Вентиляция. Независимая по помещениям, с рекуперацией, управлением по СО2, возможностью реорганизации потоков⁠⁠

Вентиляция, для которой не нужно делать вообще ничего, обсуждалась тут
Коль читаем дальше, простой вариант не прокатил, начинаем создавать систему.

Смысл вентиляции: - выкинуть воздух из комнаты на улицу, заменив его уличным. Замечу очень важный момент - улица у нас вот прям тут. Прямо за стенкой.

А если глянуть на системы вентиляции, там черт ногу сломит в трубах, каналах, т.е. мы перед тем, как выкинуть и взять, воздух еще и транспортируем. Ставим вентиляторы, что бы преодолеть сопротивление каналов, ломаем голову, куда эти каналы спрятать..

Это оправдано в многоэтажке, там нельзя взять вот прям из-за стенки, потому что там будет то, что выкинул сосед.

Это оправдано в частном доме для сложных, дорогих рекуператоров, где железка (рекуператор) одна, комнат много, соотв. тащим воздух воздуховодами по комнатам.

Ну и собственно учитывая два этих посыла:

• воздух брать прямо из-за стенки

• рекуператор должен мелким, простым, дешевым

- мы уже практически все решили. Рекуператор на теплоаккумуляторе, расположенных прямо в стене.

Идея простая, воздух из комнаты гоним через железку (теплообменник, теплоАКБ), железка естественно нагревается (в пределе до комнатной). Меняем направление потока и гоним через эту же железку воздух с улицы. Железка отдает тепло, подогревая воздух.

Конструктив - дыра в стене, в нее труба 110 (обрезок серой, канализационной), в трубе (начиная со стороны помещения):

• Два вентилятора, соединенных встречно. Кулеры 12 В на 30-60 м3/ч, параметры можно глянуть тут

• Теплообменник (теплоАКБ). Потом разберем что и как.

• фильтр нулевого сопротивления (москитка в пару слоев).

Бюджет на трубу и вентиляторы - 1000 руб .

Подходы к конструкции ТА

Довольно очевидны, нужно что-то, имеющее большую площадь поверхности, в ограниченном объеме и с малым аэродинамическим сопротивлением.

Под такие требования подходят радиаторы (но с ними сложнее и дороже) и регулярные насадки (кольца Рашига, седла Палля, Инталокс...).

Юзают в большой химии, ну и самогонщики еще подтянулись, короче там, где требуемый процесс идет на поверхности, этих поверхностей в заданном объеме нужно много и этот объем должен иметь минимальное аэродинамическое сопротивление.

Далее, для выхода конкретику (размеры, вес, параметры..). - ТА придется считать. Хотя бы на уровне ориентиров (почти на пальцах), на примере колец Рашига.

Труба 300*110, кольца Рашига, металлические, Ф10 (10*10*0,3).

Насыпная плотность - 1890 кг/м3. Поверхность - 520 м2/м3. Количество 949000 шт/м3. Слой 300 мм (в трубе 110 мм) - объем 2,85 литра. Вес 1890*0,00285=5,4 кг.

Поверхность этих колечек: 520*0,00285=1,5м2 (для понимания, площадь всех ламелей радиатора у ЗИЛка - около 6м2), т.е. это довольно серьезный теплообменник.

Площадь самой трубы при этом, всего 0,11*3,14*0,3=0,1м2

Есть керамика, есть металл. Почему лучше металл? Ну, самое простое - много радиаторов с керамическими пластинами? Впрочем, рассмотрим чуть подробнее.

От чего зависит время переключения (между реверсами приток-вытяжка)?

Снизу (время) ограничено объемом воздуха за такт. Если объем будет соизмерим с объемом трубы - вентиляции не будет вообще. Один и тот же воздух будем гонять туда-сюда. Т.е. время, должно обеспечить перекачку объема много бОльшего, объема рекуператора.

Рассуждаем про ограничение сверху. У нас - ТеплоАКБ. Соотв., как у всякого аккумулятора, у него есть Емкость и Мощность.

Емкость (теплоемкость) сколько джоулей (энергии, тепла) нужно впихнуть в АКБ, чтоб температура поднялась на градус.

Мощность - сколько джоулей в секунду, способен воспринять (или отдать) АКБ (все что выше этого предела, пролетит мимо, на улицу, или в дом, без передачи тепла).

Теплоемкость у нас объемная (теплоемкость АКБ заданного объема). Т.е. сколько джоулей нужно впихнуть в литр объема, чтоб поднять температуру этого объема на градус. Теперь считаем:

300 мм Ф110 - 2,8 литра, пусть у нас будет 2,5 л колечек.

Теплоемкость

Теплоемкость керамики - 0,77 кДж/кг*С, стали - 0,46 кДж/кг

Керамика М15 - 0,59*2,5=1,475 кг. теплоемкость АКБ - 0,77*1,48=1,14 кДж/С

Сталь М10 0,96*2,5=2,4 кг, теплоемкость 0,46*2,4=1,104 кДж/С

Теплоемкость керамических - на 3% выше, разница не существенна.

Мощность.

Определена мощностью потока теплопередачи, функции трех величин, т.е. пропорционална:

• коэф теплоусвоения,

• площади контакта,

• дельте температур.

Коэф. теплоусвоения керамики 3,3 Вт/м2*К, стали 126 Вт/м2*К. Отношение 38 (!!!) раз

Площадь контакта (из таблицы) соотносятся как 500/330=1,5 раз

Разница в мощности сталь/керамика в 57 (!!!) раз.

На пальцах. У керамики, очень быстро прогревается внешний слой, падает дельта температур, прекращается теплообмен. Кроме того, толщина керамики в 4 раза больше, чем у стали. Прогреваться будет дольше. В результате, тепло уйдет вместе с воздухом.

Т.к. тепловая мощность в потоке воздуха - задана (потребным воздухообменом), то АКБ недостаточной мощности, просто не успеет снять тепло.

А что до емкости нашего АКБ - она влияет на время между реверсами, т.е. недостаток емкости, компенсируется более частыми переключениями.

Ну и вдогонку, прикинем, какое время потребуется, чтоб насытить наши АКБ, при условии, улица -20, дом +20, вытяжка и вход - 0С (КПД 50%), расход 60 м3/ч, или 17 л/сек (скорость в трубе Ф110 1,7 м/сек).

В кубе воздуха - 1,2 кг, т.е. 20 грамм в сек.

Теплоемкость воздуха 1кДж/кг, т.е. каждый градус дает поток в 0,02 кДж/сек. 20 градусов, дадут 0,41 кДж/сек.

Емкость нашего АКБ 1,1 кДж/К, на 20К будет 22 кДж, время "зарядки" - 22/0,41=53,6 сек.

Т.е. переключения, для данных условий - примерно через минуту.

Система управления вентиляцией.

Критерий управления.

По СО2. Это крайне удобный маркер присутствия и активности человека. Его применение, позволяет построить вентиляцию, которая "ходит за людьми".

Принцип, очень простой. Подавай на вентиляторы напряжение, пропорциональное СО2. Люди из комнаты ушли - вентиляция придушилась.

Датчики СО2.

Сегодня не дорогие. В принципе, можно разделить на два простых типа. ИК датчики (NDIR) и датчики на оксидах металлов (обычно олова). Разумеется, все есть у китайцев, ИК датчик - MH Z19B, оксид олова CCS811 HDC1080 - копейки, но нужно паять. Есть уже готовое (ниже).

Второй датчик (оксидный), кроме СО2, реагирует на углеводороды. От метана, до сигарету выкурил. И соотв. будет увеличивать проветривание. Кроме того, в нем есть датчик влажности, что позволяет переводить дом в режим консервации с более низкой температурой, не опасаясь конденсата. Идея простая. Если система видит, что дальнейшее снижение температуры ведет к рискам конденсата, то включается дополнительное проветривание, система убеждается, что влажность упала и продолжает снижать температуру. Разумеется и такие возможности, есть уже готовые.

Проектирование

Что хорошо - можно отложить до любого этапа стройки. Вплоть до после новоселья. Пожили в таком варианте, не устроило - дырявим стены, где удобно, втыкаем рекуператоры, управление оборотами простейшее, реостатиком.

Надоело ручку крутить - колхозим автоматику.

Возможности такой системы управления.

Кроме традиционной цели - автоматизировать воздухообмен с мин. затратами ( т.е. по СО2), возможны совершенно новые функции:

• Как уже выше писалось - возможность экстремального снижения температуры в нежилых (консервация) помещениях.

• Реорганизация потоков. Например, пришли гости, кухня совмещена с гостинной, два окна, 4 установки. Две включаются на приток, две на вытяжку. Получаем удвоенный расход. Можно подключать вентиляторы из соседних комнат, по сути свободное управление, жесткая привязка точек притока и вытяжки - уходит со всеми вытекающими.

Практика.

Один из вариантов рекуператора на ТА

Вот, пример. Единственно, у парня шарики в качестве рабочего тела ТА. Кольца Рашига, эффективнее почти на порядок.

Есть многочисленные фабричные установки, например теплая форточка. КПД - 70-80%.

Цены, перспективы колхозить.

Труба, вентиляторы - пусть 1000 руб.

Теплообменник - навалом разных у самогонщиков, но цена - печалька. Если медь, то от 1600 руб/кг (покупаем медную трубу, резак и долгими зимними вечерами...), остальное в два-три раза дороже.

Поэтому лучше искать в промышленности например тут колечки 15 мм - 1200 руб/кг. Пусть 3600 на трехкилограммовую загрузку, т.е. 4600 - цена железки.

Готовый монитор СО2, (ароматических углеводородов, формальдегида... ZigBee) 1116 руб

Так, на каждое жилое помещение. Что еще хорошо, не нужно ставить воздуходувку на 100500 кубов, теперь все децентрализовано, вплоть до потери понятий и локализаций приток-вытяжка. Учитываем возможность управляемых перетоков между помещениями (при нехватке вентиляции) и типовое кол. людей в помещении, т.е. производительность 30-60 м3/ч на комнату.

Пример системы управления на ZigBee