Energy-saving modes for supply air preparation in comfort air conditioning systems

Abstract

In comfort air conditioning systems during preparation of the inlet outside air its humidification is necessary. The company “Venta” has developed and produces a compact apparatus for adiabatic humidification; its use in systems of ventilation and air conditioning leads to reduction of operational and capital expenditures.

Full Text

В помещениях жилых и административно-общественных зданий необходимо обеспечивать температуру, влажность, газовый состав и чистоту воздуха на уровне теплового комфорта [2]. Эти требования выполняют системы комфортного кондиционирования [1].

Для обеспечения комфортного газового состава и чистоты внутреннего воздуха в помещения подается наружный воздух, а загазованный и загрязненный воздух удаляется вытяжными системами.
По [2] норма приточного наружного воздуха составляет 3 м3/ч на 1 м2 жилого помещения, в административных зданиях санитарная норма приточного наружного воздуха составляет 60 м3/(чел • ч).
Наиболее благоприятные санитарно-гигиенические качества воздуха в обитаемой зоне помещений обеспечиваются при подаче приточного наружного воздуха в зону нахождения людей [1, 4]. Вытяжка загазованного и отепленного воздуха осуществляется под потолком помещений. Такой принцип организации воздухообмена в обслуживаемых СКВ помещениях называется вытесняющей вентиляцией. Он позволяет сократить расход энергии на 10 %. Температуру (°C) удаляемого под потолком воздуха в схеме вытесняющей вентиляции вычисляют по формуле

t_y = K_L ( t_в-t_п)+t_п

где t в- температура внутреннего воздуха; tп - температура приточного воздуха; KL- показатель, зависящий от условий поступления тепловыделений в помещения (в работе [1] представлен в виде графической зависимости). Для административных помещений KL = 2,3 [1, 4].
Нормируемые комфортные параметры воздуха для труда и отдыха людей можно выделить в виде сектора на I-d -диаграмме влажного воздуха (рис. 1). В теплый период года комфортная температура t в может колебаться в пределах 23...25 °C, относительная влажность φ в= 30-60 %. В холодный и переходный периоды года tвх = 20.. .22 °C при φвх = 30-45 % ([2] - приложение 5 на с. 40).
Пунктирной линией H -H_x на рис. 1 показаны усредненные значения круглогодичного изменения параметров наружного воздуха (по параметрам Б для климата Москвы [2]).
В теплый период года согласно данным приложения 8 [2] средняя суточная амплитуда температуры наружного воздуха в климате Москвы составляет Δ t _н.сут = 10,4 °C.
Температура приточного наружного воздуха в ночные часы будет t_{пн ноч} = t_п - Δt_{н сут} = 28,5 - 10,4 = 18,1 °C.
В ночные часы приточный наружный воздух в теплый период года является наиболее дешевым и энергетически целесообразным естественным источником холода. Проведем анализ особенностей формирования теплового режима в климате Москвы в административном помещении площадью 20 м² с окном в наружной стене, ориентированной на юг. В помещении с 9 ч утра до 19 ч вечера находятся три человека, работающие на компьютере. Явные тепловыделения от людей и компьютеров в рабочие часы постоянны и равны Q_л+ком = 520 Вт. По санитарным нормам [2] в это помещение должно поступать t_пн= 60 • 3 = 180 м³/ч приточного наружного воздуха. Охлажденный приточный воздух подается в обитаемую зону от местного вентиляторного или эжекционного доводчика [1] с температурой не ниже t_п = 19 °C. Вытяжка отепленного и загазованного воздуха осуществляется под потолком и температура вытяжного воздуха по формуле (1) при t_п = 21 °C составит t_у = 2,3 •(25-21)+ 21 =30,2 °C.
Для поглощения постоянных явных тепловыделений температура приточного наружного воздуха должна быть

t_пн= t_у-$\frac{Q_{л+ком} ·3,6}{l_{пн}{\rho }_{пн}{c}_{р}}=30,2-\frac{520·3,6}{180·1,2·1}=21,5°С$
где ρ_пн -плотность приточного наружного воздуха кг/м³;

с_р - теплоемкость воздуха, Дж/(кг • К).

Влаговыделения в помещении (от людей) равны

W_вл= 3 • 115 = 345 г/ч. Влагосодержание удаляемого воздуха будет

d _у=d _пн+ $\frac{W_{вл}}{l_{пн}{\rho }_{пн}}$=10+$\frac{345}{180·1,2}=11,6г/кг$

Рис. 1. Построение на I—d-диаграмме круглогодовых режимов работы системы комфортного кондиционирования:Н—НХ — усредненные значения круглогодовых изменений параметров наружного воздуха в климате Москвы.Теплый период года:Н—Нноч — суточные изменения параметров наружного воздуха; Н—ОХ — охлаждение санитарной нормы приточного наружного воздуха в воздухоохладителе центрального приточного агрегата; ОХ —ПН — нагрев в вентиляторе и приточных воздуховодах; ПН—В—У — поглощение охлажденным приточным наружным воздухом тепло- и влаговыделений в помещении;В—ОХ.М — охлаждение внутреннего воздуха в теплообменнике местного эжекционного доводчика (ДЭ); ОХ.М—В — поглощение теплоизбытков охлажденным в ДЭ внутренним воздухом; ОХ.М—ПН—П — смешение в ДЭ приточного наружного и охлажденного внутреннего воздуха.Холодный период года:ПХ—Н.УУ — нагрев приточного наружного воздуха теплотой вытяжного воздуха в установке утилизации; П.УУ—ПН.К— нагрев в калорифере первого подогрева; ПП.К—ПН.Х — адиабатное увлажнение; ПП.Х—ПХ—В.Х — смешение в доводчике эжекционном; ПН.Х—У1 — поглощение тепло- и влаговыделений в обслуживаемом помещении

Энергетически целесообразно охлаждать приточный наружный воздух при постоянном влагосодержании d _пн ⁼ d _н⁼ 10 г/кг (см.рис.1) В месте пересечения изотермы t_у = 30,2 °C и d_y = 11,6 г/кг находим на I-d-диаграмме точку У. Соединяем прямой линией точки У и ПН. Из построения на рис. 1 видим, что эта прямая проходит через сектор комфортных параметров внутреннего воздуха в теплый период года и параметры точки В равны: t_в = 25 °C; φ_в = 54 %.

Вторым значительным источником поступления явного тепла в помещение является проникающая через окно теплота солнечной радиации. С 9 ч утра до 19 ч вечера через окно в помещение поступает теплота солнечной радиации, которая достигает максимума в полуденные часы и обусловливает нагрев строительных конструкций, мебели, служебного оборудования. По условиям теплового комфорта для человека температуру на окружающих поверхностях необходимо поддерживать не выше 26 °C.

На графике рис. 2 показаны суточные изменения теплового режима в административном помещении в теплый период года в климате Москвы.

Центральный приточный агрегат работает круглосуточно. С 19 ч вечера до 8 ч утра (ℑ_ноч.х = 13 ч) в помещение подается приточный наружный воздух с температурой ниже t_пн = 21,5 °C без потребления искусственного холода. За это время холодом наружного воздуха отводится от ограждающих внутренних строительных конструкций, мебели, служебного оборудования накопившееся за дневные часы тепло в количестве:

Q _х.ноч = ℑ_ноч.х l_пн ρ_пн C_р ( t_у-t_пн)/3,6=13•180•1,2•1х(27-20)/3,6=5,46 кВт•ч

Рис. 2. Суточные изменения теплового режима в административном помещении с окном на юг в климате Москвы в теплый период года:1в — температура воздуха в рабочей зоне; 1н — температура наружного воздуха; toxnH — температура охлажденного приточного наружного воздуха; Ql+lC0M — постоянные поступления явного тепла от людей и работы служебного оборудования; Q — теплота проникающей в помещение солнечной радиации; Qm изб — суммарные теплоизбытки в помещении

Ночной холод Q _х.ноч обеспечит снижение температуры поверхностей внутренних строительных конструкций, мебели, служебного оборудования с 26 до 23 °C.

Ночное охлаждение помещений позволяет уменьшить установочную мощность холодильных машин и потребление электроэнергии на выработку холода в системе кондиционирования.

Подача холодной воды с температурой 12 °C в теплообменник местного доводчика для охлаждения внутреннего воздуха регулируется датчиками контроля верхнего комфортного уровня температуры в рабочей зоне t_в = 25 °C, размещенными в каждом помещении.

В переходный период года при t_н от 20 °C и ниже не требуется расхода холода в центральном приточном агрегате. При t_н $\approx$10 °C температура воздуха в рабочей зоне помещения поддерживается на нижнем уровне теплового комфорта (см. нижний заштрихованный сектор на рис. 1).

В холодный период года в климате Москвы при t_нх = -26 °C [2] для энергосбережения необходимо применять установку утилизации теплоты выбросного вытяжного воздуха для нагрева приточного наружного воздуха. Температура нагрева (°C) наружного воздуха в теплоотдающем теплообменнике установки утилизации вычисляется по формуле

t_{н уу} = θ_уу(t_у1 - t_нх ) + t_нх   (2)

Показатель теплотехнической эффективности оригинальных отечественных установок утилизации с насосной циркуляцией антифриза достигает θ_уу = 0,5. Температуру удаляемого вытяжного воздуха принимаем t_у1 = 24 °C. Тогда по формуле (2) получим

t_{н уу} = 0,5(24+26) - 26 = -1 °C.

В холодный период года влаговыделения от людей в помещении составляют

W_вл.х = 3•75 = 225 г/ч.

Способность приточного наружного воздуха к поглощению влаговыделений будет

Δd_ас.х=$\frac{W_{вл}}{l_{пн}{\rho }_{пн}}=\frac{225}{180·1,23}=1г/кг$

При выполнении современных требований по теплозащите зданий [3] приведенное термическое сопротивление наружных ограждающих конструкций жилых и административно-общественных зданий будет не менее R_o = 2 м² • K/Вт. В рассматриваемом помещении административного здания поверхность наружных ограждений F_и = 10 м². Теплопотери при разности температур (t_в - t_нх) через наружные ограждения в расчетном режиме в холодный период составляют

Q _{т.пот.тр} =$\frac{F_{{н}_{{}_{}}}\left(t_{в}-t_{их}\right)}{R_0}=\frac{10(20+26)}{2}=230Вт$

Постоянные тепловыделения от работающих людей и служебного оборудования в холодный период года в рассматриваемом помещении равны 610 Вт. В холодные солнечные дни через окно в помещение может поступать в час до 460 Вт теплоты проникающей солнечной радиации. Поэтому энергетически целесообразно теплоизбытки из помещения удалять приточным наружным воздухом, температура которого лимитируется условиями комфортного поступления приточного воздуха в рабочую зону (не ниже t_пх < 17 °C [2]). Для вытесняющей вентиляции [1, 4] рабочий перепад температур в холодный период года ограничивается t_вх - t_пх = 3 °C. Отечественная промышленность производит оригинальные эжекционные доводчики типа ДЭ-1-6-180 [1], которые устанавливают под окном. От центрального приточного агрегата к ДЭ подводится санитарная норма приготовленного наружного воздуха t_пн = 180 м³/ч. В теплообменник ДЭ по трубопроводу подается горячая вода с температурой не выше 45.. .50 °C. На трубопроводе предусмотрен терморегулятор, который в холодный период года настроен на поддержание t_вх = 20 °C. В рабочие часы служебные помещения здания нужно охлаждать. Терморегулятор перекрывает поступление горячей воды в теплообменник ДЭ. Тогда в камере смешения ДЭ при температуре эжектируемого внутреннего воздуха t_вх = 20 °C температура смеси приточного воздуха должна быть не ниже t_пх = 17 °C.

Вычисляем допустимую температуру подогретого и увлажненного приточного наружного воздуха t_пн.х при коэффициенте эжекции в отечественной конструкции ДЭ, равном К_з = 2,8 [2]:

t =t_пх(1+К_э)-К_э t_вх= 17(1+2,8)-2,8-20 = 8,6 °C.

На рис. 1 от линии d_вх = 4,5 г/кг откладываем 0,5 г/кг и находим влагосодержание приточного наружной воздуха d_{пн х} = 4 г/кг. В месте пересечения с изотермой  t_пнх = 8,6 °C определяем точку ПН.Х с энтальпией и температурой по мокрому термометру t _пнмх ⁼ 5 °C. В калорифере приточного агрегата наружный воздух в расчетном режиме холодного периода года должен быть нагрет до t_пн.к = 18 °C, что позволяет получить требуемую энтальпию l_пнк = l_пнх = 18,4 кДж/кг.

Требуемые температура и влажность приточного во духа в точке ПН.Х достигаются в режиме адиабатного увлажнения в блоке с орошаемым слоем оригинальна отечественной конструкции, разработанном и производимом фирмой “Вента”, с различными показателя эффективности режима адиабатного увлажнения Е_а, вычисляемыми по формуле

Е_а =$\frac{t_{пн.к {-}_{}}{t}_{пн.х}}{t_{пнк {-}_{}}{t}_{пн.м.х}}$

Для расчетного режима (в левой части рис. 1

Рис. 3. Схема приточного агрегата из блоков кондиционеров СТА фирмы “Вента1 — воздушные клапаны, сблокированные с магнитным пускателем МП вентиляторного блока; 2 — воздушный фильтр; 3 — теплоотдающий теплообменник установки утилизации; 4 — соединительные трубопроводы к тепло извлекающему теплообменнику в вытяжном агрегате; 5 — калорифер;6— трубопроводы циркуляции горячей воды через калорифер; 7— автоматический клапан, управляемый от датчика контроля минимального значения температуры приточного наружного воздуха по мокрому термометру tnHMx; 8 — блок адиабатного увлажнения с орошаемым слоем; 9 — насос циркуляции воды; 10 — датчик контроля 1пнмх, связанный проводами с автоматическим клапаном 7 и насосом 9; 11 — воздухоохладитель; 12 — трубопроводы циркуляции холодной воды; 13 — автоматический клапан, связанный с датчиком 14 контроля t ; 15 — приточный вентилятор; 16 — приточный воздуховод к местным ДЭ в помещениях

Е_а =$\frac{18-8,6}{18-5,0}=0,72$

Фирма “Вента” производит блоки адиабатного увлажнения с Е_а = 0,7; 0,8 и 0,9 для центральных кондиционеров типа СТА.

В холодный период года энергетически целесообразно в ночные и вечерние часы (когда в служебных помещениях нет людей) останавливать приточные и вытяжные агрегаты. Задачи дежурного отопления помещений будут выполнять теплообменники ДЭ, нагревающие внутренний воздух в режимах естественной конвекции [1]. На рис. 1 режим дежурного отопления изображен линией ВХ- Т.ДЭ (в левой части построения).

На рис. 3 представлена схема приточного агрегата из блоков кондиционеров СТА, производимых фирмой “Вента”. В холодный период года приточный наружный воздух, количество которого l_пн определяется числом ДЭ в обслуживаемых помещениях здания, поступает от вентилятора 15 через открытые створки воздушного клапана 1 в фильтр 2 для очистки. Теплообменник 3 установки утилизации обеспечивает первоначальный нагрев приточного наружного воздуха теплотой вытяжного воздуха, передаваемого в теплоизвлекающем теплообменнике вытяжного агрегата (на схеме рис. 3 не показан) антифризу, циркулирующему по соединительным трубопроводам 4 [1]. Догрев притонного наружного воздуха до энтальпии l_{пн х} осуществляется в калорифере 5, через который по трубопроводам б циркулирует горячая вода. Расход ее через калорифер 5 регулируется автоматическим клапаном 7, управляемым датчиком 10 контроля температуры приточного наружного воздуха по мокрому термометру t_пнх  $\approx$ 5,0 °C. В блоке адиабатного увлажнения 8 от насоса 9 подается вода, орошающая слой из тонкой древесной стружки (осиновой или сосновой), которая быстро принимает температуру t_w $\approx$ t_пнмх, контролируемую датчиком 10 При повышении t_w > t_пн.м.х = 5,0 °C датчик 10 подает команду на остановку двигателя насоса 9, закрытие авто магического клапана 7 и прекращение режима адиабатного увлажнения приточного воздуха.

При температуре наружного воздуха от 8 до 21 °C это до 40 % времени работы приточного агрегата за год энергия на выработку тепла или холода для приточного воздуха не расходуется.

При температурах t_н > 21 °C приточный агрегат раб тает в режиме “лето”. По трубопроводам 12 к воздух охладителю 11 подается холодная вода, расход которой регулируется клапаном 13 по команде датчика 14.

В обслуживаемых помещениях под окнами установлены эжекционные доводчики (ДЭ), к которым по проводам от приточного воздуховода 16 подводится caнитарная норма приточного наружного воздуха l_пн . Теплообменники ДЭ соединены трубопроводами с центральными источниками тепло- и холодоснабжения. Тепловая производительность теплообменников ДЭ зимой и холодопроизводительность летом регулируются условиям поддержания комфортной температуры духа в рабочей зоне помещения. Зимой настройка терморегулятора производится на минимально комфортную температуру t_вх = 20 °C, а летом - на максимальную t_B = 25 °C.

Фирма “Вента” проектирует системы кондиционирования по энергосберегающей технологии кругового функционирования для различных типов производит оригинальное отечественное оборудование монтирует и налаживает его; проводит обучение персонала методам правильной эксплуатации и обеспечивания систем кондиционирования.