Energy-saving air conditioning systems

Full Text

Фирма «Вента» разрабатывает и изготовляет новое оборудование для энергоэффективных и надежных в работе систем вентиляции и кондиционирования.

Так, например, новый роторный пластинчатый тепломассообменник РПТМ отличается тем, что его можно легко очистить от выпадающих из жесткой воды солей, чего нельзя достигнуть в широко используемых орошаемых насадках типа «Мунтерс». Благодаря этому снижается энергопотребление и увеличивается надежность и эффективность работы всей системы, что делает ее более современной и конкурентоспособной.

В публикуемой статье рассмотрено применение РПТМ в центральном кондиционере для осуществления режима адиабатного увлажнения подогретого приточного воздуха.

Современная система кондиционирования воздуха (СКВ) должна отвечать следующим требованиям:

• состоять из надежного и простого для обслуживания оборудования;
• обеспечивать при круглогодовой работе значительное (до 60%) сокращение энергопотребления;
• не причинять вреда окружающей среде.

Новое технологическое оборудование позволяет снизить энергозатраты по сравнению с традиционными центральными СКВ [1].

В качестве примера энергоэффективного решения рассмотрим местную центральную СКВ для предприятия точного машиностроения. В центральном прямоточном кондиционере энергетически рационально приготовлять приточный наружный воздух, расход которого L_пн (м³/ч) отвечает санитарно-гигиеническим нормам [4] и который поглощает расчетные влаговыделения в помещении W_вл (г/ч). Для этого необходимо охлаждать и осушать приточный наружный воздух L_пн.

Энергетически рациональный режим приготовления приточного воздуха в СКВ удобно определять с помощью I-d-диаграммы (рис. 1). Прежде всего на нес наносят расчетные параметры наружного воздуха для теплого (точка H) и холодного (H_х) периодов года и требуемые параметры внутреннего воздуха (точка B).

Рис. 1. Построение на I-d-диаграмме круглогодовых режимов работы местно-центральной СКВ в климате Москвы.

В теплый период года:

Н-ОХ — охлаждение и осушение приточного наружного воздуха;

ОХ-ПН — нагрев в вентиляторе и приточных воздуховодах;

В-В.ОХ — охлаждение внутреннего воздуха в местном вентиляторном агрегате при постоянном влагосодержании;

В.ОХ-П-ПН — смешение в местном вентиляторном агрегате;

П-В — поглощение тепло- и влагоизбытков рабочей зоны цеха приточным воздухом;

В-У — поглощение по высоте помещения тепло- и влагоизбытков удаляемым вытяжным воздухом.

В холодный период года:

Н_х-Н_у — нагрев приточного наружного воздуха в теплоотдающем теплообменнике установки утилизации;

Ну-Кл — нагрев приточного наружного воздуха в калорифере;

Кл-ОХ — адиабатное увлажнение приточного наружного воздуха в блоке адиабатного увлажнения

Расчет СКВ начинают с теплого периода года при параметрах наружного воздуха Б в Москве [4]: t_н=28,5°С, l_н=54 кДж/кг; d_н=10 г/кг.

СКВ обслуживает цех электронно-технического производства, где в рабочей зоне необходимо круглый год поддерживать температуру воздуха / = 20...22 °С при относительной влажности φ_в=45-50% [1]. В цехе работают 20 человек, выполняющих работу средней тяжести. Явные тепловыделения при этом составляют 90 Вт/чел., влаговыделения — 160 г/(чел.ч). Общие влаговыделения в цехе W_вл=20·160=3200 г/ч.

Минимальный расход приточного наружного воздуха по санитарным нормам на одного человека /_пн = 60 м³/ч [4]. Тогда для цеха L_пн=20·60=1200 м³/ч.

Требуемую поглотительную способность (г/кг) приточного наружного воздуха по влаговыделепиям вычисляем по выражению 

$∆d_{ас.пн}=\frac{W_{вл}}{L_{пн}{\rho }_{пн}},$

где ρ_пн — массовая плотность воздуха, кг/м³.

$∆d_{ас.пн}=\frac{3200}{1200·1,2}=2,2 г/кг,$

Подача приготовленного приточного воздуха в рабочую зону и забор на вытяжку отепленного и загазованного воздуха под потолком позволяют улучшить санитарно-гигиенические качества воздуха в рабочей зоне по сравнению с традиционной организацией воздухообмена по схеме сверху — вверх [I]. Температура удаляемого вытяжного воздуха (°С) под потолком определяем по выражению

t_у=K_L(t_в-t_п)+t_п.                                                              (2)

По условиям комфортности принимаем температуру приточного воздуха, поступающего в рабочую зону цеха, t_п=17,5°С. Показатель эффективности организации воздухообмена K_L можно определить по графику на рис. 1.4 на с. 24 [2].

Для производственного помещения при равномерном распределении рабочих мест с выделением тепла по площади можно принять K_L=2,1.

Тогда по формуле (2) получаем t_у=2,1 (22 - 17,5)+17,5=27°С.

Дальнейшее построение на I-d-диаграмме расчетного режима работы местно-центральной СКВ в летний период в цехе электронно-технического производства приведено на правой части рис. 1. Приточный наружный воздух (точка H) охлаждается и осушается в воздухоохладителе центрального кондиционера до параметров точки ОХ: температура t_ох=10,5°С; влагосодержание d_ох=6,6 г/кг; энтальпия I_ох = 27 кДж/кг. В приточном вентиляторе и воздуховодах охлажденный наружный воздух нагревается на 1,5 °С (точка ПН) и с параметрами t_пн=12°С; d_пн=6,6 г/кг; I_пн=28,5 кДж/кг поступает в местные вентиляторные агрегаты, где смешивается с охлажденным внутренним воздухом (точка В.ОХ). Температура охлажденного внутреннего воздуха должна быть такой, чтобы обеспечивать получение температуры смеси, равной температуре приточного воздуха, поступающего в рабочую зону, t_см=t_п=17,5°С (выбранной по условиям теплового комфорта). Ее вычисляют из условия поглощения явных геплоизбытков в цехе.

Общие явные теплоизбытки в цехе составляют 20 кВт. Охлажденный наружный воздух поглощает

Q_{т.изб.пн}=L_пнρ_пнc_р (t_у-t_пн)=1200·1,22·1·(27-12)/3,6=6100 Вт.

В воздухоохладителях местных вентиляторных агрегатов от внутреннего воздуха должен быть отведен остаток явных теплоизбытков:

Q_{т.изб.в.ох.}=Q_т.изб.-Q_{т.изб.пн.}=20000-6100=13900 Вт.

Примем температуру охлажденного при постоянном влагосодержании внутреннего воздуха t_в.ох=18°С.

Вычисляем требуемый расход охлажденного внутреннего воздуха:

$L_{в.ох}=\frac{Q_{в.изб.в.ох}·3,6}{{\rho }_{в.ох}{с}_{р}(t_{в}-t_{в.ох})}=\frac{13900·3,6}{1,2·1·(22-18)}=10437$м³/ч.

Из уравнения смешения наружного и внутреннего охлажденного воздуха вычисляем температуру приточного воздуха, поступающего в рабочую зону из ламинарного воздухораспределителя:

$t_{п}=\frac{L_{пн}{\rho }_{пн}{t}_{пн}+L_{в.ох}{\rho }_{в.ох}{t}_{в.ох}}{(L_{пн}+L_{в.ох}){\rho }_{п}}=\frac{1200·1,24·12+10437·1,19·18}{(1200+10437)1,2}=17,5$°С.

Полученное значение t_п=17,5°С соответствует принятой выше температуре смеси t_см=t_п=17,5°С. Поэтому дальнейших уточнений не производим. Соединяем точки ПН и В.ОХ (см. рис. 1) прямой и в пересечении с изотермой t_п=17,5°С находим влагосодержание приточного воздуха d_n=8 г/кг.

Определяем возможное влагосодержание удаляемого воздуха, принимая K_L=K_Ld=2,1:

d_y=K_Ld (d_в - d_п)+d_п=2,1(8,4-8)+8=8,84 г/кг.

По высоте помещения удаляемый воздух L_y=L_m=1200 м³/ч обладает следующей поглотительной способностью влагоизбытков:

Δd_ас.пн=d_у-d_пн=8,84–6,6=2,24 г/кг, что близко к вычисленному выше по формуле (1) значению Δd_ас.пн=2,2 г/кг.

В теплый период года в воздухоохладителе центрального кондиционера необходимо поддерживать постоянство параметров охлажденного наружного приточного воздуха. Для их контроля принимается температура охлажденного и

осушенного воздуха по мокрому термометру /_охм = 9,5 °С.

В левой части рис. 1 на I-d-диаграмме представлен расчетный режим приготовления приточного наружного воздуха в центральном кондиционере в холодный период года для Москвы [4]. Первоначально наружный воздух с расчетной температурой /_нх = -26 °С нагревается до температуры /_ну = -5 °С теплотой вытяжного воздуха в теплообменнике установки утилизации центрального вытяжного агрегата (процесс Н_x-Н_у). Для получения параметров приточного наружного воздуха в точке ОХ необходимо его догреть в калорифере до значения энтальпии I_ох = 27 кДж/кг при постоянном влагосодержании d_нх = 0,6 г/кг. На пересечении линий энтальпии 27 кДж/кг и влагосодержания 0,6 г/кг получим точку Кл с искомой температурой нагрева в калорифере центрального кондиционера=25°С.

В технологическом блоке с вращающимся ротором (см. рекламу) центрального кондиционера осуществляется режим адиабатного увлажнения подогретого приточного наружного воздуха с изменением его температуры от t_кл=25°С до t_ох=10,5°С. Для реализации увлажнения в дисковом увлажнителе необходимо обеспечить эффективность 

$E_a=\frac{t_{кл}-t_{ох}}{t_{кл}-t_{ох.м}}=\frac{25-10,5}{25-9,5}=0,94.$

Фирма «Вента» выпускает блоки адиабатного увлажнения, в которых обеспечивается получение Е_а=0,95 (см. фото на рекламе).

В холодный период года общие теплоизбытки в цехе снижаются до 16 кВт, что потребует охлаждения внутреннего воздуха в местном вентиляторном агрегате до температуры 

$t_{в.ох}=t_{в}-\frac{(Q_{т.изб.х}-Q_{т.изб.пн})·3,6}{L_{в.ох}{\rho }_{в.ох}{с}_{р}}=22-\frac{(16000-6100)·3,6}{10437·1,2·1}=19,2$°С.

Регулируя расход в местных вентиляторных агрегатах, использующих холод наружного воздуха [2], поддерживают требуемый уровень t_в = 22°С.

На рис. 2 представлена принципиальная схема центрального кондиционера для круглогодового приготовления приточного наружного воздуха постоянных параметров, контролируемых датчиком 9 температуры по мокрому термометру t_ох.м=const.

Рис. 2. Принципиальная схема центрального кондиционера круглогодового приготовления приточного наружного воздуха: 1 — воздушный многостворчатый клапан; 2 — фильтр; 3 — теплоотдающий теплообменник установки утилизации тепла вытяжного воздуха с насосной циркуляцией антифриза; 4 — калорифер с узлом регулирования; 5 — воздухоохладитель с узлом регулирования; 6 — блок адиабатного увлажнения; 7 — приточный вентилятор; 8 — приточные воздуховоды к местным вентиляторным агрегатам; 9 — датчик контроля температуры приготовленного воздуха по мокрому термометру t_ох.м; 10 — микропроцессорный регулятор

В теплый период года к воздухоохладителю 5 подается холодная вода G_wx с температурой t_wx. Циркуляционный насос узла регулирования воздухоохладителя 5 обеспечивает постоянный расход воды G_w. Скорость ее при протекании через трубки воздухоохладителя 5 в режимах охлаждения рекомендуется принимать 0,6-0,8 м/с, что соответствует развитому турбулентному течению и обеспечивает высокие коэффициенты теплопередачи [3]. Регулирование холодопроизводительности воздухоохладителя 5 осуществляется по команде датчика 9, воздействующего через регулятор 10 на исполнительный механизм на трубопроводе возврата воды на холодильную станцию G_wоб.x. Изменением соотношения G_wx и G_wоб.x достигается изменение температуры воды G_w, подаваемой насосом в воздухоохладитель. Для экономии электроэнергии на привод циркуляционных насосов при переменном расходе воды рекомендуется применение насосов с электронным изменением частоты вращения приводного электродвигателя.

В переходный период года для нагрева приточного наружного воздуха достаточно теплоты вытяжного воздуха, утилизируемой в теплообменнике 3, в который циркуляционным насосом с электронным регулированием частоты вращения подается отепленный антифриз G_аф с температурой t_аф=5°С. Регулирование тепловой нагрузки на теплоотдающий теплообменник 3 установки утилизации осуществляется по команде датчика 9 через регулятор 10 воздействием на электронный регулятор частоты вращения приводного электродвигателя насоса циркуляции антифриза. Одновременно датчик 9 через регулятор 10 включает электродвигатель вращения ротора дискового увлажнителя для адиабатного увлажнения воздуха в блоке 6.

Зимой при низких температурах наружного воздуха недостаточно теплоты вытяжного воздуха, утилизируемой в теплообменнике 3, для подогрева приточного наружного воздуха до температуры, соответствующей постоянной энтальпии I_ох. Датчик 9 через регулятор 10 подает команду на пуск циркуляционного насоса калорифера 4. Расход воды через калорифер 4 благодаря работе циркуляционного насоса постоянен. Скорость воды не ниже 0,12 м/с, что соответствует границе развитого турбулентного течения горячей воды [3] и рекомендуется для предохранения от замерзания воды в калорифере [4].

Из приведенного описания работы центрального кондиционера следует, что обеспечение энергетически эффективных режимов круглогодового приготовления приточного наружного воздуха достигается утилизацией теплоты вытяжного воздуха и применением циркуляционных насосов с регулируемой частотой вращения. Приготовленный приточный наружный воздух приточным вентилятором 7 по воздуховодам 8 подводится к камерам смешения местных охладительных вентиляторных агрегатов.

На рис. 3 представлена принципиальная схема местного вентиляторного агрегата, устанавливаемого в обслуживаемом помещении на стенах и колоннах. Число местных вентиляторных агрегатов в цехе определяется числом зон в помещении, где по технологии производства изменяется тепловой режим, но сохраняется возможность поддержания требуемой температуры воздуха /_п в каждой зоне. Суммарная производительность по приточному воздуху всех примененных местных вентиляторных агрегатов должна соответствовать расчетному значению суммы потоков наружного приточного и внутреннего воздуха:

L_пн+L_в.ох=L_п

Рис. 3. Принципиальная схема местного вентиляторного агрегата в цехе для поддержания требуемой температуры внутреннего воздуха в нескольких технологических зонах: 1 — воздушный клапан с ручным приводом наладочного регулирования поступления внутреннего воздуха L_в.ox; 2 — фильтр; 3 — воздухоохладитель с узлом регулирования; 4 — воздушный клапан с ручным приводом наладочного регулирования поступления от центрального кондиционера расхода L_пн; 5 — приточный воздуховод от центрального кондиционера (см. рис. 2); 6 — камера смешения; 7 — приточный вентилятор; 8 — местный приточный воздуховод; 9 — ламинарный воздухораспределитель подачи приточного воздуха Lп в рабочую зону; 10 — датчик контроля температуры воздуха t_в в рабочей зоне

Внутренний воздух £_в.ох через регулировочные клапаны / поступает в агрегат, проходит очистку в фильтре 2 и охлаждается при постоянном влагосодержании (см. построение на рис. 1) в воздухоохладителе 5, в трубки которого циркуляционным насосом постоянно подается холодная вода G_wx.

В трубках воздухоохладителя 3 обеспечивается скорость воды 0,6...0,8 м/с, отвечающая началу развитого турбулентного течения жидкости с высокими коэффициентами теплопередачи [3]. Поступление к циркуляционному насосу охлажденной воды G_wx с температурой t_wx регулируется автоматическим клапаном, управляемым датчиком 10 конгроля температуры воздуха в рабочей зоне t_в.

Охлажденный внутренний воздух с температурой t_в.ох смешивается в камере 6 с приготовленным в централь! ном кондиционере (см. рис. 2) приточным наружным воздухом L_пн с постоянной температурой t_пн, поступающим по воздуховоду 5 через воздушный многостворчатый регулировочный клапан 4. Приточный вентилятор 7 по короткому приточному воздуховоду 8 подает смесь приточного воздуха L_n в ламинарный воздухораспределитель 9, который обеспечивает воздухораспределение по методу затопления рабочей зоны (вытеснительная вентиляция).

Необходимо отметить, что рассматриваемая местно-центральная СКВ по сравнению с традиционными центральными СКВ не только имеет энергетические преимущества [2], но и обеспечивает снижение капитальных затрат. Так, в работе [5] проведено сравнение традиционной центральной СКВ с переменным расходом приточного и вытяжного воздуха (VAV system) с местно-центральной СКВ при подаче от центрального кондиционера санитарной нормы приточного наружного воздуха и применении в помещениях потолочных охладительных панелей, холодопроизводительность которых регулируется в зависимости от показателей датчика контроля температуры воздуха в рабочей зоне помещения t_в.

Производительность по приточному и вытяжному воздуху в традиционной центральной СКВ [1] в 5,4 раза выше, чем у рассмотренной местно-центральной СКВ. Транспортирование и тепловая подготовка больших количеств приточного воздуха соответственно требуют больших затрат энергии. Стоимость сооружения традиционных центральных СКВ будет значительно выше стоимости предлагаемой местно-центральной СКВ.

В работе [5] показано, что наибольшая доля стоимости традиционной центральной СКВ приходится на сооружение приточных и вытяжных воздуховодов. Удельная стоимость воздуховодов центральной СКВ 43 долл./м² площади здания. В местно-центральной СКВ удельная стоимость сооружения воздуховодов 11 долл./м².

Таким образом, местно-центральные СКВ имеют значительные энергетические и экономические преимущества над традиционными центральными.

About the authors

O. Ya. Kokorin

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com

Doctor of Technical Sciences, Professor

V. V. Komissarov

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Construction on the I-d-diagram of the year-round modes of operation of the local-central ACS in the climate of Moscow.

Download (1MB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Schematic diagram of the central air conditioner for year-round preparation of supply outside air: 1 - air multi-valve; 2 - filter; 3 - heat exchanger of exhaust air heat recovery unit with pump circulation of antifreeze; 4 - calorifer with regulation unit; 5 - air cooler with regulation unit; 6 - adiabatic humidifying unit; 7 - supply fan; 8 - supply air duct to local fan units; 9 - temperature control sensor of prepared air by wet thermometer tох.м; 10 - microprocessor controller

Download (1MB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Schematic diagram of a local fan unit in the shop to maintain the required indoor air temperature in several process areas: 1 - air valve with manual drive of setting control of indoor air intake Lv.ox; 2 - filter; 3 - air cooler with control unit; 4 - air valve with manual drive of setting control of air intake from the central air conditioner; 5 - supply air duct from the central air conditioner (see Fig. Fig. 2); 6 - mixing chamber; 7 - supply fan; 8 - local supply air duct; 9 - laminar air distributor of supply air Ln in the working area; 10 - sensor controlling air temperature tv in the working area

Download (1MB)

Indexing metadata