Энергосберегающие режимы приготовления приточного воздуха в комфортных системах кондиционирования

Аннотация

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].

Полный текст

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.