Энергосберегающие методы охлаждения помещений

Необходимо отметить, что монтаж на фасадах зданий компрессорно-конденсаторных блоков сплитсистем требует специального согласования и часто не разрешается из-за нарушения архитектурного облика здания. Они дороги и при работе потребляют значительное количество электроэнергии. Так, для охлаждения комнаты в 20 м2 необходимо затратить на оборудование и установку сплитсистемы более 30 000 руб. Оплата ежедневного расхода на электроэнергию при ее шестичасовой работе составит следующую сумму — до 20 руб/день.

Анализ изменения температуры и относительной влажности наружного воздуха в период жаркой погоды в летние сутки 2010 г. в климате г. Москвы показал, что температура изменялась от 17 °C в ночные часы до 34 °C в полуденные часы, а влагосодержание было постоянным и равнялось 7 г/кг. На рис. 1 наi–d-диаграмме показан суточный ход изменения параметров наружного воздуха по мокрому термометру от tнм = 12,5 °C в ночные часы до tнм = 18,3 °C в полуденные часы. Об экономических и энергетических преимуществах методов испарительного охлаждения воздуха подробно изложено в [1]. Компания ООО «Вента» разработала и серийно производит оригинальную конструкцию секции адиабатного увлажнения воздуха в орошаемом слое из профилированного ПВХ, что обеспечивает хорошую смываемость с поверхности пластин слоя оседающих из орошающей воды солей [2]. Секция адиабатного увлажнения может поставляться с глубиной орошаемого слоя в 100, 150 и 200 мм. Как видно из графика на рис. 2, это позволяет при постоянной скорости воздуха в фасадном сечении орошаемого слоя изменять эффективность адиабатного увлажнения, которая вычисляется по выражению:

где tн1, tнм — температура воздуха по сухому и мокрому термометрам на входе в орошаемый слой, °C; tн2 — температура воздуха по сухому термометру на выходе из орошаемого слоя, °C.



Из выражения (1) при известной эффективности Ea находится температура адиабатно увлажненного воздуха:

Рекомендуется скорость в живом сечении слоя до 2 м/с, что позволяет избежать уноса воздухом капель орошающей воды и удешевить конструкцию секции адиабатного увлажнения, которая будет поставляться для этих режимов работы без сепаратора (каплеуловителя). Одновременно будет достигаться достаточно высокий показатель эффективности Ea при малом аэродинамическом сопротивлении (рис. 2). Проведем оценку возможностей снижения температуры приточного наружного воздуха в режимах адиабатного увлажнения при глубине орошаемого слоя 200 мм и скорости воздуха в фасадном сечении 2 м/с, что позволяет в секции увлажнения, производимой компанией ООО «Вента» [2], получить Ea = 0,86 при аэродинамическом сопротивлении Δp = 59 Па (рис. 2). С 22:00 до 9:00 температура наружного воздуха изменялась с 17 °C до 25 °C. При tн1 = 17 °C и tнм1 = 12,5 °C по выражению (2) получим температуру адиабатно увлажненного наружного воздуха:
tн2 = 17 – 0,86 × (17 – 12,5) = 13,2 °C.

При tн1 = 25 °C и tнм1 = 15,3 °C и по (2) получим:
tн2 = 25 – 0,86 × (25 – 15,3) = 16,7 °C.

Примем, что приточный агрегат собран из современных конструкций центральных кондиционеров модели СТА [2] и включает секцию адиабатного увлажнения с Ea = 0,86. Приточный агрегат обслуживает на этаже сорок офисных помещений, каждое из них имеет площадь 20 м2, и в каждом постоянно работают три человека. По санитарным нормам в каждое офисное помещение должно подаваться приготовленного приточного наружного воздуха:


Начало рабочего дня в 9:00, а с 22:00 до 9:00 в помещениях нет людей, остановлено служебное оборудование, и нет поступлений через остекления окна солнечной радиации. При работе приточного агрегата за 11 ч нерабочего времени в помещение будет поступать санитарная норма адиабатного увлажненного воздуха со средней температурой притока tпн.ср = 15 °C (с учетом нагрева в приточном вентиляторе и воздуховодах на 1 °C). В полуденные часы при tн1 = 34 °C в зоне обитания людей температура воздуха по санитарным нормам должна быть не выше tв < 28 °C. Причем за дневные рабочие часы при наличии солнечной радиации пол и потолок в офисном помещении повысят температуру до tстр = 28 °C.

Масса железобетонных плит потолка и пола при их толщине d = 0,3 м, в расчете на офисный модуль площадью f = 20 м2, составит:


За одиннадцать часов подачи в офисные помещения адиабатно охлажденного приточного наружного воздуха с tпн.ср = = 15 °C будет восприниматься тепло от поверхностей пола и потолка, что повысит температуру вытяжного воздуха до ty = 26 °C. Ночное охлаждение строительных конструкций в офисном помещении составит:


Поверхность пола и потолка за период одиннадцать часов ночного охлаждения имеет температуру:


Приточный агрегат на 40 офисных помещений имеет следующую величину производительности:


Аэродинамическое сопротивление приточной сети 1000 Па. Потребляемая мощность электродвигателем приточного агрегата из расчета на одно помещение при КПД вентилятора 0,72 кВт⋅ч:


Аэродинамическое сопротивление вытяжной сети 600 Па. Потребляемая электродвигателем вытяжного вентилятора мощность (на одно помещение):


Насос секции адиабатного увлажнения потребляет 0,1 кВт⋅ч электроэнергии, или на одно помещение:


Общее потребление электроэнергии за одиннадцать часов ночной работы приточных и вытяжных систем на одно офисное помещение:



Энергетический показатель работы системы для ночного охлаждения офисного помещения имеет следующий вид:


Полученный энергетический показатель использования холода в СКВ при ночном охлаждении офисных помещений более, чем в два раза выше энергетических показателей использования в СКВ холода от работы холодильных машин.

В рабочие часы с 9:00 до 17:00 от одного сотрудника и используемого или служебного оборудования выделяется в помещение 340 Вт⋅ч тепла, и за 8 ч рабочего времени теплоприток составит 2720 Вт/день. Среднюю за восемь дневных часов поступления в помещения солнечную радиацию через остекление окна можно принять в расчете на одного человека 1060 Вт/(день⋅чел.).

Общие теплопритоки в офисное помещение при расчете на одного служащего за 8 ч рабочего времени:


Накопленный в строительных конструкциях ночной холод на одного работающего в помещении составляет:
qx.стр.чел = 4950/3 = 1650 Вт/(день⋅чел.).

Это указывает на необходимость подачи в офисное помещение в дневные часы дополнительного холода. Для получения дополнительного холода предлагается использовать новый способ двухступенчатого испарительного охлаждения приточного наружного воздуха.

В 1983 г. в служебном здании в Москве (ул. Большая Дмитровка, д. 26), ныне занимаемом Советом Федерации, впервые в СССР запущена система утилизации теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного наружного воздуха, которая работает в холодный и переходные периоды года.

По результатам расчетов и натурных наблюдений получено, что применение системы утилизации с насосной циркуляцией антифриза позволяет за 6885 ч работы системы в году при изменении температур наружного воздуха tнх в диапазоне от –28 °C до 14 °C достигать экономии тепла на нагрев 1 м3/ч приточного наружного воздуха в 20 кВт/(год⋅м3) [3].Для определения годового снижения расхода тепла на подогрев приточного наружного воздуха в работе [3] предложено использовать формулу:


Для рассматриваемых 40 офисных помещений Lпн = 7200 м3/ч. Системы притока и вытяжки включаются за два часа до начала рабочего дня и выключаются через один час после рабочего дня, т.е. время работы систем ВОК составляет tвок = 11 ч. По выражению (3) вычислим годовую экономию тепла от применения установки утилизации с насосной циркуляцией антифриза:

По тарифам 2010 г. в Москве 1 кВт тепла стоит 1,11 руб/кВт. Экономическая годовая эффективность от применения установки утилизации составляет:





Благодаря годовому снижению расхода тепла в системах ВОК установка утилизации с насосной циркуляцией антифриза окупается за один год. В здании Совета Федерации установка утилизации работает с 1983 г. до настоящего времени и ежегодно обеспечивает значительное снижение в оплате за расходуемое тепло от ТЭЦ, которое замеряется по счетчику на входном трубопроводе от теплосети в здание. В настоящее время по строительным требованиям применение установок утилизации с насосной циркуляцией антифриза в системах вентиляции зданий стало обязательным для проектов систем ВОК зданий в климате России. В теплое время года насос циркуляции антифриза в установке утилизации останавливается, теплообменники в приточном и вытяжном агрегатах полезно не используются и являются дополнительным аэродинамическим сопротивлением.

Предлагается на основе использования оборудования производства компании ООО «Вента» [2] применить установку утилизации в теплое время года для реализации двухступенчатого испарительного охлаждения приточного наружного воздуха. На рис. 3 представлена принципиальная схема предлагаемой энергосберегающей системы кондиционирования воздуха (СКВ) с круглогодовым полезным использованием установки утилизации. В приточном агрегате для круглогодового приготовления приточного наружного воздуха Lпн установлено следующее оборудование компании ООО «Вента» [2]: 1 — клапан; 2 — фильтр; 3 — теплообменник с теплотехнической эффективностью qtпн = 0,72; 4 — калорифер; 5 — секция адиабатного увлажнения с Ea = 0,86; 6 — приточный вентилятор.В вытяжном агрегате для круглогодовой обработки вытяжного воздуха Ly установлено следующее оборудование компании ООО «Вента» [2]: 2 — фильтр; 5 — секция адиабатного увлажнения с Ea = 0,86; 7 — теплообменник с теплотехнической эффективностью qtпн = 0,72; 8 — вытяжной вентилятор с клапаном. Теплообменник 3 на притоке и теплообменник 7 на вытяжке связаны трубопроводом 9 со смонтированными на них насосом 10 и расширительным герметичным баком 11. Теплообменники 3, 7 и трубопроводы 9 заполнены антифризом с температурой замерзания –40 °C. В холодный период года в вытяжной агрегат поступает вытяжной воздух с температурой ty1 не ниже 26 °C. По противоточной схеме от работы насоса 10 в теплообменник 7 поступает охлажденный в теплообменнике 3 антифриз tаф1 с температурой не ниже tаф1 ≤ –3 °C. От работы вентилятора 8 вытяжной воздух Ly с tyx1 ≥ 26 °C проходит со стороны оребрения трубок теплообменника 7 антифриз до tаф1 ≈ +3 °C. Охлаждение вытяжного воздуха в теплообменнике 7 рекомендуется ограничить температурой tyx2 ≥ 5 °C. Отепленный антифриз с температурой tаф2 = +3 °C поступает по противоточной схеме в трубки теплообменника 3 приточного агрегата, где обеспечивает нагрев приточного наружного воздуха Lпн до температуры tнx2. К калориферу 4 подается горячая вода Gwг через трехходовой автоматический клапан 13, в котором от работы насоса 14 смешивается горячая и обратная от калорифера 4 вода из трубопровода 15 до температуры twг1, которая необходима для получения требуемой температуры притока tпн. В теплый период года в вытяжном агрегате включается насос для орошения водой слоя в секции адиабатного увлажнения 5, что позволяет получить температуру вытяжного воздуха, вычисляемую по выражению:ty2 = ty1 – Ea(ty1 – tyм1), °C. (4)На рис. 4 показано построение на i–d-диаграмме режима работы СКВ в теплый период года при tн1 = 34 °C, ty1 = 29 °C и tyм1 = 20,8 °C по схеме двухступенчатого испарительного охлаждения приточного наружного воздуха. По выражению (4) находим:ty2 = 29 – 0,86 × (29 – 20,8) = 22 °C.В трубках теплообменника 7 антифриз при прохождении со стороны оребрения трубок Ly с ty2 = 22 °C может охладиться до tаф2 = 24 °C, с которой от работы насоса 10 поступает по противоточной схеме в трубки теплообменника 3 в приточном агрегате. Преобразуем показатель теплотехнической эффективности теплообменников 3 для нахождения температуры охлаждения приточного наружного воздуха:
tн2 = tн1 – qtпн(tн1 – tаф2) = 34 – 0,72 × (34 – 24) = 26,8 °C.

На i–dдиаграмме при tн2 находим tнм2 = 16 °C. По выражению, аналогичному (2) и (4), вычисляем:
tн3 = 26,8 – 0,86 × (26,8 – 16,4) = 17,5 °C.

Температуре tн3 = 17,5 °C отвечает влагосодержание dн3 = dпн = 10,4 г/кг. От одного служащего при tв = 26 °C выделяется влаги Wвл = 120 г/ч на человека. Влаговыделения воспринимаются санитарной нормой приточного наружного воздуха Lпн, тогда влагосодержание удаляемого вытяжного воздуха будет [г/кг]:

Температура приточного воздуха с учетом нагрева в вентиляторе 6 будет рaвнa tпн = 17,5 + 1 = 18,5 °C.


Находим на i–d-диаграмме пересечение изотермы ty1 = 29 °C и dy1 = 12,1 г/кг, получим т. У1. Соединяем прямой линией точки ПН и У1. При пересечении прямой с tв = 26 °C получим ϕв = 56 %, что отвечает комфортным условиям для людей в помещении при tн1 = 34 °C. Рис. 4 показывает, что благодаря использованию в вытяжном агрегате секции адиабатного увлажнения конструкции ООО «Вента» [2] удается получить при сухом и жарком климате с температурой до tн1 = 34 °C комфортные параметры воздуха в обитаемой зоне помещения при реализации воздухообмена в помещении по схеме вытесняющей вентиляции (4). Поглотительная способность восприятию явных теплопритоков охлажденным в две ступени приточным наружным воздухом в расчете на одного служащего составляет:


Остающиеся теплопритоки на одного служащего:
Δqт.пр = 340 – 210 = 130 Вт⋅ч.

Выше показано, что благодаря ночному охлаждению строительных конструкций на одного служащего накоплено 1650 Вт холода. За 9 ч рабочего дня накопленный ночью холод на одного служащего составит:
qac.ночь.хол = 1650/9 = 183 Вт⋅ч.

Этого холода более чем достаточно для компенсации qт.пр = 130 Вт⋅ч, что указывает — ночного и дневного холода хватает для поддержания комфортных параметров воздуха в зоне обитания людей в офисном помещении без применения холодильных машин. Использование нового принципа обеспечивает значительную экономию в капитальных затратах на сооружение СКВ и снижение расхода электроэнергии и тепла при круглогодовой работе. Авторы готовы разработать проекты энергосберегающих СКВ в различных зданиях.

1. Кокорин О.Я Испарительное охлаждение для целей кондиционирования воздуха. — М.: Стройиздат, 1965.
2. Интернет-ресурс www.ventaair.ru.
3. Кокорин О.Я. Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха (Систем ВОК). — М.: Проспект, 1999.
4. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. — М.: Физматлит, 2003.