Новое оборудование для автономных децентрализованных систем кондиционирования воздуха

Аннотация

Описан опыт применения систем самокондиционирования в современных многоэтажных зданиях. Представлена схема оснащения блочных установок центральных кондиционеров автономными источниками холода. Приведены характеристики компрессорных блоков, добавляемых к стандартным центральным кондиционерам. Представлен расчет условий работы кондиционера в теплый период времени в Москве.

Полный текст

Приближение установок кондиционирования воздуха (кондиционеров) к обслуживаемым помещениям позволяет значительно сократить протяженность приточных воздуховодов и, следовательно, снизить расходы на их сооружение и затраты энергии на преодоление аэродинамического сопротивления.

Как правило, децентрализованные системы кондиционирования воздуха предназначены для обслуживания группы помещений с одинаковой ориентацией окон по отношению к солнцу. Это позволяет осуществлять наиболее энергосберегающие режимы работы системы.

Децентрализованные СКВ получили широкое распространение в односемейных домах и квартирах, при обслуживании помещений с повышенным и требованиями к качеству и точности поддержания внутренних параметров воздуха (операционные в больницах, «чистые помещения» в электронном производстве и др.). Однако децентрализованные СКВ применяют и в современных многоэтажных зданиях. Примером этого может служить 52-этажное здание «Сумитомо Билдинг» в Токио (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид «Сумитомо Билдинг» в Токио

На рис. 2 показана принципиальная схема применения трех СКВ для обслуживания служебных помещений на одном из этажей. Площадь каждого этажа равна 2624 м². В центре здания по всей высоте проходит треугольный атриум. Кондиционеры 1 располагаются в торцах треугольного (в плане) этажа здания. Каждый кондиционер связан приточным воздуховодом 2 с помещениями, расположенными вдоль одного из фасадов. Общая площадь обслуживаемых одним кондиционером помещений 525 м². Современные служебные помещения насыщены большим количеством офисной техники (компьютеры, сканеры и т.д.), размещение которой требует порядка 6 м² площади пола на одного работающего. Следовательно, служебные помещения площадью 525 м² смогут разместить n = 525/6 = 88 человек.

Рис. 2. Принципиальная схема применения трех приточно-вытяжных агрегатов для обслуживания этажа в 52-этажном здании «Сумитомо Билдинг» в Токио: 1 — приточный агрегат (кондиционер); 2 — приточные воздуховоды к каждому из трех фасадов здания в подшивном потолке; 3 — вытяжные агрегаты; 4 — вытяжные воздуховоды из коридора; 5 — стеклянный атриум, проходящий через все этажи здания

По СНиП [3] на одного работающего необходимо подавать 60 м³/ч приточного наружного воздуха l_пн. Это потребует производительности по приточному наружному воздуху от одного кондиционера:

L_пн = nl_пн = 88 • 60 = 5280 м³/ч.

Отработанный воздух забирается вытяжным агрегатом 3 из коридора и выбрасывается наружу. Забор приточного L_пн и выброс вытяжного L_y воздуха осуществляются через подвижные направляющие, проходящие по всей высоте здания.

На рис. 1 хорошо видно архитектурное оформление мест забора приточного наружного и выброса удаляемого вытяжного воздуха.

Значительные энергетические преимущества обеспечивает применение индивидуального источника холода для приточных агрегатов 1 (см. рис. 2). Это создает автономность каждой из СКВ, обслуживающих часть этажа вдоль определенного фасада. Режимы работы источников холодоснабжения легко согласуются с особенностями формирования теплового режима в помещениях каждой из сторон здания.

Фирма «Веза» разработала и изготовляет новое оборудование, позволяющее при совмещении с разработанными ею стандартными центральными кондиционерами типоразмерного ряда КЦКП-3,5...КЦКП-8 создавать энергоэффективные автономные децентрализованные СКВ производительностью 2... 10 тыс. м³/ч.

Конструктивная схема автономного холодоснабжения кондиционеров КЦКП дана на рис.3.

Рис. 3. Схема автономного децентрализованного холодоснабжения кондиционеров типа КЦКП: 1 — приточный агрегат из стандартных блоков КЦКП; 2 — воздушные клапаны с электрическим приводом, сблокированным с магнитным пускателем приточного вентилятора; 3 — воздушный фильтр; 4 — воздухонагреватель; 5 — воздухоохладитель с поддоном для сбора конденсата и сепаратором из полипропиленовых профильных листов для удержания возможного уноса капель сконденсированной влаги; 6 — вентилятор двухстороннего всасывания с приводом от электродвигателя через регулируемую ременную передачу; 7 — компрессорный блок; 8 — поршневой или спиральный компрессор фирмы Maneurop-Danfoss; 9 — ресивер для сбора жидкого хладагента; 10 — вытяжной агрегат из стандартных блоков КЦКП; 11 — блок воздушного конденсатора, связанный медными трубопроводами с компрессором и ресивером в компрессорном блоке

В центральный приточный агрегат /, собранный из стандартных технологических блоков для круглогодового приготовления приточного наружного воздуха в количестве L_п = L_пн входят:

• воздушный клапан 2 с электрическим приводом, сблокированным с пускателем электродвигателя приточного вентилятора (при пуске электродвигателя и начале работы приточного вентилятора электрический привод открывает воздушные клапаны, а при остановке электродвигателя вентилятора закрывает их, что препятствует проникновению наружного воздуха в кондиционер);
• воздушный фильтр 5, который выбирают по требуемой степени очистки и продолжительности работы между сроками восстановления фильтрующего материала [1];
• воздухонагреватель 4, питаемый горячей водой от центрального источника теплоснабжения, или электронагреватель, состоящий из 1.2 или 3 рядов оребренных трубок [1];
• воздухоохладитель 5 с непосредственным кипением хладагента (R22 или R134a) в трубках;
• приточный вентилятор 6 двухстороннего всасывания с приводом от электродвигателя через ременную передачу с облегченными шкивами из алюминиевого сплава (возможно регулирование частоты вращения в диапазоне ±10%).

Сверху на каркасе секций КЦКП смонтирован новый компрессорный блок 7, состоящий из компрессора 8, ресивера 9, фильтра-осушителя и автоматики зашиты работы холодильной машины (на рис. 3 не показаны).

Всасывающая сторона компрессора 8 и жидкостная часть ресивера 9 соединены медными трубками с испарителем-воздухоохладителем 5. Нагнетательная сторона компрессора 8 и верхняя часть ресивера 9 соединены с воздушным конденсатором 77, встроенным в вытяжной агрегат 10.

Фирма «Веза» разработала и поставляет выносные модульные агрегаты воздушного охлаждения типа МАВО, включающие теплообменник из медных трубок диаметром 12 мм с наружным алюминиевым пластинчатым оребрением (глубина пластины 25 мм, расстояние между трубками 50 мм). В качестве выносных воздушных конденсаторов холодильных машин рекомендуется использовать модификацию агрегатов МАВО-К, отличительной особенностью которой является применение медных трубок диаметром 12 мм с внутренним микрооребрением по технологии «INNER GROOVED TUBE». Теплообмен в таких трубках на 25 % интенсивнее, чем в традиционных с гладкой внутренней поверхностью.

Модификация МАВО-Д предназначена для воздушного охлаждения жидкостей (воды или антифриза).

Движение воздуха через оребренную часть теплообменников осуществляется с помощью осевых вентиляторов, приводимых компактными электродвигателями с внешним ротором типа Никотра 630-4-25 с частотой вращения 1320 об/мин. В зависимости от числа осевых вентиляторов (их может быть от одного до шести) и размеров теплообменника холодопроизводительность выпускаемых фирмой «Веза» агрегатов МАВО (до 20 типоразмеров) лежит в диапазоне 15...200 кВт.

Для автономного холодоснабжения центральных кондиционеров «Веза» предлагает три конструктивные разновидности воздушных конденсаторов:

• встроенный в вытяжной агрегат (как это показано на рис.3);
• установленный на корпусе приточного агрегата рядом с компрессорным блоком. (При этом должны быть обеспечены доступ наружного воздуха к осевым вентиляторам агрегата МАВО и выброс в атмосферу отепленного воздуха). В таком конструктивном варианте весь холодильный блок собирается, испытывается и заполняется хладагентом на заводе фирмы «Веза»;
• отдельный конденсаторный блок, размещаемый там, где имеется свободный доступ наружного и возможность выброса отепленного воздуха. В этом случае соединение конденсатора двумя медными трубками с компрессором 8 и ресивером 9 производят на месте монтажа приточного агрегата, на крышке которого установлен компрессорный блок 7.

При первом и третьем конструктивных вариантах расстояние между компрессорным 7 и конденсаторным 11 блоками зависит от конкретных условий сборки. Поэтому в обоих блоках устанавливают запорные вентили, открываемые только после монтажа соединительных трубопроводов.

В настоящее время фирма «Всза» освоила производство типоразмерного ряда новых компрессорных блоков для центральных кондиционеров КЦКП (см. таблицу).

Таблица

Типоразмерный ряд кондиционеров	Характеристики компрессорных блоков
	Холодопроизводительность (кВт*) при числе компрессоров			Габаритные размеры, мм
	1	2	3	Длина	Ширина	Высота
КЦКП-3,15	10	20		1000	700	800
КЦКП-5,0	10	20	30	1000	1000	800
КЦКП-6,3	20	30	40	1000	1300	800
КЦКП-8,1	30	40	50	1000	1600	800
КЦКП-8,2	40	50	60	1000	1300	1015

* Фирма-производитель холодильных компрессоров дает соответствующие данные о холодопроизводительности в сопроводительной технической документации в зависимости от параметров их работы.

Рассмотрим, как можно применить описанное выше оборудование для СКВ в условиях Москвы.

Выше было показано, что один кондиционер (см. рис.2) должен обеспечивать производительность по приточному воздуху L_пн = 5820 м³/ч. По рекомендациям [1] для этого подходит приточный агрегат из технологических блоков КЦКП-6,3.

В помещениях современных административных зданий удельная потребность в холоде составляет q_х = 80 Вт/м². При этом 50% этой величины определяется постоянными тепловыделениями (люди, служебное оборудование), а 50% - изменяющимися по времени суток параметрами (интенсивностью солнечной радиации через окна и температурой наружного воздуха).

Максимальное тепловыделение и соответственно максимальная потребность в холоде для служебных помещений площадью F = 525 м² (часть этажа вдоль одного фасада здания) составит Q_х.макс = Fq_x • 10^-3 = 525 • 80 • 10^-3 = 42 кВт.

Из таблицы видно, что компрессорным блоком кондиционера КЦКП-6,3 при работе трех компрессоров обеспечивается холодопроизводительность Q_x = 40 кВт.

Вычислим параметры охлажденного приточного наружного воздуха при параметрах Б в климате Москвы [3] (рис. 4)

t_н = 28,5 °С; I_н = 54 кДж/кг; d_н = 10 г/кг:

$I_{ok}=I_{н}-\frac{Q_{х}\times 3600}{L_{пн}{\rho }_{пн}}=54-\frac{40\times 3600}{5280\times 1,21}=31,5 кДж/кг.$

Рис. 4. Построение на I — d-диаграмме расчетного режима работы автономного СКВ в теплый период года в Москве. Заштрихованный сектор — комфортные параметры воздуха в теплый период года; Н-ОХ — охлаждение приточного наружного воздуха; ОХ-ПН — нагрев в приточном вентиляторе и воздуховодах; ПН-В — процесс поглощения тепло - и влаговыделений при традиционной схеме воздухораспределения сверху вверх; ПН-В₁П — смешение в ДЭ; П-У — процесс поглощения тепло - и влаговыделений по высоте помещения при притоке воздуха в рабочую зону

Процесс приготовления приточного воздуха в воздухоохладителе Н-ОХ протекает с охлаждением и осушением. Параметры точки ОХ: t_ox=11,2 °С; d_ox=7,9 г/кг.

Служащие (88 человек) выполняют работу средней тяжести и выделяют 70 Вт/чел. явного тепла и 185 г/(ч•чел.) влаги. Санитарная норма охлажденного и осушенного воздуха обеспечивает поглощение расчетного количества влаговыделений при следующем рабочем перепаде влагосодержания d:

$∆d_{раб}=\frac{W_{вп}}{L_{пн}{\rho }_{пн}}=\frac{185\times 88}{5280\times 1,21}=2,55 г/кг.$

Влагосодержание в помещении станет

d_в= d_ох+ Δd_раб=7,9+2,55= 10,45 г/кг.

В приточном вентиляторе и воздуховодах охлажденный воздух нагревается на 1 °С, тогда параметры приточного воздуха будут: t_пн= 12,2 °С;

d_пн = 7,9 г/кг; I_пн = 32,5 кДж/кг.

На рис.4 сектором со штриховкой выделены границы нормируемых комфортных параметров воздуха в зоне нахождения людей в теплый период года [4]. Примем верхнее значение комфортной температуры воздуха в зоне нахождения людей t_в=25 °С и в пересечении с d_в = 10,45 г/кг получим точку В с энтальпией І_в=52 кДж/кг и относительной влажностью φ = 52 %.

Охлаждающая способность приточного воздуха, поступающего от кондиционера КЦКП-6,3,

Q_х._раб = L_пнρ_пн(І_у – І_пн)/3600.              (1)

Для нашего случая (см. рис. 4) при І_у =І_B=52 кДж/кг по формуле (1) получим

Q_х._раб = 5280 • 1,21 (52 – 32,5)/3600 = 34,6 кВт.

Однако расчетное тепловыделение составляет 42 кВт, что свидетельствует о недостаточной охлаждающей мощности при традиционной схеме подачи охлажденного воздуха сверху и вытяжке удаляемого воздуха сверху (это называется смесительным воздухораспределением). Необходимо отметить, что приточный охлажденный воздух имеет температуру t_пн = 12,2 °С. Рабочий перепад температур в помещениях составляет

Δt_раб = t_в – t_н = 25 – 12,2=12,8 °С.

Состояние теплового комфорта для человека при поступлении приточного воздуха в зону обитания может быть обеспечено, только если перепад температур в среде не превышает 3...4 °С [3]. При использовании обычных приточных устройств для подачи в помещение летом холодного воздуха с температурой t_пн = 12,2 °С в зоне нахождения людей создается холодный поток воздуха, что приводит к простудным заболеваниям. Особенно свойственно это охлаждению помещений воздухоохладителями сплит-систем (раздельных автономных кондиционеров). Не случайно в печати появились рекомендации медиков не находиться в помещениях с кондиционерами, чтобы предохранить себя от простудных заболеваний.

Для комфортного воздухораспределения охлажденного воздуха с температурой 12,2 °С применяют специальные эжекторно-смесительные устройства, которые обеспечивают активное подмешивание к холодной приточной струе окружающего воздуха в верхней зоне помещения. Тогда в зону нахождения людей будет поступать приточный воздух с комфортным перепадом температур 3...4 °С. Такие специальные воздухораспределители требуют создания перед ними значительного (до 200 Па) давления первичного воздуха и сравнительно дороги.

Большие санитарно-гигиенические и энергетические преимущества дает применение в качестве воздухораспределителей эжекционных доводчиков (ДЭ), подробно рассмотренных в [2]. ДЭ устанавливают под окном и к ним присоединяют воздуховод холодного наружного воздуха. Сопла обеспечивают эжекцию внутреннего воздуха. От ДЭ в рабочую зону поступает смесь воздуха с температурой (°С):

$t_{п}=\frac{t_{пн}+K_{э}{t}_{в}}{1+K_{э}},$ где к_э — коэффициент эжекции внутреннего воздуха. Для отечественных конструкций к_э =2,8 [2].
Для рассматриваемого режима работы автономной СКВ по формуле (2) получим Температуру приточного воздуха:

$t_{п}=\frac{12,2+2,8\times 25}{1+2,8}=21,6 °С,$ что отвечает требованиям комфортности воздухораспределения [41.

При подаче охлажденного воздуха в зону нахождения людей и вытяжке сверху под потолком происходит скопление тепло-, влаго- и газовых выделений, повышение температуры вытяжного воздуха (°С), которая вычисляется по формуле t_y = k_L(t_в – t_п) + t_н.  (3)

Коэффициент организации воздухообмена k_L для современных административных помещений может быть принят k_L = 2,3 [2]. По формуле (3) получим t_y =2,3(25 - 21,6)+21,6=29,4 °С.

На I-d-диаграмме в месте пересечения изотермы 29,4 °С и влагосодержания 10,45 г/кг находим параметры удаляемого вытяжного воздуха (точка Ус I_у=56,5 кДж/кг).

По формуле (1) вычисляем охлаждающую способность кондиционера при подаче охлажденного воздуха через ДЭ в рабочую зону и вытяжке отепленного и загазованного воздуха под потолком:

Q_х._раб = 5280-1,21(56,5 -32,5)/3600 = 42,064 кВт.

Благодаря применению ДЭ для подачи охлажденного воздуха от автономных кондиционеров КЦКП-6,3, собранных по схеме, представленной на рис. 3, достигается увеличение охлаждающей способности СКВ по сравнению с традиционной схемой притока на $\frac{42,064-34,6}{34,6}\times 100=21,6\%.$

Использование нескольких компрессоров в компрессорном блоке кондиционера КЦКП-6,3 позволяет регулировать холодопроизводительность изменением числа работающих компрессоров.

Преимущества автономного холодоснабжения центральных кондиционеров позволяют создавать энергосберегающие, эффективные и высококомфортные СКВ для различных зданий.

В холодных климатических условиях России в зданиях под окнами устанавливают отопительные приборы, снабжаемые горячей водой от ТЭЦ или местных источников. Наличие горячего водоснабжения здания делает энергетически целесообразным применение в приточном агрегате воздухонагревателя по схеме на рис. 3. Насосная циркуляция горячей воды у воздухонагревателя обеспечивает качественное регулирование и защиту от замораживания.

В случае применения ДЭ, устанавливаемых под окнами для воздухораспределения, к их теплообменникам подводится горячая вода с температурой не выше 40 °С. Это позволяет отказаться от устройства отдельной периметральной системы отопления и экономить тепло от ТЭЦ [2].