Утилізація теплоти у вентиляційних системах: огляд сучасних технологій, енергоефективність та протидія обмерзанню
DOI:
https://doi.org/10.32347/2409-2606.2025.54.52-75Ключові слова:
вентиляційні системи, теплоутилізація, рекуперація, пластинчасті теплообмінники, енергоефективність, холодний клімат, обмерзання, керуванняАнотація
Дана стаття присвячена систематизованому огляду сучасних технологій утилізації теплоти у вентиляційних системах з урахуванням їхньої енергоефективності та надійності роботи за низької температури зовнішнього повітря. Огляд охоплює узагальнену класифікацію та конструктивні особливості теплоутилізаторів, методи підвищення теплотехнічних характеристик і зниження аеродинамічного опору, а також моделювання тепло- та масообмінних процесів для прогнозування температурних полів, розподілу відносної вологості та втрат тиску. Методологічна основа дослідження базувалася на аналізі міжнародних і вітчизняних публікацій останніх років, що охоплюють як експериментальні роботи, так і чисельні моделі, а також оцінювання ефективності систем на основі показників життєвого циклу (LCA) та вартісного аналізу (LCC), що забезпечує врахування енергетичних, екологічних і економічних аспектів експлуатації. Окрему увагу приділено проблемі обмерзання теплообмінних поверхонь у холодному кліматі, особливо пластинчастих рекуператорів, які є найбільш уразливими до фазових переходів вологи з подальшим утворенням інею. Проаналізовано фізичні механізми цього процесу та його наслідки для роботи систем, зокрема зі зростанням аеродинамічного опору та втратою ефективності. Також проведено аналіз наявних автоматизованих інженерних методів протидії обмерзанню, що охоплюють пасивні та активні інженерні рішення (байпасні канали, попередній підігрів, спеціалізовані покриття), а також високотехнологічні підходи на основі термоелектричних модулів (TEM), багатоканальної сенсорики та предикативного керування (MPC). Отримані результати дослідження підтверджують, що ефективність систем утилізації теплоти визначається поєднанням конструктивних удосконалень, інноваційних матеріалів і цифрових технологій управління. Запропоновані в роботі підходи можуть бути корисними для проєктувальників, виробників кліматичного обладнання та дослідників, зацікавлених у створенні енергоефективних і надійних систем опалення, вентиляції та кондиціювання повітря. Визначено перспективні напрями подальших досліджень, спрямованих на вдосконалення пластинчастих теплообмінників і створення інтелектуальних систем керування кліматичним обладнанням, адаптованих до умов холодного клімату.
Посилання
Tracking Clean Energy Progress 2023 – Analysis - IEA, www.iea.org/reports/tracking-clean-energy-progress-2023. Accessed 17 June 2025.
“Energy Performance of Buildings Directive.” Energy. https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/energy-efficient-buildings/energy-performance-buildings-directive_en. Accessed 17 June 2025.
Directive 2010/31/eu of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (recast), The European Parliament and the Council of the European Union. http://data.europa.eu/eli/dir/2010/31/2021-01-01. Accessed 19 June 2025.
Bai, H.Y., et al. “A Review of Heat Recovery Technologies and Their Frost Control for Residential Building Ventilation in Cold Climate Regions.” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 162, July 2022, p. 112417. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112417.
Kragh J., Rose J., Svendsen S. Mechanical ventilation with heat recovery in cold climates. Proceedings of the Seventh Nordic Symposium on Building Physics in Nordic Countries. January 2005. 1. ed. Vol. Bind 2. Reykjavik: Oddi hf. 2005.
Zender–Świercz, Ewa. “A Review of Heat Recovery in Ventilation.” Energies, vol. 14, no. 6, 22 Mar. 2021, p. 1759. https://doi.org/10.3390/en14061759
O’Connor, Dominic, et al. “A Review of Heat Recovery Technology for Passive Ventilation Applications.” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 54, Feb. 2016, pp. 1481–1493. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.10.039
Elmacioğlu, Helin Ülgen, et al. “Analysis and Design of an Air to Air Heat Exchanger Used in Energy Recovery Systems.” Journal of Energy Systems, vol. 6, no. 1, 31 Mar. 2022, pp. 108–130. https://doi.org/10.30521/jes.962672
Kim, Won Seok. “Design Optimization of Cross-Counter Flow Compact Heat Exchanger for Energy Recovery Ventilator.” International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, vol. 30, no. 1, 21 Dec. 2022. https://doi.org/10.1007/s44189-022-00016-2
Wang, Ya-Nan, et al. “A Study on 3D Numerical Model for Plate Heat Exchanger.” Procedia Engineering, vol. 174, 2017, pp. 188–194. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.01.203
Kocabas, Ceyda, and Ahmet Fevzi Savas. “Comparison of Waste Heat Recovery Performances of Plate-Fin Heat Exchangers Produced from Different Materials.” Contemporary Engineering Sciences, vol. 8, 2015, pp. 453–466. http://dx.doi.org/10.12988/ces.2015.53109
Li, Jiandong, et al. “Effect of Airflow Rate on Frost Formation and Performance of Membrane Energy Exchangers in Sub-Zero Conditions.” Applied Thermal Engineering, vol. 236, Jan. 2024, p. 121639. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121639
Erlandsson, Martin, and Mathias Borg. “Generic LCA-Methodology Applicable for Buildings, Constructions and Operation Services–Today Practice and Development Needs.” Building and Environment, vol. 38, no. 7, July 2003, pp. 919–938. https://doi.org/10.1016/S0360-1323(03)00031-3
Nyman, Mikko, and Carey J. Simonson. “Life Cycle Assessment of Residential Ventilation Units in a Cold Climate.” Building and Environment, vol. 40, no. 1, Jan. 2005, pp. 15–27. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2004.04.011
Rabani, Mehrdad, et al. “Hybrid Ventilation Systems for Reduced Lifetime Emissions in Cold Climates.” E3S Web of Conferences, vol. 562, 2024, p. 02002. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202456202002
Hu, Xinyi, et al. “Economic and Environmental Impacts of Different Ventilation Systems in Detached Rural Houses in Severe Cold Climate.” Journal of Building Engineering, vol. 99, Apr. 2025, p. 111689. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.111689
Byun, Sungjoon, et al. “Frost Formation from General-Low to Ultra-Low Temperatures: A Review.” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 195, Oct. 2022, p. 123164. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123164
Agopian N. “ERV & HRV Frost Thresholds and Control Methods.” RenewAire Energy Recovery Ventilation. 25 February, 2022. https://renewaire.com/wp-content/uploads/2025/07/MAR-LIT-165-RGB-WhitePaper-FrostControl-web.pdf. Accessed 25 June 2025.
Pomianowski, Michal Zbigniew, et al. “Experimental Investigation of Frost Formation on Air to Air Counter Flow Heat Exchanger in Air Handling Unit and Climatic Influence on Dry, Wet, Frost Operation Condition.” 40th AIVC, 8th TightVent & 6th venticool Conference Proceedings: From Energy crisis to sustainable indoor climate – 40 years of AIVC. AIVC, 15-16 October 2019. https://www.aivc.org/resource/experimental-investigation-frost-formation-air-air-counter-flow-heat-exchanger-air-handling. Accessed 25 June 2025.
Ouazia, Boualem, et al. Frost Resilient Energy Recovery Ventilation System for Dwellings in Canada’s North and Arctic: A Comparative Study between a Regenerative Dual Core and Conventional Single Core Systems, SSRN Scholarly Paper 5025791. Rochester, NY: Social Science Research Network, 19 Nov 2024. http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.5025791
Jedlikowski, Andrzej, and Sergey Anisimov. “Analysis of the Frost Formation and Freeze Protection with Bypass for Cross-Flow Recuperators.” Applied Thermal Engineering, vol. 116, Apr. 2017, pp. 731–765, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.01.105
He, Hua, and Zhiguang Guo. “Superhydrophobic Materials Used for Anti-Icing Theory, Application, and Development.” iScience, vol. 24, no. 11, Nov. 2021, p. 103357, https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.103357
He, Hui, et al. “Enhancing Heat-Exchanger Performance in Frost Conditions via Superhydrophobic Surface Modification.” Applied Thermal Engineering, vol. 246, June 2024, p. 122914. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.122914
Losada, Ricardo, et al. “Coatings to Prevent Frost.” Journal of Coatings Technology and Research, vol. 13, no. 4, 27 Apr. 2016, pp. 645–653. https://doi.org/10.1007/s11998-016-9809-1
Ridings, Erik, et al. “Performance Assessment of a Thermoelectric Heat Pump Heat Recovery Ventilator.” E3S Web of Conferences, vol. 521, 2024, p. 01006. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202452101006
Yilmazoglu, M. Zeki. “Experimental and Numerical Investigation of a Prototype Thermoelectric Heating and Cooling Unit.” Energy and Buildings, vol. 113, Feb. 2016, pp. 51–60. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.12.046
Diaz de Garayo, S., et al. “Prototype of an Air to Air Thermoelectric Heat Pump Integrated with a Double Flux Mechanical Ventilation System for Passive Houses.” Applied Thermal Engineering, vol. 190, May 2021, p. 116801. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.116801
Diaz de Garayo, S., A. Martínez, and D. Astrain. “Optimal Combination of an Air-to-Air Thermoelectric Heat Pump with a Heat Recovery System to HVAC a Passive House Dwelling.” Applied Energy, vol. 309, Mar. 2022, p. 118443. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.118443
Kemjariya, Sucha, et al. “Designing MPC Controller for a Heat Exchanger Equipped with Thermoelectric Generators.” Journal of Physics: Conference Series, vol. 2261, no. 1, June 2022, p. 012007. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2261/1/012007
Galčíková, Lenka, and Juraj Oravec. “Self-Tunable Approximated Explicit MPC: Heat Exchanger Implementation and Analysis.” Journal of Process Control, vol. 140, Aug. 2024, p. 103260. https://doi.org/doi:10.1016/j.jprocont.2024.103260.
Mostafavi, Saman, et al. “Nonlinear Moving Horizon Estimation and Model Predictive Control for Buildings with Unknown HVAC Dynamics.” IFAC-PapersOnLine, vol. 55, no. 41, 2022, pp. 71–76. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2023.01.105
Andersen, Andreas Hyrup, and Muhyiddine Jradi. “Multi-Objective Optimization of Building Ventilation Systems Using Model Predictive Control: Integrating Air Quality, Energy Cost, and Environmental Impact.” Applied Sciences, vol. 15, no. 1, 6 Jan. 2025, p. 451. https://doi.org/10.3390/app15010451
Alekseik, Yevhenii, and Olha Alekseik. “Designs of Heat Exchanger Devices on Two-Phase Heat Transfer Elements for Air Heat Disposal in Ventilation Systems: Overview.” KPI Science News, no. 1–2, 25 Sept. 2022, pp. 11–25. https://doi.org/10.20535/kpisn.2022.1-2.264595
Didyk, L. V., and M. V. Stepanov. “ Metodyka rozrakhunku teploobminnyka z elastychnoiu poverkhneiu teploperedachi dlia utylizatsii tepla vytiazhnoho povitria ” Ventyliatsiia, osvitlennia ta teplohazopostachannia: nauk.-tekhn. zb., no. 16, Kyiv National University of Construction and Architecture, 2012, pp. 94–100. https://repositary.knuba.edu.ua/handle/987654321/10768. (in Ukrainian).
Stepanov, M. V., and V. V. Koval. “Rekuperatyvni teploobminnyky z polietilenovoiu teploperedaiuchoiu poverkhneiu.” Ventyliatsiia, osvitlennia ta teplohazopostachannia: nauk.-tekhn. zb., no. 8, Kyiv National University of Construction and Architecture, 2005, pp. 81–84. https://repositary.knuba.edu.ua/handle/987654321/8969. (in Ukrainian).
Kordiukov, M. I., V. I. Deshko, and I. O. Sukhodub. “Osoblyvosti protsesiv teplo masoobminu rekuperatyvnoho membrannoho teploobminnyka «povitria-povitria» v litnii period.” Refrigeration Engineering and Technology, vol. 50, no. 1, Odesa National Technological University, 2014, pp. 24–31. https://doi.org/10.15673/0453-8307.1/2014.32643. (in Ukrainian).
Pavlenko, V., and Volianyk. “Investigation of Recuperator Efficiency Using in Residential Premises.” Bulletin of the Kyiv National University of Technologies and Design. Technical Science Series, vol. 136, no. 4, 18 Nov. 2019, pp. 77–85, https://doi.org/10.30857/1813-6796.2019.4.8.
Pavlenko, V., and Volianyk. “Investigation of Recuperator Efficiency Using in Residential Premises.” Bulletin of the Kyiv National University of Technologies and Design. Technical Science Series, vol. 136, no. 4, 18 Nov. 2019, pp. 77–85, https://doi.org/10.30857/1813-6796.2019.4.8.
Savin, V.V., and P.S. Kirichenko. “Recuperators as a Way to Improve the Efficiency of Systems Mechanical Ventilation Systems in Terms of Energy Saving in Buildings.” Jornal of Kryvyi Rih National University, no. 56, 2023, pp. 104–109. https://doi.org/10.31721/2306-5451-2023-1-56-104-109
Voloshchuk, Volodymyr, and Mariya Polishchuk. “Exergy-Based Control Strategy in a Dwelling Ventilation System with Heat Recovery.” Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska, vol. 10, no. 2, 30 June 2020, pp. 44–47. https://doi.org/10.35784/iapgos.933
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Андрій Подлєсний, Анатолій Петренко
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
