Энергосберегающие местно-центральные системы кондиционирования воздуха

Особенности применения и преимущества местно-центральных систем кондиционирования воздуха (СКВ) были изложены в работах [1-3]. Выделение влаги в воздух в служебных помещениях в административных зданиях наблюдалось только от людей и воспринималось санитарной нормой приточного наружного воздуха, подаваемого к соплам КНЭ-У от центральных кондиционеров. Центральные кондиционеры были собраны из секций, которые в те годы производились Харьковским котлорадиаторным заводом (будущим заводом «Кондиционер»).

Для очистки наружного приточного воздуха применялись масляные самоочищающиеся фильтры. В административных зданиях на Новом Арбате СКВ с КНЭ-У работает с 1968 года. В процессе длительной эксплуатации установлено, что масло с поверхности сетки фильтров испарялось. Это привело к осаждению испарившегося масла на стенках приточных воздуховодов и соплах КНЭ-У В 1996 году служба эксплуатации СКВ в административных зданиях приняла решение заменить доводчики КНЭ-У, так как в помещениях стал слышен шум при выходе приточного наружного воздуха из сопел. Проведённые замеры показали, что скорость выхода воздуха из сопел увеличилась до 18 м/с, что и вызывало шум. Бесшумная работа КНЭ-У обеспечивается при скоростях воздуха на выходе из сопел не выше 14 м/с. Было предложено прочистить сопла, что обеспечивало устранение загрязнения их выходных отверстий, и шумы от работы КНЭ-У прекратились. Реконструкция СКВ в этих зданиях коснулась только замены центральных кондиционеров и холодильных машин на современные аналоги [2].

Начиная с 1962 года непрерывно проводятся работы по совершенствованию местно-центральных СКВ с эжекционными доводчиками (ДЭ). В современных многокомнатных зданиях длина рабочей зоны может быть более 6 м, что требует применения дополнительных местных кондиционеров. Анализ результатов лабораторных и натурных исследований позволило создать оригинальную отечественную конструкцию эжекционного кондиционера ДЭ, который получил индексацию «энергосберегающий прибор отопления кондиционирования» — ЭПОК-180/60 [3] (рис. 3). Рекомендуемая производительность доводчика по приточному наружному воздуху при двухрядном расположении сопел с d_с = 6 мм составляет 180 м³/ч, при однорядном расположении сопел — 60 м³/ч [3].

Отличительными конструктивными особенностями ЭПОК-180/60 являются: забор эжектируемого внутреннего воздуха с поверхности остекления окна, под которым установлен ДЭ; подача приточного воздуха в рабочую зону обслуживаемого помещения со скоростью не более 0,5 м/с. При применении ЭПОК-180/60 длина обслуживаемой рабочей зоны помещения может достигнуть 15 м. Проектирование СКВ с применением ЭПОК необходимо начинать с анализа условий формирования теплового режима в обслуживаемых помещениях в холодный и тёплый периоды года.

Пример: в служебном помещении площадью 30,6 м² (3,4 X 9 м) работает три сотрудника, рабочие места которых имеют современное оборудование, потребляющее 150 Вт/ч электроэнергии. Общие выделения в тёплый период года от людей и служебного оборудование при t_в = 25 °C составляют, по явному теплу:

q_т.я = q_я.л + q_об = 3 × 70 + 3 × 150 = 660 Вт/ч, а по влаге: W_вл = w_вл.лL = 180 × 3 = 540 г/ч.

По рекомендации АВОК [4] в служебные помещения санитарная норма приточного наружного воздуха составляет 60 м³/ч на одного человека. Для рассматриваемого помещения:

L_пн = 60 × 3 = 180 м³/ч.

В тёплый период года в рабочей зоне от работы СКВ обеспечиваются комфортные параметры воздуха: t_в = 2523 °C, L_в = 60-40 % и d_в = 12,1 г/кг. Влагосодержание приточного наружного воздуха [г/кг] вычисляется по формуле:

где d_y — влагосодержание удаляемого из помещения воздуха, г/кг.

Изменение влагосодержания воздуха в обслуживаемом СКВ помещении в работах [2, 3] предложено оценивать через показатель вида:

где d_п — влагосодержание приточного от ЭПОК воздуха, г/кг.

Изменение температуры в помещении оценивается через показатель вида:

где t_п — температура приточного от ЭПОК воздуха, °C.

Для создания комфортных условий при подаче приточного воздуха в рабочую зону величина перепада температур (t_в - t_п) не должна быть более 5 °С [4].

В доводчике ЭПОК-180 коэффициент эжекции внутреннего воздуха через оребрённую поверхность встроенного теплообменника, по трубкам которого в тёплый период года проходит холодная вода, равен K_эж = l_п.эж/l_пн = 3.

С использованием показателя К_эж количество эжектируемого воздуха через теплообменник ЭПОК-180 составляет:

l_в.эж = К_эжl_пн = 3 × 180 = 540 м³/ч. Количество приточного воздуха в помещении от ЭПОК-180 равно:

l_п = l_в.эж + l_пн = 540 + 180 = 720 м³/ч.

Натурные испытания показали, что в офисных помещениях при выделении влаги только от людей соотношение количества поглощаемых влаговыделений в рабочей зоне помещения к общим влаговыделениям составляет около 0,46. С использованием графика на рис. 1.1 (стр. 6 [2]) находим K_ld = 2,1.

Количество влаги, поглощаемой в рабочей зоне, будет равно:

W_вл.р.з = 0,46W_вл = 540 × 0,46 = 249 г/ч.

Влагосодержание приточного воздуха от ЭПОК-180 должно быть:

Влагосодержание удалённого воздуха при K_ld = 2,1: d_у = d_п + K_ld(d_в – d_п) = 11,8 + 2,1 × (12,1 – 11,8) = 12,4 г/кг.

Все влаговыделения в СКВ с ЭПОК воспринимаются только /_пн. Для рассматриваемого помещения получим:

В центральном кондиционере приготовлена только санитарная норма приточного наружного воздуха L_пн [м³/ч] из расчёта на количество человек Л, работающих в обслуживаемых помещениях: l_пн = Л × 60 м³/ч.

В современных многокомнатных зданиях длина рабочей зоны может быть более 6 м, что требует применения дополнительных местных кондиционеров. Анализ результатов лабораторных и натурных исследований позволило создать оригинальную отечественную конструкцию эжекционного кондиционера ДЭ

Для расчётных параметров тёплого периода года в климате Москвы по новым климатическим нормам расчётная энтальпия наружного воздуха равна i_н = 57 кДж/кг. Начальная относительная влажность наружного воздуха менее 70 %, что позволяет в поверхностном теплообменнике охлаждать и осушать наружный воздух до L_ох = 92 %о [2]. На i-d-диаграмме (рис. 1) в месте пересечения d_ox = d_пн = 10 г/кг и L_ох = 92 % получим: i_oх = 40 кДж/кг и t_ох = 15 °С. Для рассматриваемого помещения расход холода на охлаждение l_пн = 180 м³/ч составляет следующую величину:

В климате Москвы в холодный период года расчётная температура наружного воздуха равна t_вн = -28 °C. В центральном приточном агрегате в две ступени (в установке утилизации с насосом циркуляции антифриза и в воздушном тепловом насосе) приточный наружный воздух нагревается до температуры t_пнх = +8 °C. Эжектируемый воздух в ЭПОК поступает с поверхности холодного остекления и имеет температуру, близкую к t_эж = 21 °C. В теплообменнике ЭПОК эжектируемый воздух нагревается до температуры порядка 23-30 °C. При смешении в ЭПОК можно получить температуру выше t_вх = 20 °С и компенсировать теплопотери.

На эжекцию к поверхности стекла поступает воздух из верхней зоны помещения, имеющий температуру не ниже t_в.зон = 23 °C. Проходя по поверхности холодного остекления, эжектируемый из верхней зоны помещения воздух охлаждается до температуры порядка 21 °C. В помещении с ЭПОК-180 это обеспечит отдачу тепла к холодному остеклению:

Поверхность остекления составляет S_ос = 6 м² и R_ос = 0,6 м²·°С/Вт. Расчётные теплопотери через остекление:

Теплопотери через остекление при применении ЭПОК-180 снижаются:

q_{т.ос.ЭПОК} = 480 – 366 = 144 Вт·ч.

Теплопотери через наружную стену с поверхностью 4,2 м² при R_ст = 3,1 составляют величину:

Общие расчётные теплопотери через стену и окно при применении ЭПОК-180 в офисном помещении:

q_т.пот = 144 + 65 = 179 Вт·ч.

В холодный период года теплопритоки в рабочие часы поступают от офисного оборудования (до 40 % N_об) плюс явное тепло от людей. Общие теплопритоки:

q_т.я.х = 0,4 × 150 × 3 + 40 × 3 = 300 Вт·ч.

Теплоизбытки составляют:

Q_т.я.х = 300 – 179 = 121 Вт·ч.

Для удаления этих теплоизбытков в ЭПОК-180 приточный воздух должен поступать с температурой:

В ЭПОК-180 температура смеси:

На рис. 2 показано построение на i-d-диаграмме расчётного режима работы СКВ в холодный период года в климате Москвы. Расчётная температура t_нх = -28 °С в период отопительного сезона может удерживаться не более 60 ч. Основное время отопительного периода температура наружного воздуха значительно выше. Средняя температура наружного воздуха за отопительный период t_н.ср.от = -3,1 °С. Средние теплопотери через стены и окна ниже и равны:

Через остекление теплопотери составляют величину:

При поступлении к холодному остеклению эжектируемого в ЭПОК-180 воздуха с t_y.х = 23 °С, охлаждённым им на 2 °С, к остеклению может поступать 366 Вт·ч тепла, что устраняет теплопотери через остекление. Служебное оборудование в рабочие часы обычно загружено на 100 %, и тепловыделения от него поступают в помещение в количестве 450 Вт·ч. Общие тепловыделения в холодный период года могут быть не менее: Q_т.пр.х = 450 + 40 × 3,0 = 570 Вт·ч.

В солнечные дни через остекление может поступать теплота проникающей солнечной радиации. Поэтому нагрев эжектируемого воздуха в ЭПОК-180 не требуется. Излишки теплопоступлений могут отводиться приточным наружным воздухом в количестве:

Благодаря нагреву в приточном агрегате санитарной нормы наружного воздуха только до температуры t_пнх = 8 °С удаётся сократить расход тепла в приточном агрегате и одновременно не допускать перегрева помещений. При подаче в первичную камеру ДЭ (t_пнх = 8 °С и смешение в ЭПОК эжектируемого воздуха с остекления t_в.эж = 21 °С) обеспечивает комфортную температуру приточного воздуха, которая может быть равна:

перепад температуры в рабочей зоне помещения между приточным и внутренним воздухом будет Δt_пх = 20 - 17,8 = = 2,2 °С, что меньше допустимых 3 °С.

В летний период охлаждённый и осушенный в центральном кондиционере наружный воздух воспринимает все влаговыделения в рассматриваемом помещении и поглощает часть явных теплоизбытков. Температура охлаждённого наружного воздуха на выходе из сопел на 1 °С выше t_ох = 15 °С.

Количество поглощаемых теплоизбытков составит:

Общие расчётные теплоизбытки в помещении состоят из тепловыделений от людей и технологического оборудования, и выше они вычислены в 660 Вт·ч. Теплопритоки через окна и стены рассчитываются по традиционной методике и для рассматриваемого помещения равны 800 Вт·ч. Общие теплопритоки в помещении равны q_тя = 660 + 800 = 1460 Вт·ч.

Охлаждённый наружной воздух способен воспринять 732 Вт·ч, поэтому в теплообменнике ЭПОК-180 должны восприниматься холодной водой остальные теплоизбытки:

q_{т.я.ЭПОК} = 1460 – 732 = 728 Вт·ч.

На эжекцию к теплообменнику ЭПОК поступает воздух с поверхности стекла, нагретого солнечной радиацией до температуры 29 °C. Для восприятия теплоизбытков в 728 Вт·ч количество эжектируемого воздуха в 540 м³/ч должно быть охлаждено до температуры:

В смесительной камере ЭПОК-180 смешивается охлаждённый наружный и эжектируемый воздух, и температура смеси составит:

Температура t_п = 22,7 °С не ниже принятой в расчётах 20 °С, что обеспечивает комфортное воздухораспределение.

На функционирование местно-центральной СКВ с ЭПОК-180 расход электроэнергии связан с центральным кондиционером и работой холодильной машины. На рис. 1 представлено построение на i-d-диаграмме влажного воздуха расчётного режима работы местно-центральной СКВ с ЭПОК-180 в офисном помещении. В журнале АВОК [5] опубликован материал о местно-центральных СКВ с вентиляторными доводчиками (фанкойлы). По сравнению СКВ с ЭПОК системы с вентиляторными доводчиками имеют следующие недостатки:

• срок непрерывной работы электровентиляторных групп из-за износа подшипников скольжения ограничивается восемью годами, так как при износе подшипников появляется шум, и необходимо заменять электровентиляторные группы на новые, что требует дополнительных затрат до 60 % от первоначальной стоимости;
• на работу СКВ с вентиляторными доводчиками требуется больше затрат электроэнергии по сравнению с СКВ, оснащёнными ЭПОК, при одинаковых расчётных количествах тепло- и влаговыделений в обслуживаемых помещениях;
• удаление влаговыделений в помещении производится в теплообменнике вентиляторных доводчиков, что требует сооружения линии канализационных труб от поддонов теплообменников, а следовательно, удорожает и осложняет надёжную эксплуатацию системы;
• в работе [5] оговорено, что СКВ с вентиляторными доводчиками нельзя обеспечить постоянство температуры и влажности воздуха в помещении.

Широкое применение традиционных систем отопления с конвекторами в качестве приборов отопления приводит к тому, что теплопотери через остекление возрастают

В холодный период года применение ЭПОК обеспечивает снижение расходов тепла до 50 %. На рис. 3 показана принципиальная схема применения ЭПОК в СКВ. Благодаря эжекции в ЭПОК с поверхности холодного остекления окна, на место холодного воздуха из верхней зоны помещения поступает тёплый воздух с t_y = 23-20 °С t_вх = 20 °С). Это позволяет обеспечить отдачу тепла от верхней зоны помещения и увеличить температуру остекления, что приведёт к снижению теплопотерь через остекление. По современным требованиям по теплозащите зданий термическое сопротивление стен увеличено более чем до 3 м²·°С/Вт, но окон — только до 0,6 м²·°С/Вт. Окна остаются наиболее значимым звеном в конструкции зданий при определении теплопотерь, которые нужно компенсировать работой систем отопления.

Широкое применение традиционных систем отопления с конвекторами в качестве приборов отопления приводит к тому, что теплопотери через остекление возрастают. Это обусловлено наличием струи нагретого в конвекторе внутреннего воздуха, который поднимаясь с температурой 40/50 °С и перекрывает зону остекления. Перепад между наружным воздухом расчётной температурой для климата Москвы t_нх = -28 °С и комфортным t_в.х = 20 °С возрастает:

t_в.х – t_н.х = 40 + 28 > 20 + 28 °C.

Из примера видно, что теплопотери возрастают. При применении ЭПОК в качестве прибора отопления по трубкам теплообменника проходят горячая вода, которая даже при расчётной t_п.х = -28 °С не будет выше 60 °С. Обычные режимы отопления требуют начальную температуру горячей воды не выше 45 °С.

На подающий трубопровод к теплообменнику ЭПОК устанавливается автоматический клапан, который изменяет расход горячей воды при отклонении t_в.х ≤ 20 °С, а летом изменяет расход холодной воды при изменении t_в > 25 °С.

Подача приточного воздуха от ЭПОК в рабочую зону, где находятся люди, повышает санитарно-гигиенические качества работы СКВ. Повышение температуры удаляемого из верхней зоны помещения позволяет в холодный период года увеличить энергетическую эффективность работы системы утилизации выбросного тепла на нагрев приточного наружного воздуха [2, 3].