Что такое турбулятор рециркуляции воздуха?

Турбулятор рециркуляции воздуха (в английском языке – air circulation fan, destratification fan или horizontal airflow fan, HAF) – это осевой вентилятор, установленный в цилиндрическом или коническом корпусе и подвешенный к несущим конструкциям помещения. В отличие от приточных или вытяжных вентиляторов, которые обменивают воздух помещения с наружной средой, турбулятор работает в замкнутом контуре: он забирает воздух из одной части помещения и с заданной скоростью выбрасывает его в другом направлении, создавая направленную воздушную струю. Увлекая за собой окружающий воздух (так называемый эффект подсоса струи, или entrainment), одно устройство способно привести в движение массу воздуха, в 10–20 раз превышающую его номинальную производительность.

Название «турбулятор» происходит от того, что устройство делает воздушный поток турбулентным, то есть нарушает спокойное, слоистое (ламинарное) состояние воздуха и заставляет слои с разной температурой и влажностью перемешиваться. На рынке представлены три основные конструкции: турбуляторы горизонтального потока с цилиндрическим кожухом, дестратификаторы вертикального потока, которые направляют тёплый воздух из потолочной зоны вниз, и тихоходные потолочные вентиляторы большого диаметра (3–7 м) (HVLS – high volume, low speed), применяемые в производственных и логистических цехах. В теплицах исторически преобладали вентиляторы горизонтального потока, однако в последнее десятилетие всё шире применяются специально разработанные для теплиц турбуляторы вертикального потока, например Doll Turbulator® DV8000 немецкого производителя Doll Wärmetechnik GmbH, который вихреобразным (радиально-спиральным) движением воздуха направляет тепло из подкровельной зоны вниз к растениям, а не просто перемещает его по горизонтали.

Физическое обоснование: температурная стратификация

Тёплый воздух легче холодного, поэтому за счёт естественной конвекции он поднимается вверх и скапливается под кровлей, а прохладный воздух оседает у пола. Это явление называется температурной стратификацией. В неуправляемом высоком помещении температурный градиент обычно составляет 0,5–1,5 °C на каждый метр высоты, а на складе высотой 10 м разница между полом и потолком может достигать 8–12 °C. Это влечёт за собой сразу несколько негативных эффектов. Во-первых, тепло накапливается там, где оно никому не нужно, и уходит наружу через кровельные конструкции, площадь которых в больших зданиях огромна: теплопотери через ограждающие конструкции пропорциональны разнице температур внутри и снаружи. Во-вторых, чтобы достичь комфортной температуры в рабочей зоне (0–2 м от пола), система отопления вынуждена работать с более высокой мощностью. В-третьих, влага и газы (например, CO₂ в теплицах или испарения на производстве) также распределяются неравномерно.

Турбуляторы решают эту проблему, механически перемешивая слои воздуха. Непрерывного движения воздуха со скоростью 0,2–1 м/с достаточно, чтобы снизить градиент до 1–2 °C по всей высоте. Важно понимать, что турбулятор сам по себе не производит и не отбирает тепло – он лишь перераспределяет то, что уже есть в помещении. Однако именно это перераспределение позволяет системе отопления работать с более низкой заданной температурой и меньшими потерями, что на практике даёт экономию энергии на отопление в размере 10–30 % в зависимости от высоты помещения и качества теплоизоляции кровли.

Влияние движения воздуха на тепло- и массообмен

Второй физический механизм, делающий турбуляторы ценными, – это уменьшение пограничного слоя. Вокруг любой поверхности – листа растения, тела человека, упаковки замороженного продукта или корпуса оборудования – в неподвижном воздухе образуется тонкий слой воздуха, который действует как изолятор и тормозит обмен теплом, водяным паром и газами. Движение воздуха разрушает этот слой: коэффициент теплоотдачи при скорости потока 0,5 м/с примерно вдвое выше, чем в неподвижном воздухе. В теплице это означает более интенсивную транспирацию и усвоение CO₂, на производстве – лучшее охлаждение оборудования и более комфортные ощущения для работников, на складе – более быстрое выравнивание температуры продукции.

Применение в теплицах

В теплицах циркуляция воздуха является одной из основных составляющих управления микроклиматом наряду с отоплением, вентиляцией, затенением и подачей CO₂. Теплицы в этом отношении – особый случай: из-за физиологических потребностей растений покрытие должно быть светопроницаемым, поэтому теплицу нельзя утеплить так, как жилое или промышленное здание, и теплопотери через покрытие значительно выше, чем в других сооружениях. Тёплый воздух, поднимающийся от растений и отопительных труб, образует под кровлей или энергосберегающим экраном так называемую «тёплую воздушную подушку», которая напрямую увеличивает потери, тогда как внизу, у растений, температура остаётся более низкой и неравномерной. Именно поэтому расходы на отопление составляют наибольшую часть общих эксплуатационных затрат теплиц, и именно поэтому рециркуляция воздуха имеет здесь наибольший экономический вес.

Принцип горизонтального воздушного потока (HAF), разработанный в 1950-х годах Сельскохозяйственной экспериментальной станцией штата Коннектикут (США), предусматривает размещение нескольких вентиляторов рядами на расстоянии 40–60 м друг от друга вдоль теплицы, причём в соседнем ряду – в противоположном направлении, что создаёт замкнутое кольцевое движение воздуха по всей площади теплицы. Для поддержания такой «воздушной карусели» требуется немного энергии, поскольку однажды приведённой в движение воздушной массе нужно преодолевать лишь трение. Однако горизонтальный поток решает проблему стратификации лишь частично: он выравнивает температуру на уровне растений, но не возвращает тепло, скопившееся в подкровельной зоне. Турбуляторы вертикального потока, такие как DV8000, разработаны именно для этой задачи: устройство диаметром 830 мм с воздушным потоком до 8000 м³/ч работает в радиусе до 12 м (диаметр рабочей зоны 24 м) и вихреобразным движением направляет тёплый воздух из потолочной зоны вниз, не создавая сквозняков и не пересушивая культуры.

Важная особенность современных турбуляторов – реверсивная функция. DV8000 можно переключать между нисходящим потоком (режим возврата тепла зимой) и восходящим потоком, который летом выводит тёплый воздух через кровельную вентиляцию и дополнительно охлаждает растения, а зимой, обдувая кровлю тёплым воздухом, способствует таянию снега и разгружает конструкцию теплицы от снеговой нагрузки. Скорость и объём воздуха в обоих направлениях плавно регулируются сигналом 0–10 В или PWM от климатического компьютера, что позволяет точно адаптировать устройство к сезону и конкретной микроклиматической ситуации.

Агрономических преимуществ несколько. Равномерная температура по всей площади теплицы обеспечивает одинаковый темп развития растений, что важно как при выращивании овощей (томатов, огурцов, салата), так и при выращивании цветов и рассады, где равномерный урожай и определённая дата сбора имеют решающее экономическое значение. Движение воздуха предотвращает скопление холодного влажного воздуха внутри растительного полога и у пола, где относительная влажность ночью может достигать 95–100 %. В таких условиях на листьях конденсируется роса, которая является главной предпосылкой для развития грибных болезней – серой гнили (Botrytis cinerea), мучнистой росы и пятнистости листьев. Постоянный поток сохраняет поверхность листьев сухой и снижает потребность в фунгицидах.

С точки зрения фотосинтеза движение воздуха обновляет CO₂ непосредственно у устьиц листьев. В неподвижном воздухе вокруг интенсивно фотосинтезирующего полога концентрация CO₂ может опускаться на 100–150 ppm ниже окружающего уровня, что напрямую ограничивает рост. Турбуляторы непрерывно замещают этот обеднённый слой, и это особенно важно в теплицах с подкормкой CO₂, где каждый поданный килограмм газа стоит денег. Умеренное движение воздуха также способствует транспирации и, следовательно, транспорту питательных веществ (кальция, бора) к растущим листьям и плодам, что снижает физиологические нарушения, например вершинную гниль плодов томата.

В зимний отопительный период турбуляторы работают совместно с трубным отоплением, выравнивая температуру между отопительными трубами и верхушками растений, а также предотвращая накопление тепла под покрытием, где оно быстро теряется. Летом они дополняют вентиляцию: при открытых фрамугах горизонтальный поток помогает равномернее распределять поступающий наружный воздух. Работой турбуляторов обычно управляет климатический компьютер, включая их по показаниям датчиков температуры или влажности либо по расписанию. Наблюдаемая на практике экономия на отопление в теплицах составляет 10–20 % при системах горизонтального потока, а для турбуляторов вертикального возврата тепла термографические измерения производителя в теплицах различных типов показывают экономию тепловой энергии до 30 % в зимний период в зависимости от конструкции теплицы, типа системы отопления и режима эксплуатации. Экономия возникает не только за счёт меньших потерь через кровлю, но и за счёт того, что момент включения системы отопления откладывается, поскольку тёплая воздушная подушка используется продуктивно. В случае DV8000 эту работу подтверждают независимое CFD-моделирование потоков и термографические измерения (Ingenieurbüro Merkle & Partner, Хайденхайм), а в 2013 году технология получила Немецкую инновационную премию в области садоводства (Deutscher Innovationspreis Gartenbau).

Применение на складах

Склады – классический пример дестратификации: высокие (8–15 м и более), просторные здания с относительно небольшим числом внутренних источников тепла, в которых рабочая зона находится только у пола. Без рециркуляции воздуха система отопления фактически нагревает верхнюю часть помещения, тогда как люди и товары находятся в самом холодном слое. Дестратификаторы вертикального потока, подвешенные под потолком и направляющие тёплый воздух вниз, или вентиляторы HVLS большого диаметра позволяют снизить температурный градиент до 1–2 °C, а это даёт возможность понизить заданную температуру отопления на несколько градусов без ухудшения комфорта.

Второй существенный аспект – конденсат. Когда тёплый влажный воздух соприкасается с холодными металлическими конструкциями, кровельным покрытием или завезённым снаружи холодным товаром, на них образуется конденсат, который портит картонную упаковку, способствует коррозии и плесени. Движение воздуха выравнивает температуру и влажность и позволяет поверхностям высохнуть. Это особенно важно при хранении продуктов питания, бумаги, древесины, мебели, текстиля и электроники, где требования производителей часто предусматривают определённый диапазон относительной влажности (обычно 40–60 %).

В холодильных складах и камерах охлаждения турбуляторы работают в обратном направлении: они равномерно распределяют холод, создаваемый воздухоохладителями, и устраняют «тёплые карманы» между рядами стеллажей, обеспечивая тем самым равномерную температуру продукции и сокращая время работы компрессоров. В овоще- и фруктохранилищах равномерное движение воздуха около 0,1–0,3 м/с является одним из стандартных условий технологии хранения.

Применение в производственных помещениях

В производственных цехах ситуация сложнее, поскольку в помещении много локальных источников тепла – двигатели, компрессоры, печи, сварочное оборудование, освещение – и рабочие места различной интенсивности. Турбуляторы здесь выполняют несколько функций. Зимой они, как и на складах, выравнивают стратификацию и позволяют использовать тепловые зоны вокруг оборудования для обогрева всего помещения; на многих производствах выделяемое оборудованием тепло при правильном распределении существенно снижает потребность в дополнительном отоплении.

Летом турбуляторы повышают тепловой комфорт работников. Движение воздуха со скоростью 0,5–1,5 м/с создаёт субъективный охлаждающий эффект, соответствующий температуре на 2–4 °C ниже, хотя фактическая температура воздуха не меняется, – это механизм ускоренного испарения и конвекции, лежащий в основе так называемого эффекта ветрового охлаждения. Это часто позволяет отложить или полностью избежать установки дорогостоящих систем кондиционирования в больших цехах, где охлаждение воздуха до комфортной температуры экономически не оправдано.

Турбуляторы также повышают эффективность существующей системы вентиляции: приточный воздух из нескольких точек диффузоров равномернее распределяется по всему помещению, а локальные испарения или пыль разбавляются и отводятся к зонам вытяжки. Следует, однако, учитывать, что в помещениях с опасными испарениями или пылью перемешивание воздуха необходимо согласовывать с системой местной вытяжки, чтобы не распространять загрязнение по всему помещению, а во взрывоопасных зонах необходимо использовать оборудование соответствующей категории ATEX.

Выбор оборудования и проектирование

Проектирование системы турбуляторов начинается с анализа объёма, высоты и планировки помещения. На практике используется несколько ориентировочных величин. Для теплиц рекомендуемая производительность составляет примерно 2–3 м³/ч на каждый квадратный метр площади пола, что обеспечивают типичные вентиляторы HAF диаметром 30–60 см и производительностью 2000–6000 м³/ч, размещённые на расстоянии 40–60 м в ряду и 10–15 м между рядами. Для складов и цехов при дестратификации стремятся к 1–3 полным обменам объёма помещения в час (в режиме рециркуляции, а не с наружным воздухом); один дестратификатор обычно обслуживает 100–300 м² площади пола в зависимости от высоты, а вентилятор HVLS диаметром 6–7 м – до 1500–2000 м².

Мощность устройств невелика: тепличные турбуляторы потребляют 50–250 Вт, дестратификаторы – 100–300 Вт, а вентиляторы HVLS – 500–1500 Вт, перемещая при этом значительно больше воздуха, чем классические вентиляторы при том же энергопотреблении. Существенное значение имеет тип двигателя. Устройства с EC-двигателями (электронно-коммутируемыми) позволяют плавно регулировать скорость и потребляют в разы меньше электроэнергии, чем традиционные потолочные вентиляторы с двигателями переменного тока (AC): DV8000 с высокоэффективным EC-двигателем (технология Doll-EK) при 50 % скорости, что является типичным рабочим режимом, потребляет лишь около 30 Вт (0,13 А) против примерно 400 Вт, потребляемых сопоставимым AC-вентилятором; при 4000 рабочих часов в год это означает около 1480 кВт·ч, или около 300 € экономии на одно устройство (при 0,20 €/кВт·ч). Во влажной, агрессивной среде (теплицы, пищевые производства) важны степень защиты корпуса и двигателя (не ниже IP54, в идеале с дополнительной системой защиты двигателя от влаги), широкий диапазон рабочих температур (DV8000: от –25 до +60 °C) и коррозионностойкие материалы. При проектировании системы турбуляторов вертикального потока для теплиц ориентировочной плановой величиной является примерно 140 м² на одно устройство; ряд производителей предлагает бесплатное индивидуальное планирование размещения.

При размещении устройств необходимо следить за тем, чтобы воздушная струя оставалась свободной от препятствий – светильников, конструкций, затеняющих экранов, стеллажей – и не была направлена непосредственно на людей или чувствительные растения со скоростью выше 1 м/с в течение длительного времени. Управление желательно интегрировать в систему управления зданием или климатический компьютер, используя датчики температуры на разных высотах: разница между потолочным и напольным датчиками – простой и наглядный критерий включения.

Экономический и экологический аспект

Турбуляторы относятся к мерам энергоэффективности с самым коротким сроком окупаемости. Стоимость оборудования невысока, монтаж прост, а экономия на отоплении – 10–30 % – в больших зданиях означает тысячи евро за сезон. Экономический эффект хорошо иллюстрирует пример расчёта для теплицы среднего размера площадью 1 га (10 000 м²). Приняв типичное для отрасли потребление тепловой энергии около 350 кВт·ч/м² в год, общее потребление составляет около 3500 МВт·ч, что при цене тепловой энергии 0,06 €/кВт·ч означает примерно 210 000 € расходов на отопление в год. Для такой площади требуется около 72 турбуляторов типа DV8000 (с рабочей зоной ~140 м² каждый). При экономии тепловой энергии 30 % это даёт до 63 000 € в год, из которых следует вычесть потребление электроэнергии самими турбуляторами: 72 устройства × 30 Вт × 4000 ч ≈ 8640 кВт·ч, или около 1700 € в год. Чистая экономия, таким образом, составляет примерно 61 000 € в год. Срок окупаемости рассчитывается делением общих инвестиционных затрат на годовую чистую экономию, и даже при сравнительно высокой стоимости оборудования и монтажа он обычно укладывается в 1–3 года. Следует подчеркнуть, что эти цифры иллюстративны: для точного расчёта необходимы данные конкретной теплицы – отапливаемая площадь, фактическое потребление тепловой энергии за последние периоды, энергетический тариф, а также индивидуальный план размещения оборудования и коммерческое предложение.

Дополнительные преимущества, которые труднее выразить в деньгах, но которые на практике зачастую ещё важнее, – это более высокий и равномерный урожай в теплицах с меньшим разбросом в росте, более здоровая и визуально привлекательная продукция с меньшими потерями при реализации, меньше повреждённых товаров на складах, меньше болезней и, следовательно, меньший расход средств защиты растений, а также лучшие условия труда. Снижение потребления энергии на отопление напрямую означает и снижение выбросов CO₂, что важно для предприятий, участвующих в программах поддержки энергоэффективности или отчитывающихся о своём воздействии на климат.

Турбуляторы рециркуляции воздуха – не замена отопления или вентиляции, а их дополнение, позволяющее существующим системам работать эффективнее. В основе их работы лежат простые физические принципы – устранение температурной стратификации и уменьшение пограничного слоя, – однако преимущества многогранны: экономия энергии, равномерный микроклимат, более здоровые растения, более безопасное хранение товаров и более комфортные условия труда. Независимо от типа системы отопления турбуляторы являются одной из наиболее экономически эффективных мер энергоэффективности как в новых, так и в существующих зданиях, а современные устройства с EC-двигателями и реверсивной функцией расширяют их применение также на летнее проветривание и снижение снеговой нагрузки. Правильно подобранная и размещённая система – одно из самых рациональных вложений в любое высокое, просторное здание, где качество воздуха и температура влияют на результат производства; первый шаг к этому – индивидуальный план размещения и коммерческое предложение, позволяющие уточнить количество устройств, объём инвестиций и конкретный срок окупаемости.

SIA «TERMOLAT» – один из крупнейших строителей профессиональных теплиц и установщиков технического оборудования в Балтии и официальный поставщик оборудования Doll Turbulator® в Латвии. Мы обеспечиваем полный цикл – от обследования помещения и разработки индивидуального плана размещения оборудования до поставки турбуляторов, их монтажа и интеграции в существующую систему управления климатом. Для каждого объекта мы готовим расчёт, основанный на вашей фактической отапливаемой площади, потреблении тепловой энергии и энергетическом тарифе, чтобы вы ещё до принятия решения знали ожидаемую экономию и срок окупаемости инвестиций.

Свяжитесь с нами, чтобы получить бесплатную консультацию, обследование объекта и коммерческое предложение: info@termolat.lv