляционной системы является вентиляция в квартире, в которой есть большой стояк, работающий на разнице давлений в квартире и на крыше, а также различные "неплотности", через которые поступает уличный воздух. Такими неплотностями могут быть плохо прилегающие окна и двери, специальные вентиляционные клапаны, в том числе в окнах, а также открытые форточки. Такая система является очень простой и дешевой, но в тоже время не позволяет контролировать воздухообмен, поддерживать необходимую концентрацию CO2, является дорогой в использовании с точки зрения подогрева воздуха, а также является некомфортной, так как воздух с улицы в районе "неплотностей" может быть очень холодным. Тогда рядом с такими неплотностями находится некомфортно, кроме того по полу будет тянуться холодный воздух, что также не добавляет комфорта. Кроме того, тяга воздуха через вытяжку является неоднородным и сильнее работает в холодную погоду, а жару может даже стать инeвертированной и затягивать воздух с крыши.

Близким аналагом пассивной системы является вытяжная вентиляционная система, которая к пассивной системе добавляет возможность контролировать мощность вытяжки, что решает последнюю проблему. Однако, все остальные проблемы остаются, что не позволяет нам далее рассматривать такие системы.

Продолжая классификацию систем, требовалось бы упомянуть о приточных и приточно-вытяжных системах. Но с точки зрения опыта использования, как я понимаю, эти системы несильно отличаются друг от друга, поэтому будем рассматривать их вместе. Важными характеристиками таких систем, помимо мощности воздухообмена, являются:

  • Возможность поддержания требуемой концентрации CO2;
  • Рекуператор, позволяющий отобрать часть тепла от выбрасываемого на улицу воздуха и отдать его свежему всасываемому воздуху с улицы.

Обе возможности позволяют экономить энергию, требуемую на нагрев воздуха. Рассмотрим эти возможности подробнее.

Опция: поддержание требуемой концентрации CO2

В систему вентиляции можно встроить датчики CO2, и тогда система может проветиривать отдельные комнаты только тогда, когда концентрация CO2 превысит некоторый порог. Это позволяет (почти) полностью отключать вентиляционную установку, когда уровень CO2 низкий, что позволяет экономить на нагреве уличного воздуха. Как только в комнату войдёт человек, он начнёт дышать, концентрация CO2 повысится и вентиляция комнаты включиться. Когда человек выйдет, CO2 перестанет выделяться и система вентиляции отключится. Так, например, ночью будут проветриваться только спальни, а днём гостинная. Если же хозяева уезжают из дома, то вентиляционная устанвка почти полностью отключится.

Опция: рекуперация

Рекуперация --- это техническое решение, при котором часть тепловой энергии от отработанного воздуха, выбрасываемого на улицу, передается свежему воздуху, подаваемому в помещение. Схематически схема рекуператора показана на рисунке. Улица находится слева, а помещение справа. Толстые стрелки показывают направление потоков воздуха и его температуру, а маленькие розовые стрелки направление передачи тепла. как мы видим воздушные потоки идут в противходе по разным сайтам, не смещиваясь между собой. Однако, каналы входного и выходного потока тесно переплетены, что повзоляет им выравнивать свою температру. Таким образом, на улицу выбрасывается более холодный воздух, чем был в помещении, а нагревать входной воздух приходится с более теплой температуры, чем был на улице.

Оценка теплопотерь на вентиляцию частного дома - Стройка

Расчёт требуемой энергии на нагрев воздуха

Здесь нам нужно будет рассмотреть 4 варианта вентиляционной системы: (1) система которая постоянно подаёт воздух во все помещения (2) система, работающая по датчикам CO2 (3) система, без датчиков, но с рекуператором (4) система и с датчиком CO2 и с рекупертором.

Во первых посчитаем сколько воздуха нужно подавать в каждое помещение. В детские помещения на двух детей нужно подавать 120 м3 свежего воздуха в час, в родительскую спальню нужно подавать 80 м3 в час, в гостинную нужно подавать 200 м3 в час. Итого, если подавать во все помещения сразу (случай без датчика CO2) --- 400 м3 в час.

Если датчики CO2 работают, нужно расчитывать вентиляцию исходя из реальных потребностей людей, проживающих в доме. Для этого ночью потребуется 40 * 4 = 160 m3 в час, а днём --- 60*2+100*2 = 320 м3 в час.

Для целей расчёта, примем КПД рекуператора равным 70% (на рынке можно найти КПД 90%, но непонятно, сколько в этом маркетинга).

Итак, как мы выяснили в прошлой статье, средняя температура за отопительный период в моем регионе -2.3 градуса. Именно, она и влияет на энерго затараты. При этом самая низкая темература --- -35 градусов, влияющая на максимальную потребляимую мощность.

Мощность, необходимая на нагрев одного кубического метра воздуха на один градус

По таблицам можно найти, что теплоемкость воздуха равна 1010 Дж/кг/гр. Вес воздуха --- 1,29 кг/m3. Один Ватт, это мощность при которой за одну секунду совершается работа равная одному Джоулю. Таким образом, на нагрев 1 куба воздуха в час нам потребуется 1,29 * 1010 / 3600 = 0,36 Вт.

Теплопотери системы без датчиков и рекуператора.

Если в системе нет датчиков CO2, то её потребуется подавать 400 m3 воздуха в час. Для самого холодного дня (-35 градусов) нам потребуется мощность равная 0,36*400*55 = 8 кВт --- примерно столько же, сколько теплопотери всего дома. В этом случае мы точно выйдем за максимальные 15 кВт электричества. Видимо, в этом случае вентиляцию придётся оключать.

Что касается расходов в год на такую вентиляция, то нужно ориентироваться на среднюю температуру -2.3 градуса. Средняя требуемая мощность: 0,36*400*22,3 = 3211 кВт. Тогда расходы за год составят 3211 * 24 * 270 * 2,8 = 58 т.р. --- чуть меньше, чем на отопление всего дома.

Теплопотери системы при использовании датчиков CO2

При использовании датчиков CO2, ночью потребуется 200 м3 в час, а электричество будет стоить 2 рубля за кВт. А днём потребуется 320 м3 в час, а электричество стоит 3.2 рубля за кВт. Кроме того, будем считать, что в рабочии дни мы находимся дома 5 дневных часов, в выходные -- 12 дневных часов, в среднем это даст 8 ночных часов и 7 дневных часов.

Тогда, максимальная требуемая можность будет равна 0,36*320*55 = 6 кВт (на пределе возможностей 15 кВт с учётом отопления дома).

Что касается стоимости такой вентиляции, то требуемая средняя мощность ночью -- 0,36*200*22,3 = 1,6 кВт, а днём --- 0,36*320*22,3 = 2,6 кВт. Тогда, сумарные денежные затраты составят 1,6* 8 * 270 * 2 + 2,6*7*270*3.2 = 22600 рублей.

При необходимой рентабильности в 15% (5% вклад + 10% устаревание оборудовния, т.к. оно не вечно), это система себя оправдывает, если стоимость системы не будет превышать (58-22,6)/(10%) = 170 т.р.

Тут нужно отметить, что стоимость использования базовой системы можно уменьшить, если в ручную управлять производительностью системы и выключать её на вермя отсутствия. Тогда, вероятно можно съэкономить порядка трети финансовых затрат, таким образом, стоимость такой системы на ручном управлении составит порядка 39 т.р. в год, а выигрыш от использования датчиков составит 17 т.р. Тем не менее, если система будет стоить менее 170 т.р., затраты на её установку все равно будут оправдываться, засчёт более высокого комфорта проживания.

Теплопотери при использовании рекуператора

В случае с рекуператором, нужно все затраты энергии умножать на (1-КПД), т.е. на 0.3 в нашем случае.

  • Только рекуператор: 17.4 т.р., т.е. это выгодно, если требуемые капитальные затраты меньше 270 т.р. Требуемая мощность в самый холодный день: 0.3 * 8 = 2,4 кВт
  • Рекуператор + CO2: 6,8 т.р., что выгодно, если общая стоимость (разность по сравнению с базовой) системы меньше 345 т.р.а по сравнению с чистым рекуператором 70 т.р., а по сравнению с только датчиками CO2 105 т.р. капитальных затрат. Требуемая мощность: 0.3 * 6 = 1.8 кВт.

Оценка рентабельности конкретных систем

Локальная система вентиляции

Для систем без рекуператора существует два варианта: локальные систем вентиляции и центральные. Также для всех систем вентиляции требуется менять хотя бы один крупнозренистый фильтр, стоимостью 1000 рублей в год. Как правило бонусом идёт возможность установки фильтров для более тонкой отчистки.

Если смотреть на локальные системы, так называемые проветриватели, то они умеют работать в том числе и по датчику CO2. На одну комнату такая система будет стоить порядка 55 т.р., а на весь дом 6*55 = 330 т.р. При этом тут предполагается 2 проветривателя на гостинную и 4 по комнатам. Из бонусов этой схемы, можно систему формировать постепенно. В частности, на первом этапе будет достаточно трех (один гостинная, один в детскую и один в родительскую), а далее докупать по мере необходимости. Бонусом идёт возможность тонкой отчистки воздуха, для которой стоимость одного комплекта фильтров -- 5000, которые нужно менять раз в год, учитывая, что некоторые из фильтров нужно менять реже, примем, что средние затраты в год на все проветриватели будет 20 т.р.

Центральная система вентиляции

С другой стороны, если делать центральную систему, то её в любом случае лучше делать с рекуператором. У одного из крупных производителей вентиляции, стоимость вентустановки с рекуперацией и VAV-системой (для возможности подключения датчиков CO2) на 500 м3 -- 200 т.р. плюс 50-100 т.р. на трубопроводы, плюс система отчистки воздуха 130 т.р. Итого 400 т.р. (или 270 т.р.), если без доотчистки воздуха. Если делать систему, работающую по датчикам CO2, то для каждой комнаты потребуется датчик CO2 и клапан с приводом. Здесь цены в одном месте найти не удалось, но судя по всему каждая составляющая обойдется в 10 т.р. Т.е. всего на комнату потребуется 20 т.р., а значит всего на планируемый дом потребуется 100 т.р. затрат для управления системой вентилирования по датчикам. В сумме получается 500 т.р.

Выводы

Сведем все полученные данные в одну таблицу.

Оценка теплопотерь на вентиляцию частного дома - Стройка

Как мы видим в целом центральная система оказывается выгоднее, но на грани осмысленной рентабильности.

Также нужно упомянуть, что у центральной системы есть следуюшие достоинства и недостатки:

  • + Потенциально более долгий срок службы
  • + Возможность подогрева воздуха водой (+100 т.р.)
  • + Более низкая требуемая мощность
  • - Существенно более высокий уровень минимальных затрат на начальном этапе (для локальной системы, на старте достаточно 3 "проветривателей" -- 165 т.р., а для центральной системы -- нужны вентустановка и каналы -- 270 т.р.)
  • - Длинные входные воздуховоды, которые сложно чистить

Учитывая бонусы от использования центральной вентиляции, пока склоняюсь к использованию именно этого типа вентиляции. На начальном этапе без системы отчистки воздуха и без датчиков CO2.

Больше интересных статей здесь: Стройка.

Источник статьи: Оценка теплопотерь на вентиляцию частного дома.