Quantitative and qualitative regulation of air coolers in SCR

Abstract

The article describes methods o f qualitative and quantitative regulation o f air coolers in air conditioning systems. It is shown that combination o f these methods allows to realize energy saving regimes o f unitary-central air conditioning systems operation.

Full Text

На охлаждение приточного воздуха в системах кондиционирования воздуха (СКВ) затрачивается наибольшее количество энергии, поэтому требуется тщательный анализ режимов охлаждения. Затраты энергии па выработку и потребление холода в СКВ могут быть значительно снижены (до 40% ) путем реализации рациональных режимов приготовления приточного воздуха и регулирования процессов охлаждения [1].

Рассмотрим особенности выбора режимов функционирования местно-центральных СКВ, обслуживающих административные помещения в многоэтажном многокомнатном здании. Служебные помещения расположены с южного и северного фасадов здания в г. Москве.

Рис. 1. Характер суточных изменении воздействия наружных климатических условий на ограждающие конструкции помещений южного и северного фасадов здания в г. Москве в теплый период года

На рис. 1 представлены графики суточных изменений температуры наружного воздуха t ( и интенсивности солнечной радиации в расчетных условиях теплого периода года: показаны также возможные пределы изменения оптимальной температуры воздуха в обслуживаемой зоне административного помещения 13]. В местно-центральной СКВ центральный приточный агрегат обеспечивает вентиляцию помещения и удаление газов, вредных для здоровья людей.

Вредные газы выделяются из строительных и отделочных материалов мебели и др. Для интенсивного проветривания помещений целесообразно, чтобы приточные агрегаты работали и в ночные часы, когда в помещениях людей нет. Из графика изменения показанного на рис. 1, следует, что в расчетные сутки теплого периода года подача приточного наружного воздуха XL за период в 16 ч в сутки будет обеспечивать не только вентиляцию, но и охлаждение помещений природным холодом. В ночные часы градиент температур достигает 6 °C, что позволяет путем подачи наружного воздуха снизить температуру в обслуживаемой зоне помещения до нижнего комфортного уровня ВМ1Н= 23 °C и одновременно охладить строительные конструкции и мебель, т.е. аккумулировать в помещении природный холод. Режим ночного проветривания и охлаждения помещений при работе СКВ наименее энергозатратный.

Затраты холода на охлаждение приточного наружного воздуха до f K = 22 °C за 3 ч работ ы СКВ изменяются от 0 до 100 % расчетной холодопроизводительности воздухоохладителя приточного агрегата.

В случае охлаждения приточного наружного воздуха при постоянном влагосодержании ограничивается выбор начальной температуры воды подаваемой в трубки воздухоохладителя приточного воздуха.

Холодильные машины СКВ обычно вырабатывают охлажденную воду с температурой = 7 °C, что на 7 °C ниже температуры точки росы наружною воздуха, равной для параметров Б в климате г. Москвы грн = 14 °C [З]. Как показали результаты исследований, подача в воздухоохладитель охлажденной воды c температурой t = 7 °C приводит к конденсации влаги, а это не отвечает энергетически рациональному режиму охлаждения при постоянном влагосодержании наружного воздуха. В однорядных воздухоохладителях охлаждение при постоянном влагосодержании может осуществляться при начальной температуре воды, ограниченной условием rwi = r - 4 ° С . (1) В размахиваемом случае в воздухоохладитель центрального кондиционера может подаваться вода при температуре t =14 - 4 = 10 °C.

Требуемая начальная температура холодной воды t = 10 °C достигается смешением охлажденной t и обратной воды.

На рис. 2 показана схема качественного регулирования режимов охлаждения санитарной нормы приточного воздуха до выбранной температуры t . Смешением в трехходовом моторном регулирующем клапане 5 достигается t ( - 10 °C, и выбранный расчетный режим охлаждения отвечает условиям: t= 28,5 °C, t =22 °C, tн1 = 10 °C и t mini= 14 °C.  Для установившегося режима в воздухоохладителе при постоянном влагосодержании характерно следующее уравнение теплового баланса:

L р с (I - t ) = G с (t r - i ) = kFt . (7)

При качественном регулировании с применением циркуляционного насоса 9 по схеме на рис. 2 расходы охлаждаемого воздуха L и охлаждающей воды G остаются постоянными, что определяет неизменность коэффициента теплопередачи к в воздухоохладителе.

Рис. 2. Схема регулирования режима охлаждения и минимального расхода приточного воздуха

Площадь поверхности воздухоохладителя также сохраняется неизменной. Остаются постоянными теплоемкости воздуха и воды процессе охлаждения мало меняется и массовая плотность охлаждаемого воздуха р. Следовательно, при суточном изменении температуры наружного воздуха t изменение охлаждаемой способности воздухоохладителя достигается автоматическим изменением только температуры холодной воды t и ( с помощью клапана 5 с редукторным электроприводом, управляемым электронным регулятором 3 по импульсам датчиков контроля температур охлажденного воздуха 2 и хладоносителя 8. Это будет обеспечиваться соответствующим изменением соотношения расходов охлажденной и образной воды.

Благодаря работе циркуляционного насоса 9 расход воды G по трубкам воздухоохладителя будет постоянен и коэффициент теплопередачи к будет сохранять высокие расчетные значения. В работе [2] показано, что при сокращении расхода воды через воздухоохладители в диапазоне падения скоростей воды в трубках от 0,4 до 0,1 м/с отмечается резкое снижение коэффициента теплопередачи (практически в 2 раза). Это приводит к тому, что при регулировании воздухоохладителя путем изменения расхода воды (количественное регулирование) время требуемого снижения его холодопроизводительности увеличится, что вызовет возрастание времени работы холодильных машин. Из этого следует вывод, что методы качественного регулирования режимов охлаждения воздуха обеспечивают снижение времени работы холодильных машин и соответственно сокращение расхода электроэнергии на выработку холода.

В теплый период года в помещениях административных зданий теплоизбытки значительно изменяются по времени суток и в местном воздухоохладителе энергетически целесообразно регулировать интенсивность охлаждения внутреннего воздуха при постоянном влагосодержании. По СНиП [3] в теплый период года оптимальные параметры воздуха (температура и относительная влажность) в обслуживаемой зоне помещения должны быть следующими: t= 25 °C и р до 60 %.

Эго отвечает температуре точки росы внутреннего воздуха t = 16 °C.

Тогда по уравнению (1) минимальная температура холодной воды t = 16 -4 = 12°С.

Холод для местных и центральных воздухоохладителей вырабатывают с помощью холодильных машин. Фирма “Данфосс” производит модульный ряд высококачественных спиральных компрессоров 12 моделей холодопроизводительностью от 15 до 44 кВт при температуре кипения Q = 5 °C. На базе этих компрессоров при их параллельной работе на общие конденсатор и испаритель могут быть собраны холодильные агрегаты.

На рис. 3 показана принципиальная схема холодильного агрегата S740 из четырех спиральных компрессоров SZ185. Холодопроизводительность каждого компрессора при использовании озонобезопасною хладагента R407C зависит от температуры кипения, которая может быть выбрана потребителем в диапазоне от +15 до -15 °C. Холодопроизводительность одного компрессора SZI85 при температуре кипения t ₀ = 15 °C и конденсации = 40 °C составляет 67925 Вт при потреблении электродвигателем компрессора 9840 Вт электроэнергии, что определяет энергетический показатель выработки холода - холодильный коэффициент  е = 67925/9840 = 6,9.

При температуре кипения Q = 15 °C в испарителе холодильного агрегата можно получать холодную воду с t_х = 17 °C, что может быть достаточно для реализации энергетически целесообразного режима охлаждения приточного воздуха до t = 22 °C в центральном кондиционере, как это было показано выше, по данным анализа режима работы СКВ (см. рис.1). Для охлаждения воды, используемой в местных воздухоохладителях, при температуре (t= 12 °C )

Применение в холодильном агрегате S740 четырех компрессоров SZI85 позволяет последовательным включением или выключением электродвигателей компрессоров изменять потребление электроэнергии на выработку холода на 25, 50, 75 и даже на 100 %. Использование метода количественного регулирования числа работающих компрессоров - самый простой и надежный метод регулирования холодопроизводительности.

Рис. 3. Принципиальная схема холодильного агрегата S740 из четырех спиральных компрессоров SZ185

Этот метод реализуется в схеме на рис. 3, где холодопроизводительность агрегата S740 на реальных условиях составляет: 57 • 4 = 228 кВ г.

При работе трех компрессоров производи тельность снижается до 171 кВт, а при работе двух компрессоров - до 114 кВт. При работе одного компрессора холодопроизводительность составляет 25 % от расчетной и равна 57 кВт.

Из рис.1 следует, что 100%-ная потребность СКВ в холоде существует только от 12 до 14 ч дня расчетных суток в теплый период года. В утренние и вечерние часы работы офисных помещений потребность СКВ в холоде снижается до 25 %. Применение четырех-ступенчатого холодильного агрегата S740 позволяет существенно сократить суточные затраты электроэнергии на работу компрессоров.

Используются общие конденсатор и испаритель, площадь поверхности которых выбирают исходя из расчетной холодопроизводительности холодильного агрегата. В режимах пониженной холодопроизводительности (например, при 50 %) из четырех будут работать только два компрессора, причем тепловые потоки в конденсаторе и испарителе будут вдвое меньше, чем в расчетном режиме. Это обеспечит снижение температуры конденсации и соответственно улучшит энергетические показатели холодильного агрегата.