Рис. 1. Конструктивная схема утилизатора модели Econovent с вращающимся барабаном
Рис. 2. Построение на l–d-диаграмме режима работы теплоутилизатора Econovent
Рис. 3. Построение на l–d-диаграмме режима работы теплоутилизатора Econovent в СКВ офисного здания в московском климате
Рис. 4. Принципиальная схема полезного использования избыточного тепла в помещениях внутренней зоны общественного здания
Внутренняя зона здания не имеет наружных стен, и ее помещения не нуждаются в отоплении, а в них круглый год имеют место теплопоступления от освещения, работы служебного оборудования. Поэтому помещения во внутренней зоне здания круглый год нуждаются в охлаждении. В странах Западной Европы и США для охлаждения помещений внутренней зоны широко применяется метод, который получил термин Free Cooling (естественное охлаждение).
Зарубежные фирмы разработали и производят холодильные машины с режимом работы Free Cooling [1]. В климатических условиях Западной Европы и США при расчетных температурах наружного воздуха в холодный период года порядка tнх = –5 °C для снижения расхода тепла на нагрев холодного приточного наружного воздуха широко применяются теплоутилизаторы типа Econovent [2], конструктивная схема которого показана на рис. 1.
В кожухе 5 размещается барабан 1 глубиной 200 мм. Барабан 1 разделен перегородками на секторы 2, которые заполнены гофрированной насадкой 3. С помощью монтажных петель 4 теплоутилизатор устанавливается в приточно-вытяжной агрегат. К верхней части кожуха 5 через фланец 8 присоединяется воздуховод поступления в барабан 1 теплого вытяжного воздуха температурой tу1; к нижней части кожуха 5 присоединяется воздуховод выхода из барабана 1 отепленного до температуры tнх2 приточного наружного воздуха Lпн.
От работы электродвигателя 10 через редуктор 11 вращается цепная передача 12, что обеспечивает вращение барабана 1. Во время нахождения барабана 1 в верхней части кожуха 5 тепло от вытяжного воздуха передается на нагрев насадки 3 и вытяжной воздух понижает температуру до tу2. При перемещении вращающегося барабана 1 в нижнюю часть кожуха 5 нагретая насадка 3 передает тепло на нагрев приточного наружного воздуха, который увеличивает температуру до tнх2. Температурная эффективность нагрева приточного наружного воздуха в насадке теплоутилизатора по схеме на рис. 1 оценивается показателем [2]:
Обычно показатель равен Qt.yy = 0,7. Из преобразованного выражения (1) вычислим температуру [°C] нагрева холодного приточного наружного воздуха утилизованным теплом при tу1 = 20 °C, характерных расчетных температурах наружного воздуха в Западной Европе зимой tнх = –5 °C: tнх = Qt.yy(tу1 – tнх1) + tнх1 = 0,7 × (20 + 5) – 5 = 12,5. На рис. 2 представлено построение на l–d-диаграмме расчетного режима работы теплоутилизатора по схеме на рис. 1 в системе кондиционирования воздуха (СКВ) в общественных зданиях в климате Западной Европы. Расход вытяжного воздуха из обслуживаемого СКВ помещения на 10 % процентов меньше приточного наружного Lу = 0,9Lпн. Вычисляем из уравнения теплового баланса температуру вытяжного воздуха после теплоутилизатора [°C]:
Из построения на l–d-диаграмме рис. 2 видно, что процесс охлаждения вытяжного воздуха на холодной гофрированной поверхности насадки во вращающемся барабане протекает при постоянном влагосодержании. Нагрев приточного наружного воздуха утилизируемым теплом вытяжного воздуха до tнх2 = 12,5 °C позволяет подавать его в верхнюю часть помещения через смесительный воздухораспределитель без подогрева в калорифере. На поверхности гофрированной насадки 3 (рис. 1) нет конденсата, и отсутствует опасность замерзания сконденсировавшейся воды в потоке холодного наружного воздуха с положительной средней температурой [°C]:
при прохождении через насадку во вращающемся барабане. Из построения на рис. 2 следует, что приточный наружный воздух с tнх2 = tпнх = 12,5 °C может поглотить в офисном помещении удельные теплопритоки [Вт⋅ч]:
Примем lпн = 1 м3/ч и ρпн = 1,26 кг/м3 и по формуле (2) получим [Вт⋅ч/м3]:
Примем, что СКВ работает в офисном здании. На одного человека в офисное помещение санитарная норма приточного наружного воздуха lпн = 60 м3/ч⋅чел. От человека при tвх = 20 °C и выполнении легкой работы выделяется: явного тепла qт.я = 100 Вт⋅ч/чел. и влаги и 75 г/ч⋅чел. На служебном месте одного сотрудника от служебного оборудования выделяется 200 Вт⋅ч/чел. явного тепла. Вычислим ассимиляционную способность санитарной нормы приточного наружного воздуха [Вт⋅ч]:
Общие теплопритоки [Вт⋅ч]: 100 + 200 = 300. Количество остающихся тепловыделений, которые необходимо дополнительно отводить [Вт⋅ч]: Δqас = 300 – 157,5 = 142,5. Зимой в помещении будут трансмиссионные теплопотери, которые могут быть компенсированы остающимися теплоизбытками. Если теплопритоки больше трансмиссионных теплопотерь, то остающиеся теплоизбытки поглощаются либо увеличением lп > lпн.мин, т.е. lп > 60 м3/ч⋅чел., либо установкой в помещении местного охладителя рециркуляционного воздуха.
Второй способ применяется наиболее часто, т.к. позволяет зимой в местном охладителе использовать воду, охлажденную от холода наружного воздуха методом Free Cooling, а летом направлять в теплообменник местного агрегата холодную воду, получаемую от работы холодильной машины, что позволяет охлаждать офисное помещение.
Для отведения тепловыделений из помещений внутренней зоны здания служит приточный наружный воздух, подаваемый через смесительные воздухоохладители при tпн = tн2 = 12,5 °C и от работы местных охладителей с теплообменником, в который подается охлажденная вода методом Free Cooling. Схемы использования холода наружного воздуха этим методом подробно описаны в работе [3] по схеме на рис. 5.2. Применение метода Free Cooling в странах Западной Европы вполне оправдано по двум причинам:
- отсутствие водяного пара на поверхности высокоэффективных теплоутилизаторов создает безопасные и надежные условия их применения в климате с достаточно высокими температурами наружного воздуха в холодный период года;
- нагрев в высокоэффективном теплоутилизаторе холодного приточного воздуха до сравнительно высоких положительных температур создает условия энергетической нецелесообразности использовать этот воздух для охлаждения воды в режиме Free Cooling.
Совершенно другие климатические условия имеют место в большинстве климатических районов России. Поэтому перенесение опыта применения режимов Free Cooling в странах Западной Европы и США на СКВ в России становится энергетически затратным. В современных общественных зданиях теплоизбытки в холодный период года могут достигать сотен киловатт-час. Так, например, в торговом центре, описанном в [3] в табл. 5.1 на стр. 67 показано, что зимой потребность в холоде помещений внутренней зоны составила 272,8 кВт⋅ч.
Все это избыточное тепло методом Free Cooling выбрасывается в атмосферу. Поэтому применение метода Free Cooling в СКВ общественных зданий, сооружаемых для применения в суровом климате России, ведет к большим потерям энергии. К сожалению, все проекты общественных зданий, построенных в России по проектам зарубежных фирм, реализуют методы проектирования, которые оправданы для зим с расчетной температурой tнх = –5 °C, но совершенно не обеспечивает энергосбережения и экологичности в климате большинства районов России.
Более того, в журналах продолжаются публикация работ, рекламирующих целесообразность применения в климате России методов Free Cooling [5]. Для г. Москвы расчетная температура наружного воздуха зимой tнх1 = –28 °C. Оценим режим работы утилизатора типа Econovent в офисном здании при tух1 = 20 °C. Теплотехническая эффективность Qt.уу = 0,7: tнх2 = 0,7 × (20 + 28) – 28 = 5,6 °C. Вычислим температуру вытяжного воздуха после теплоутилизатора [°C]:
На рис. 3 на l–d-диаграмме показан режим работы теплоутилизатора Econovent в холодный период года в климате Москвы. Из построения видно, что извлечение тепла из вытяжного воздуха происходит со значительной конденсацией водяных паров на холодной насадке барабана. В вытяжном воздухе всегда содержится повышенная концентрация вредных газов, выделяющихся от людей, отделочных и строительных материалов. Большинство вредных газов хорошо растворяется в воде.
Поэтому водяной конденсат на поверхности насадки во вращающемся барабане будет содержать растворенные в воде вредные газы. При вращении барабана насадка из зоны прохождения вытяжного воздуха Lу перемещается в зону прохождения холодного приточного наружного воздуха Lпн, средняя температуру которого в климате Москвы [°C]:
и парциальное давление водяных паров в потоке наружного воздуха Lпн меньше парциального давления при средней температуре вытяжного воздуха. Поэтому водяной конденсат с поверхности насадки будет испаряться в приточный наружный воздух Lпн. Вместе с водяными парами при испарении конденсата с поверхности насадки в поток приточного свежего наружного воздуха Lпн будет переходить и растворенные в воде вредные газы.
Это приведет к загрязнению приточного наружного воздуха вредными газами и значительному понижению его санитарно-гигиенических качеств. Второй особенностью процессов по построению на рис. 3 является то, что водяной конденсат на поверхности насадки вращающегося барабана будет контактировать с наружным воздухом со значительной отрицательной температурой. Это приведет к замерзанию конденсата и накоплению льда на насадке.
Оба этих отрицательных фактора, показанные по построению на рис. 3, позволяют сделать вывод, что при низких отрицательных температурах наружного воздуха, которые характерны для большинства климатических районов России, теплоутилизаторы по схеме на рис. 1 применять не рекомендуется. Наиболее надежной в климате России является установка утилизации с насосной циркуляцией антифриза. В работе [4] проведен расчет количества утилизируемого тепла в установке и предложена формула для расчета количества утилизированного за год тепла [кВт/год]:
Удельный показатель 20 кВт/(м3⋅ч) вычислен по длительности стояния различных tнх. Расчета приведены в таб. 2.1 [4]. Впервые в Москве в 1983 г. система утилизации с насосной циркуляцией антифриза запущена в работу в офисном здании на ул. Б. Дмитровка, д. 26 (сейчас в этом здании располагается Совет Федерации). Установка успешно работает и в настоящее время. Производительность по приточному воздуху приточных систем в здании Совета Федерации равна Lпн = 260 тыс. м3/ч. Системы в сутки работают tво = 10 ч. По формуле (3) получим [кВт/год]:
По тарифам 2011 г. 1 кВт тепла от ТЭЦ стоит в Москве 1,3 руб/кВт⋅ч. Стоимость полученного за год в установке утилизации тепла [руб/год]: Ст.уу = 2 166 666 × 1,3 = 2 816 666. Конечная температура наружного воздуха после установки утилизации с насосной циркуляцией антифриза вычисляется для условий надежной работы при ограничении температуры охлажденного вытяжного воздуха tух2 = +5 °C [4]. Величина tнх2 после установки утилизации обычно составляет около –12 °C.
Поэтому наружный воздух после нагрева теплом вытяжного воздуха только до tнх2 = –12 °C располагает значительной охлаждающей способностью, которую в работе [3] предложено использовать вместо традиционного метода Free Cooling. На рис. 4 представлена принципиальная схема использования холода приточного наружного воздуха для поглощения теплоизбытков в помещениях общественных зданий. В приточном агрегате после фильтра установлен теплообменник 1, который служит для нагрева Lпн от отепленного до tаф1 антифриза Gаф в двух ступенях утилизации.
Первая ступень нагрева антифриза утилизуемым теплом вытяжного воздуха Lу в теплообменнике 2, располагаемом после фильтра в вытяжном агрегате. Вторая ступень нагрева антифриза в пластинчатом теплообменнике 3 от тепла, извлекаемого в теплообменниках 4 местных охладителей рециркуляционных агрегатов вентиляторных (ВД) или эжекционных (ДЭ). В теплообменники 4 зимой поступает охлажденная вода с tw1 = 9 °C. Вода Gw в теплообменнике 4 повышает температуру до tw2 = 14 °C и насосом 5 подается на охлаждение в пластинчатый теплообменник 3.
Насос 6 обеспечивает циркуляцию антифриза Gаф через теплообменники 1, 2 и 3 двух ступеней утилизации сбросного тепла. При повышении температуры наружного воздуха количество утилизуемого в двух ступенях тепла будет излишним, и это приведет к повышению twx > 9 °C, контролируемой датчиком 8. От датчика 8 последует сигнал на трехходовой автоматический клапан 7, который увеличивает поступление холодного антифриза с температурой tаф2 в пластинчатый теплообменник 3, что приводит к понижению twх до 9 °C.
При повышении tн > 5 °C холода Lпн будет недостаточно для получения twх = 9 °C, и произойдет автоматическая перенастройка датчика 8 на поддержание twх = 13 °C. При tн > 10 °C холода Lпн будет недостаточно для получения в теплообменнике 3 охлажденной до 13 °C воды. Датчик 8 подает команду на остановку насоса 6, открытие клапанов 12 и закрытие клапана 14, пуск компрессора холодильной машины (ХМ), пуск насоса 10. Отепленная вода tw2 будет поступать на охлаждение в испарителе 9 ХМ.
Датчик 8, контролируя twх = 13 °C, будет воздействовать на автоматический клапан 11. Проведем анализ работы энергосберегающей СКВ офисного здания по схеме на рис. 4. В периметральных помещениях офисного здания, которые нуждаются в отоплении в холодные зимние дни в ночные часы, под окнами в месте традиционных отопительных приборов (конвекторов или радиаторов) установлены доводчики эжекционные модели ДЭ-1-6-180 [3].
В офисном помещении работает три человека, и поэтому к ДЭ подается приготовленная санитарная норма приточного наружного воздуха в количестве [м3/ч]: lпн = 3 × 60 = 180. Приточный воздух поступает от ДЭ в рабочую зону по условиям тепловой комфортности для людей с температурой притока зимой не ниже tпх ≥ 17 °C; летом tп ≥ 20 °C. Это обеспечивает комфортное воздухораспределение холодного приточного воздуха. Вытяжка отепленного, влажного и загазованного воздуха осуществляется под потолком в количестве lу = 0,9lпн. Температура вытяжного воздуха вычисляется по формуле [°C]:
tу = KLt (tв – tп) + tп. (4)
В холодный период года в рабочей зоне офисного помещения поддерживается tвх = 20 °C и приток tпх = 17 °C. Показатель эффективности организации воздухообмена при подаче tп в рабочую зону для офисных помещений KLt = 2,2. По формуле (3) для холодного периода года получим [°C]: tух1 = 2,2 × (20 – 17) + 17 = 23,6. К соплам ДЭ можно подавать зимой tпнх = 8 °C и при коэффициенте эжекции K7 = 2,8 получить температуру притока [°C]:
что близко к комфортной 17 °C, поэтому уточнений не проводим. Вычисляем количество явных теплопритоков, воспринятых в офисном помещении приточным наружным воздухом на одного сотрудника [Вт⋅ч]:
Выше было определено, что тепловыделение в офисном помещении на одного сотрудника составляет 300 Вт⋅ч/ чел. Следовательно, в офисное помещение не требуется подводить дополнительный холод, т.к. холода от наружного приточного воздуха достаточно для ассимиляции тепловыделений. Для компенсации трансмиссионных теплопотерь к теплообменнику ДЭ зимой подается горячая вода twг = 40 °C для нагрева эжектируемого внутреннего воздуха.
Нагрев воздуха зимой требуется в ночные часы, когда в помещении нет людей, и не работает служебное оборудование, потребляющее электроэнергию, переходящую в тепло. В теплообменнике 2 вытяжного агрегата (рис. 4) вытяжной воздух охлаждается до tух = 5 °C. Вычислим количество извлеченного тепла из вытяжного воздуха, в расчете на одного сотрудника в помещении [Вт⋅ч]:
Во внутренней зоне офисного здания располагаются наиболее энергопотребляющие служебные аппараты, работает освещение, но людей очень мало. Это определяет тепловыделения на одного служащего порядка 900 Вт⋅ч/ч. Во внутренней зоне для притока санитарной нормы 60 м3/ч⋅чел. наружного воздуха применены доводчики эжекционные (ДЭ), смонтированные за подвесным потолком. Поэтому приток и вытяжка осуществляются из верхней зоны помещения и tух1 = tвх = 20 °C. От приточного воздуховода к ДЭ поступает tпнх = 8 °C и количество явных тепловыделений поглощаемых вытяжным воздухом составит [Вт⋅ч]:
Кроме ДЭ во внутренней зоне офисного здания применены вентиляционные доводчики (ВД), также смонтированные за подвесным потолком. В теплообменниках ДЭ и ВД для восприятия холодной водой остается тепловыделений [Вт⋅ч]: qох.т.д7 = 900 – 218 = 682. Теплотехническая эффективность теплообменника ДЭ тогда получается равной Qt.д7 = 0,5 и холодная вода имеет зимой температуру tw1 = 9 °C.
Вычислим температуру охлажденного в теплообменнике ДЭ рециркуляционного эжектируемого воздуха [°C]: tох.т.д7 = tвх – Qt.т.д7(tвх – tw1) = = 20 – 0,5 × (20 – 9) = 14,5. Расход эжектируемого рециркуляционного воздуха через теплообменник ДЭ lв.7 = lпнKэ = 60 × 2,8 = 168 м3/ч. Вычисляем количество воспринятого явного тепла в теплообменнике ДЭ [Вт⋅ч]:
Для теплообменников ВД остается количество тепловыделений [Вт⋅ч]: qох.т.вд = 682 – 308 = 374. Вычисляем температуру приточного от ДЭ воздуха [°C]:
При подаче холодного приточного воздуха сверху допустим перепад до Δtп = 8 °C. От ДЭ перепад будет [°C]: Δtп.д7 = 20 – 12,8 = 7,2, что допустимо. Принимаем перепад приточного воздуха от ВД также Δtп = 7,2 °C. Требуемая производительность по охлажденному в теплообменниках ВД рециркуляционному воздуху [м3/ч]:
Требуемая теплотехническая эффективность теплообменника ВД при tw1 = 9 °C:
Вычисляем количество утилизированного тепла от вытяжного воздуха из внутренней зоны для tух1 = tвх1 = 20 °C при tух2 = 5 °C [Вт⋅ч]:
Общее количество утилизированного тепла в теплообменнике 2 из вытяжного воздуха из периметральных помещений и из внутренней зоны офисного здания в расчете на одного сотрудника [Вт⋅ч]: Σqт.уу = 338 + 275 = 613. В пластинчатом теплообменнике 3 от отепленной воды после теплообменников ДЭ и ВД к антифризу передано тепла: 682 Вт⋅ч. Утилизированное тепло в теплообменнике 2 в количестве 613 Вт⋅ч и 682 Вт⋅ч в теплообменнике 3 обеспечит нагрев 120 м3/ч приточного наружного воздуха до температуры [ °C]:
В калорифере приточного агрегата потребуется затратить тепла в расчете на двух сотрудников (один в периметральной зоне, а второй сотрудник — во внутренней) [Вт⋅ч]:
Без полезного использования тепловыделений во внутренней зоне офисного здания на нагрев Lпн потребуется затратить тепла в калорифере приточного агрегата в расчете на двух сотрудников. Расчетная температура [°C]:
Расход тепла в традиционной СКВ больше по сравнению со схемой на рис. 4:
В 2006 г. под руководством проф. Кокорина О.Я. разработан проект и построена СКВ с двухступенчатой утилизацией выбросного тепла по схеме на рис. 4 в торговом центре «Солнечный рай» [3]. По первоначальному проекту утилизация выбросного тепла не производилась, и для СКВ требовалось построить крышную котельную мощностью 4,3 МВт тепла на газовом топливе.
Проект энергосберегающих СКВ по схеме на рис. 4 позволил построить крышную котельную мощностью только 1,3 МВт. Энергосберегающая система СКВ в торговом центре «Солнечный рай» успешно работает и, благодаря снижению расхода газа в четыре раза, полностью себя окупила. Выводы таковы. К сожалению, в технической литературе и проектах СКВ продолжается применение системы Free Cooling в климате России.
Для стран Западной Европы и США при расчетных температурах наружного воздуха зимой порядка tнх = –5 °C применение системы Free Cooling энергетически оправдано. В климате большинства районов России расчетные температуры наружного воздуха значительно ниже, например, для Москвы tнх = –28 °C. Для условий суровых зим энергетически и экономически наиболее целесообразно использование энергетически эффективного метода использования холода наружного воздуха по схеме на рис. 4.
