Энергосберегающая многоканальная система кондиционирования воздуха для музеев

Для помещений музеев требуется стабильное поддержание температуры и влажности воздуха независимо от числа посетителей, которые являются наиболее значимым переменным источником выделения тепла, влаги и вредных газов. На рис. 1 представлено построение на i–d-диаграмме расчетного режима работы многозональной СКВ в помещении музея, где требуется круглый год поддерживать температуру воздуха с точностью t_В = 21±1°С и относительную влажность φВ = 55±5%. Расчет проведен на климатические параметры для г.Москвы по новым нормам [1]: температура t_Н = 26,3°С; энтальпия I_Н = 57,5 кДж/кг; влагосодержание d_Н = 12,2 г/кг (т.Н). Примем, что обслуживаемый СВК выставочный зал имеет площадь 900 м² и разделен на три экспозиционные зоны по 300 м². На одного посетителя примем удельную площадь 5 м²/чел. Следовательно, расчетное количество посетителей при заполнении зала на 60% составит: (формула) Минимальный расход приточного наружного воздуха при норме 20 м³/ (ч•чел) составит: L_ПНmin = 108•20 = 2160 м³/ч. В зале число посетителей в форме организованных экскурсий может быть больше в четыре раза. Тогда по санитарным нормам необходимый расход приточного наружного воздуха составит L_ПН = 2160•4 = 8640 м³/ч. В целях экономии расхода холода в теплый период года и тепла в холодный период принимаем режим работы центрального кондиционера с переменной рециркуляцией. В смеси приточного воздуха минимальный расчетный расход наружного воздуха L_ПНmin = 2160 м³/ч. При максимальном заполнении выставочного зала L_ПН = 8640 м³/ч. Выделения явного тепла и влаги одним взрослым посетителем при t_В = 21°С составляют [2] q_т.яв = 100 Вт/чел, W_вл = 88 г/(ч•чел). При подаче на одного посетителя 20 м³/ч приточного воздуха его ассимиляционная способность должна быть: по явному теплу (формула) по влаге (формула) Из рис. 1 следует, что максимально возможное влагосодержание воздуха в зоне нахождения людей в выставочном зале отвечает d_Вmax = 10 г/кг (при t_В = 22°C и φ_В = 60% т. В_max). Из построения на рис. 1 следует, что при температуре t_Вmax = 22°C и φ_Вmin = 50% минимально возможное влагосодержание воздуха в зоне нахождения людей будет d_Вmin = 8,2 г/кг.Поэтому приточный воздух от центрального кондиционера охлаждаем и осушаем до d_Вmin = d_П = 8,2 г/кг. При φ_ОХ= 95% на линии d_ОХ = d_П = 8,2 г/кг находим параметры т. ОХ: t_ОХ = 12,2°C, φ_ОХ = 34 кДж/кг. С учетом нагрева в приточном вентиляторе и воздуховодах на 1,5°C температура приточного воздуха от центрального кондиционера будет: T_П = 12,2 + 1,5 = 13,7°C. Ассимиляционная способность приточного воздуха при схеме организации воздухообмена сверху вверх (смесительная вентиляция) будет: по явному теплу ∆t_асc.ПР = 22 – 13,7 = 8,3°C, что значительно меньше требуемого ∆t_асс= 14,6°C, по влаге: ∆_dасc.ПР = 10 – 8,2 = 1,8 г/кг, что значительно меньше требуемого ∆d_асc = 3,6 г/кг. Оцениваем наиболее энергетически рациональный вариант СКВ при производительности по приточному воздуху L_П = L_ПН = 8640 м³/ч. Затраты холода в воздухоохладителе центрального кондиционера в этом режиме: (формула) При минимальном числе посетителей в центральном кондиционере охлаждается и осушается смесь, энтальпия которой равна: (формула) При применении регулируемой рециркуляции внутреннего воздуха расход холода составит: (формула) Применение регулируемой рециркуляции позволило сократить расход холода: (формула) Летом на тепловой режим в выставочном зале оказывают влияние теплопоступления от освещения и трансмиссионные теплопритоки. Для освещения применяются современные энергосберегающие светильники, которые обеспечивают требуемую освещенность при удельной затрате электроэнергии 15 Вт/м². В зону нахождения людей поступает 60% подводимой к светильникам электроэнергии в виде лучистого тепла в количестве: Q_т.ПР.ос = 900•15•0,6 = 8100 Вт. В рассматриваемом выставочном зале трансмиссионные теплопоступления имеют место только через наружное перекрытие, термическое сопротивление которого составляет R_пер = 3,8 (м²•°C)/Вт. Температуру при наличии солнечной радиации на наружной поверхности перекрытия принимаем t_пер = 36°C, а температуру воздуха под перекрытием t_Впер = 24°C. Тогда трансмиссионные теплопотери: (формула) При групповом посещении музея выделения от максимального числа посетителей составят: по явному теплу Q_т.X.пoc = 100•108•4 = 43200 Вт; по влаге W_вл.пос = 88•108•4 = 38016 г/ч. Охлажденный и осушенный приточный воздух от центрального кондиционера поглотит следующее количество выделений: по явному теплу (формула) по влаге W_{вл.асс.П} = 8640•1,22•10 – 8,2= 18973 г/ч. Для поглощения выделений от людей работа зональных кондиционеров должна дополнительно обеспечить поглощение: по явному теплу Q_асс.X.M = 43200 – 24303 = 18897 Вт; по влаге: W_асc.П = 38016 – 18973 = 19043 г/ч По требованиям обеспечения безопасности экспонатов от залива помещений экспозиции водой отказываются от применения в качестве тепло- и холодоносителей воды. Воздух в качестве источника тепла и холода энергетически целесообразно использовать в количествах, определяемых санитарногигиеническими требованиями. Безопасными для сохранности экспонатов являются экологичные холодильные агенты, которые имеют значительно более высокую удельную теплоемкость. Остающиеся тепло- и влагопоступления решено воспринимать в режимах испарения холодильного агента в воздухоохладителях многозональных VRV-систем. Значительным энергетическим преимуществом многозональных VRV-систем является работа одного компрессорно-конденсаторного блока для снабжения фреоном значительного числа местных воздухоохладителей, размещаемых по участкам зала экспозиций. Охлаждающая способность любого местного воздухоохладителя может изменяться от 100% до 0% расчетной величины. Это достигается автоматическим сокращением расхода фреона по трубкам воздухоохладителя по команде датчика, контролирующего температуру поступающего на охлаждение внутреннего воздуха. Изменение расхода фреона через местные воздухоохладители, установленные в разных зонах зала музея, контролируются по расходу фреона через центральный компрессорноконденсаторный блок. Автоматическим изменением частоты вращения приводного электродвигателя компрессора изменяется объем подаваемого к воздухоохладителям холодильного агента. Соответственно изменению расхода холодильного агента в VRV-системе изменяется и потребление электроэнергии на привод компрессора. В музее наиболее удобно местные воздухоохладители VRV-системы расположить за подвесным потолком. В местные воздухоохладители на охлаждение поступает рециркуляционный воздух, забираемый за подвесным потолком. От нагретой арматуры светильников в воздушное пространство за подвесным потолком в рассматриваемом примере будет поступать тепло в количестве: Q_т.ПР.св = 900•15•0,4 = 5400 Вт. В местных воздухоохладителях должно быть поглощено: явного тепла Q_{т.X.асс.М} = 18897 + 8100 + 5400 =32397 Вт; влаговыделений W_{вл.асс.М} = 19043 г/ч. В многозональной СКВ на базе VRV количество воспринимаемых теплои влаговыделений в зональных агрегатах изменяется непрерывно в соответствии с перемещением посетителей по зонам помещений экспозиции музея. В каждой зоне количество воспринимаемого полного тепла в испарителе зонального агрегата определяется расчетом и для рассматриваемого примера составляет: (формула) Луч процесса охлаждения и осушения рециркуляции воздуха из зоны за подвесным потолком в местном кассетном воздухоохладителе кондиционеров VRV: (формула) Кондиционеры типа VRV производства компании Daikin, дистрибьютором которых в России является фирма Daichi [3], обладают способностью осуществлять режимы охлаждения и осушения воздуха при высоких значениях лучей процессов, что и требуется для рассматриваемой СКВ. Холодопроизводительность кассетных воздухоохладителей многозональной системы VRV в условиях повышенного числа посетителей в зале музея должна быть: (формула) На каждую из трех зон зала площадью 300 м² устанавливаются по четыре воздухоохладителя и холодопроизводительность каждого требуется по полному теплу q_{XП.кас.VRV}: (формула) По каталогу [3] выбираем и устанавливаем за подвесным потолком четырехпоточный потолочный блок кассетного типа модели FXYFP-KB7V19 типоразмера 40. По табл. 5.1 [3] при параметрах воздуха за подвесным потолком t_Впод = 26°C, t_Впод.М = 18°C и I_Впод = 53 кДж/кг полная холодопроизводительность равна 4,2 кВт, а по явному охлаждению — 3,2 кВт. При высокой скорости вращения вентилятора выбранного кассетного блока производительность по воздуху L_ПVRV = 720 м³/ч (табл. 2.2 [3]). Вычисляем температуру охлажденного приточного воздуха: (формула) Вычисляем конечную энтальпию охлажденного и осушенного рециркуляционного воздуха в расчетном режиме работы местного кассетного воздухоохладителя системы VRV: (формула) На рис. 1 на i–d-диаграмме в месте пересечения t_{п.кас.VRV} = 13°C и I_ПVRV = 36 кДж/кг находим т. П_VRV. Соединяем т. П_VRV и т. В_пот и получим луч процесса охлаждения и осушения в кассетном воздухоохладителе рециркуляционного воздуха. Из построения следует, что луч процесса ε_VRV = 8682 кДж/кг проходит в границах допустимых изменений параметров воздуха в зоне обитания посетителей музея. Рассматриваемая многозональная СКВ функционирует круглый год. Расчетные условия холодного периода года в климате Москвы [1]: t_НХ = –28°C; d_НХ = 0,4 г/кг. В выставочном зале поддерживается минимальная температура t_ВХ = 20°C при возможном изменении влагосодержания от d_ВХmin = 7,2 г/кг до d_ВХmax = 8,5 г/кг. Построение на i–d-диаграмме представлено на рис. 2. Вычисляем расчетные трансмиссионные теплопотери через перекрытие здания: (формула) При отсутствии посетителей, например, в ночные часы, приточный воздух от центрального кондиционера необходимо нагревать. Температура нагретого приточного воздуха должна быть: (формула) При наличии в выставочном зале расчетного числа посетителей 108 человек и работе освещения тепловой баланс составляет: Q_т.лд + Q_т.ПР.ос – Q_т.пот = 10800 + 8100 – 12079 = 6821 Вт. Для поглощения остающихся тепловыделений в 6821 Вт температура приточного воздуха от центрального кондиционера должна быть: (формула) При максимально возможном числе посетителей в расчетных условиях холодного периода года тепловой баланс в трех зонах выставочного зала будет 10800•4 + 8100 – 12079 = 39221 Вт. Для поглощения максимальных теплоизбытков температура приточного воздуха от центрального кондиционера должна быть: (формула) Из построения на i–d-диаграммы рис. 2 видно, что при требуемом влагосодержании приточного воздуха d_ВХmin = 7,2 г/кг получение температуры притока t_ПХmin = 8,8°C невозможно. Поэтому при наличии в выставочном зале максимального числа посетителей автоматически включатся в работу зональные кассетные воздухоохладители системы VRV. Температуру приточного воздуха от центрального кондиционера находим по условиям осуществимости режима адиабатного увлажнения, эффективность которого в орошаемом слое ограничивается показателем эффективности не более E_a = 0,9. Наиболее трудным для адиабатного увлажнения является режим наличия в выставочном зале максимально возможного числа посетителей и L_П = L_ПН = 8640 м³/ч. Из построения на рис. 2 следует, что для получения d_Пmin = 7,2 г/кг наружный воздух нагревается в калорифере первого подогрева до t_К = 30,5°C при t_КМ= 11°C. В пересечении энтальпии IК = 31,3 кДж/кг с вертикальной линией d_ВХmin = 7,2 г/кг находим t_А = t_ПХ =13°C. Вычисляем требуемый показатель эффективности адиабатного увлажнения: (формула) Для экономии тепла в СКВ применяется установка утилизации с полосной циркуляцией антифриза, как наиболее надежная в климате России [4]. Вытяжка составляет L_У = 0,9L_ПН. Расчетом по методике [4] получено, что нагрев приточного наружного воздуха утилизируемым теплом вытяжного воздуха составляет до температуры t_НУ = –12°C и I_НУ = –11 кДж/кг. При расчетном режиме наличие 108 человек посетителей центральный кондиционер работает на смеси наружного и рециркуляционного воздуха с энтальпией I_ВХ = 42 кДж/кг. Вычисляем количество приточного наружного воздуха в смеси для получения I_К = 31,3 кДж/кг: (формула) Это меньше требуемого по саннорме L_ПНmin = 2160 м³/ч. В калорифере при подаче в трубки горячей воды минимальная температура нагрева воздуха принимается t_КУ = 5°C,что отвечает энтальпии I_КУ = 6 кДж/кг. В этом режиме расход в смеси приточного наружного воздуха будет: (формула) Соединяем т. КY и т. ВХ и при пересечении с I_К = 31,3 кДж/кг получим т. СМ с температурой t_СМ = 15,5°C. Вычисляем требуемую величину E_а для расчетного режима: (формула) Эффективность принятого к применению в центральном кондиционере блока адиабатного увлажнения выше определена E_а = 0,9. Вычисляем получаемую температуру приточного воздуха после адиабатного увлажнения смеси приточного воздуха: T_AY = t_CM – E_a(t_CM – t_KM)= 15,5 – 0,9(15,5 – 11)= 11,5°C. По построению на рис. 2 видно, что параметры воздуха в зоне нахождения посетителей в музее отвечают нормируемым значениям для холодного периода года. Выводы: 1. Для обеспечения нормируемых параметров воздуха в залах экспозиции музеев реализация энергосбережения достигается благодаря применению многозональных СКВ. 2. Обеспечение санитарных норм подачи приточного наружного воздуха при изменяющемся числе посетителей экспозиций музея достигается применением центрального кондиционера с переменной рециркуляцией внутреннего воздуха. При максимальном числе посетителей центральные кондиционеры работают по прямоточной схеме. 3. Для зонального энергосберегающего регулирования температуры и влажности воздуха в зоне обитания посетителей рационально применение многозональной системы VRV с регулируемым расходом холодильного агента.

1.СниП 23-01–99.Строительная климатология. — М.: ГУП ЦПП,2000. 2.Справочник проектировщика. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1. — М.:Стройиздат, 1992. 3.Daikin. Системы кондиционирования.Т. 2.VRV.Технический каталог. 4.Кокорин О.Я.Современные системы кондиционирования воздуха.— М.: Физматмет, 2003.