Вопросы энергосбережения в системах горячего водоснабжения зданий сохраняют высокую актуальность как для нового строительства, так и для модернизации существующего жилищного фонда. Одним из перспективных направлений повышения энергетической эффективности является использование низкопотенциальной теплоты сточных вод, образующихся в процессе бытового водопотребления. Значительная часть тепловой энергии, затраченной на подготовку горячей воды, после использования отводится в канализацию и в большинстве случаев не используется повторно.

Одним из способов снижения этих потерь является применение локальных рекуператоров, обеспечивающих предварительный подогрев холодной воды за счёт теплоты сточных вод непосредственно вблизи санитарно-технического прибора [1]. Такие решения особенно интересны благодаря компактности, возможности автономного применения и отсутствию необходимости в масштабной реконструкции инженерных сетей здания [2]. Вместе с тем существующие исследования в данной области в большей степени ориентированы на режимы водоразбора со сравнительно длительным временем работы [3], при которых теплообменное устройство успевает выйти на квазистационарный режим.

Для обычных раковин и умывальников характерен иной режим эксплуатации. Водоразбор здесь, как правило, имеет кратковременный, прерывистый и переменный характер. В результате тепловая эффективность подраковинного рекуператора определяется не только площадью теплообменной поверхности и температурным напором, но и соотношением между продолжительностью отдельного цикла водоразбора и временем выхода аппарата на рабочий режим. При малой длительности цикла значительная часть процесса может протекать в переходной области.

Таким образом, задача оценки тепловой эффективности подраковинного рекуператора в условиях кратковременного водоразбора требует отдельного рассмотрения. Прямой перенос результатов, полученных для более длительных режимов эксплуатации, в данном случае представляется недостаточно обоснованным. Необходима разработка расчётного подхода, позволяющего учитывать особенности нестационарной работы компактного теплообменного устройства и определять условия, при которых его применение является технически и энергетически оправданным.

Целью настоящей работы является оценка тепловой эффективности подраковинного рекуператора сточных вод при кратковременном водоразборе и выявление факторов, в наибольшей степени влияющих на полезную утилизацию теплоты.

Для решения поставленной задачи было проведено математическое моделирование с последующей верификацией модели путём проведение физического моделирования.

Тепловая эффективность рекуператора может быть выражена как отношение количества теплоты на ГВС в режиме рекуперации к количеству теплоты на ГВС без рекуператора в тех же условиях. Математическое моделирование процесса теплообмена при рекуперации сводится к ряду классических балансовых уравнений:

где Q — количество теплоты, переходящее от сточных вод к холодной воде, Вт; Kl — линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м·K); l — длина теплообменной поверхности, м; ∆t — температурный напор, °C; Gхв, Gгв и Gсм — расход холодной, горячей воды и их смеси соответственно, кг/с; cр — средняя массовая теплоёмкость воды при постоянном давлении, Дж/(кг·°C); tхв, tгв, tсм, tрек и tух — температуры холодной, горячей воды, смеси, температура воды на выходе из рекуперативного теплообменника и температура уходящей в стоки воды, соответственно, °C [4].

На схеме расположение данных величин выглядит так, как указано на рис. 1.


Рис.1. Схема подключения рекуператора

При решении системы балансовых уравнений (1) относительно температуры подогретой воды на выходе из рекуператора tрек возникает необходимость определения коэффициента теплоотдачи от стоков к трубке при помощи формулы А. А. Жукаускаса с поправкой на наличие искусственной турбулизации потока. Данная поправка не может быть определена аналитически и требует уточнения на физической модели. Физическая модель для эксперимента по определению поправочного коэффициента к формуле А. А. Жукаускаса представлена на рис. 2.


Рис. 2. Физическая модель для эксперимента по определению поправочного коэффициента к формуле А.А. Жукаускаса [1 — гибкая гофрированная труба ∅50 мм; 2 — датчик температуры (термопара) ТХА (тип К) ∅6 мм; 3 — канализационная труба ∅50 мм, L = 450 мм; 4 — резиновый рукав (шланг) для газа Ду = 9 мм, L = 160 / 160 / 80 см; 5 — подводка для воды с латунной гайкой; 6 — кран ВН «бабочка» Ду = 15 мм; 7 — латунный ниппель Ду = 15 мм; 8 — штуцер Ду = 15 мм; 9 — металлический хомут; 10 — канализационная заглушка ∅110 мм; 11 — медная труба ∅¼ʺ, L = 420 см; 12 — канализационный тройник ∅110×50/90 мм; 13 — канализационная муфта ∅110 мм]

Результаты проведённого моделирования на физической модели приведены в графическом виде на рис. 3. В процессе обработки полученных данных проводится определение требуемого поправочного коэффициента.


Рис. 3. Результаты физического моделирования

Мгновенное значение тепловой эффективности в данном случае будет определяться по следующей зависимости:

где ηрек — коэффициент тепловой эффективности, %.

Таким образом, эффективность зависит от температур и расходов теплоносителей. Сопоставление условий по качественным характеристикам ГВС с рекуператором и без него обязывает проводить изменение расходов теплоносителей. Это, в свою очередь, вносит корректировки в систему балансов (1). От начального момента времени до полной стабилизации процесса может проходить различное количество времени, которое зависит от нескольких факторов: температура окружающей среды, тепловая инерция материалов теплообменника, характеристики корпуса теплообменника и величина потерь теплоты в процессе. На практике дополнительно возникает корректировка по температуре горячей и холодной воды из-за необходимости пропуска застоявшейся воды в системе водоснабжения.

Главная же особенность рекуператоров, располагаемых под раковинами, заключается в режиме их работы. То есть при кратковременном использовании не всегда можно выйти в стационарный или квазистационарный режим. Раковины в офисных помещениях чаще всего используются разово не более трёх минут, в то время как мойки в учреждениях общепита могут эксплуатироваться достаточно длительное время.

Проведённые опытные испытания на базе раковины в помещении вуза показывают, что эффективность рекуператора конкретной конструкции [5] составляет примерно 19%, что подтверждает принципиальную работоспособность рассматриваемого технического решения. Данный показатель можно рассматривать как базовый для возможной модернизации конструкции по двум направлениям: во-первых, сокращение потерь, во-вторых, оптимизация конструкции под конкретный режим водоразбора.

В работе выполнена оценка тепловой эффективности подраковинного рекуператора сточных вод, предназначенного для работы в условиях кратковременного водоразбора, характерного для эксплуатации раковин и умывальников. В отличие от ранее рассмотренных режимов более продолжительного водоразбора, показано, что для подраковинных устройств определяющим фактором является не только площадь теплообменной поверхности, но и нестационарный характер процесса, обусловленный малой длительностью отдельных циклов использования.

Новым результатом работы является предложенный подход к оценке тепловой эффективности подраковинного рекуператора, основанный на системе балансовых уравнений и учитывающий особенности реального режима эксплуатации устройства. Установлено, что при расчёте подобных рекуператоров необходимо учитывать не только температурный напор и расходы теплоносителей, но и влияние переходных режимов, тепловой инерции конструкции, тепловых потерь в окружающую среду, а также особенности теплоотдачи со стороны сточных вод. Тем самым показано, что использование стационарных представлений для оценки эффективности подраковинных рекуператоров при кратковременном водоразборе является недостаточным.

Дополнительным результатом работы является экспериментальное уточнение расчётной модели на физической установке. Получены опытные данные, позволяющие корректировать расчёт теплоотдачи со стороны сточных вод и использовать модель для дальнейшего анализа и совершенствования конструкции.

Теоретическое значение полученных результатов заключается в развитии подхода к расчёту компактных локальных устройств рекуперации теплоты сточных вод, работающих в нестационарных режимах. Практическое значение состоит в возможности использования полученных зависимостей и экспериментальных данных при дальнейшей оптимизации конструкции подраковинного рекуператора, снижении тепловых потерь и адаптации параметров аппарата к конкретным условиям эксплуатации. Полученные результаты могут служить основой для разработки инженерной методики расчёта и проектирования компактных систем утилизации теплоты сточных вод для зданий различного назначения.