Общеизвестно, что локальное, а еще лучше — точечное воздействие оказывается зачастую значительно более эффективным для достижения заданного результата, чем общее. Тому немало примеров в инженерной практике — это и переход от центральных теплопунктов к индивидуальным (на дом или на подъезд), а в последнее время даже к квартирным теплопунктам, и все более широкое применение местной, порой индивидуальной вентиляции рабочих мест взамен или в дополнение к общеобменной вентиляции (в последнем случае резко снижаются требования к общеобменной вентиляции), и применение переносных вентиляторов, обеспечивающих охват струей воздуха одногодвух стационарных рабочих мест (в последние годы появились и вовсе удивительные вентиляторы — карманные, обеспечивающие не длительное и буквально точечное воздействие, например, на лицо человека). В этом же ряду стоят и настольные лампы или иные местные источники света — мало найдется людей, чей труд сопряжен с работой за рабочим столом и которые не используют в условиях пониженной освещенности настольные лампы или иные местные источники света. К сожалению, эти, ставшие уже аксиомой, правила обошли стороной кондиционирование (в данной статье под термином «кондиционирование» понимается тепловая обработка воздуха). В области кондиционирования по-прежнему основной принцип, как правило, выражается фразой «Или все, или ничего». Автор уже обращал внимание коллег на неявные, энергосберегающие, но на сегодня не используемые возможности локального летнего кондиционирования, базирующиеся на утилизации холода, привносимого в здания с водой хозяйственно-бытового назначения [1, 2, 3]. Такие устройства обладают небывало высокой энергетической эффективностью, являются в чистом виде энергосберегающим мероприятием и способны обеспечивать необходимое кондиционирование воздуха в заранее известных локальных зонах. Опытно-промышленные образцы этих устройств изготовлены, испытаны и успешно применяются по прямому назначению на предприятии-разработчике (ООО «Теплообмен») и еще на некоторых объектах. Однако при всей своей привлекательности они имеют два хоть и не фатальных, но очевидных недостатка. Во-первых, они не мобильны, т.е. их пространственное местоположение не может быть легко изменено и, более того, это местоположение не может даже изначально выбираться произвольно, т.к. связано с трассировкой трубопровода воды хозяйственно-бытового назначения. Во-вторых, на текущую холодопроизводительность этих устройств потребитель может воздействовать лишь частично, включая или отключая вентиляторы, прокачивающие воздух, однако хладоноситель (вода) поступает, подчиняясь своим правилам, диктуемым потребностями объекта в воде. Это исключает возможность независимого управления работой охладителя (конечно, определенная корреляция расхода хладоносителя и потребностей в охлаждении воздуха имеется, т.к. кондиционирование требуется тогда, когда в помещении находятся люди, а последнее предопределяет и расход воды, т.е. хладоносителя; здесь уместно отметить, что реальная эффективность этих устройств подтверждена в течение двухлетней эксплуатации по прямому назначению). Этой статьей автор хочет привлечь внимание специалистов-климатотехников, а также потенциальных потребителей к еще одному методу обеспечения локального энергосберегающего охлаждения воздуха (удивительно, но этот метод совершенно обойден вниманием специалистов — публикаций или докладов на эту тему не встречалось, а ведь он сулит существенные энергосберегающие и выгодные экономические перспективы). Причем этот метод полностью свободен от двух вышеуказанных недостатков предыдущего — он обеспечивает максимальную мобильность локального охлаждения и полную детерминированность работы охладителя только и исключительно потребностями в местном кондиционировании. Но не зря было сформулировано золотое правило механики: «Выигрываешь в силе — проигрываешь в расстоянии» (и наоборот). К сожалению, рассматриваемое ниже устройство, не имея двух вышеуказанных недостатков, уступает описанному в [1, 2, 3] водяному охладителю воздуха в энергетической эффективности, поскольку тот использует дармовой, бесполезно теряемый энергетический ресурс — привносимый холод воды хозяйственно-бытового назначения, а рассматриваемое в статье устройство использует специально выработанный для этого холод. Однако этот недостаток на поверку оказывается таковым лишь при сравнении с вышеупомянутым, изготавливаемым нами локальным водяным охладителем воздуха, но он из недостатка превращается в преимущество при сравнении его с традиционными, широко применяемыми кондиционерами. Причина этого превращения состоит как в специфике подхода к получению холода, необходимого для кондиционирования, так и в особенностях использования этого холода (особенности использования предопределяются принципом действия и конструкцией рассматриваемого ниже охладителя). Специфика подхода к получению холода, необходимого для кондиционирования Перед тем, как рассмотреть предлагаемое нами решение по энергосберегающему локальному кондиционированию, хочется акцентировать внимание читателя на двух явных недостатках ныне широко применяемого кондиционирования. Во-первых (это термодинамический недостаток), широко применяемые установки кондиционирования работают, используя в качестве стока тепла окружающую среду с повышенной температурой (речь в данном случае идет о дневной температуре наружного воздуха летом). Но ведь известно, что эффективность обратного термодинамического цикла тем хуже, чем выше температура нижнего теплового источника. Во-вторых (это экономический недостаток), для функционирования современных кондиционеров требуется, как правило, электроэнергия, которая в часы дневного максимума тарифицируется по наивысшему уровню. Нельзя не упомянуть еще раз и о том, что современные подходы к кондиционированию предполагают необходимость кондиционирования всего объема воздуха в помещении. Попытка избежать влияния этих негативных факторов на обеспечение комфортной температуры воздуха в рабочей зоне (т.е. на постоянном рабочем месте) или в месте преимущественного нахождения человека в быту, привела нас к созданию локального охладителя воздуха, принцип действия которого базируется на аккумулировании холода, необходимого для кондиционирования, ночью и передачи его потребителю днем. Очевидно, что для выработки того же количества холода ночью потребуется меньшее количество энергии, чем днем — причина термодинамическая и обусловлена она тем, что ночью ниже температура нижнего теплового источника. Но, мало того, что меньше потребуется энергии, так еще и платить придется за единицу потребленной энергии меньше — причина экономическая и обусловлена она снижением тарифа в часы ночного провала потребления электроэнергии. Суммируясь, эти два положительных фактора, способны дать значительный экономический эффект. А применение принципа локальной тепловой обработки воздуха вообще обещает свести к минимуму энергетические и экономические затраты, необходимые для поддержания комфортной температуры в заданных местах помещения. Впрочем, эти соображению являются более-менее очевидными и суть вопроса состояла в том, каким образом технически удобно реализовать этот постулат — выработка холода ночью для его полезного использования днем. Принцип действия и конструкция В качестве принципа реализации этого постулата представляется целесообразным опираться на процесс аккумуляции холода, использующий скрытую теплоту фазового перехода некоей рабочей среды. В частности, в качестве такой среды, как наиболее доступной и безопасной, может быть использована вода. Превращаясь ночью с помощью холодильной машины в лед, эта среда днем, тая и превращаясь в воду, будет отдавать накопленную ночью энергию (холод). Если принять во внимание, что теплота кристаллизации воды (таяния льда) составляет 80 ккал/кг, а также учесть, что, во-первых, лед может иметь исходную температуру не 0 °C, а значительно ниже (например, –12 °C или даже –18 °C — температура в морозильных отсеках современных бытовых холодильников) и, во-вторых, даже после завершения процесса таяния льда образовавшаяся вода может весьма эффективно охлаждать летний воздух как минимум до повышения ее температуры до 10–12 °C, то можно видеть, что 1 кг воды (льда) способен обеспечить накопление энергии, которую можно использовать для кондиционирования воздуха, в количестве примерно 110 ккал (около 130 Вт). На первый взгляд, это совсем немного. Но, во-первых, надо не забывать о предлагаемой стратегии — локальное кондиционирование, и, во-вторых, вполне удобно пользоваться переносным аккумулятором холода (картриджем), который будет весить не один, а два-три или даже четыре килограмма. Если принять вес такого картриджа на уровне 3 кг (такой вес картриджа не вызовет трудностей при его замене не только у мужчины, но и у женщины и при этом легко помещается в морозильном отсеке практически любого бытового холодильника), то мы будем располагать аккумулированной энергией, подлежащей полезному использованию, в количестве 330 ккал (более 380 Вт). Этого количества вполне достаточно для удовлетворительного кондиционирования в течение половины летнего дня рабочей зоны, площадью примерно 2 м2. Представляется не слишком большой платой за такое энергосберегающее кондиционирование осуществить в середине рабочего дня замену картриджа. Ниже приведено описание технической реализации вышерассмотренного подхода и результаты испытаний экспериментальных образцов. Для технической реализации мы приняли решение применить разработанные и серийно выпускаемые нашим предприятием высокоэффективные теплообменные аппараты ТТАИ, модифицировав их под стоящую задачу — картридж (на базе теплообменника ТТКИ), аккумулирующий холод и передающий его воздуху, помещается внутрь оболочки, снабженной вентилятором и, при необходимости, патрубком, подающим охлажденный воздух в нужном направлении (рис. 1). Было изготовлено два картриджа: один с внутренним объемом 2,9 л (диаметр обечайки 100 мм, высота 400 мм), второй с внутренним объемом 2,5 л (диаметр обечайки 150 мм, высота 160 мм). Конструктивно (фото 1) оба картриджа представляли из себя основной узел теплообменного аппарата ТТАИ (трубный пучок профилированных особо тонкостенных нержавеющих труб, закрепленных в обечайке из нержавеющей стали), но со специальным расположением трубок. Картриджи помещаются в оболочку, выполняющую как функцию несущей конструкции для вентилятора и для картриджа, так и функцию теплоизоляции последнего. Фотография одного из экспериментальных образцов в процессе испытаний приведена на фото 2.Результаты испытаний экспериментальных образцов приведены в табл. 1 и 2 (в целях экономии пространства журнальной страницы, в таблицах приведены не все снятые в процессе испытаний замеры, но при построении нижеприводимых графиков были использованы все экспериментальные точки).Для наглядности, полученные в ходе испытаний результаты (изменение холодильной мощности с течением времени) представлены в виде графиков на рис. 2 и 3. При рассмотрении графика, приведенного на рис. 2, обращает на себя внимание труднообъяснимое на первый взгляд увеличение мощности охладителя в диапазоне от 55 мин. с момента включения в работу до 175 мин. (менее явная, но качественно такая же картина наблюдается и в поведении кривой на рис. 3). Однако если соотнести во времени изменения мощности и температуры окружающего воздуха, то этому увеличению мощности находится вполне естественное объяснение — дело в увеличении в этот период времени среднелогарифмического температурного напора, вызванного полуденным ростом температуры окружающей среды. Для учета влияния на холодильную мощность этого роста температуры окружающего воздуха был осуществлен пересчет мощности, исходя из предположения неизменности в течение рассматриваемого интервала времени температуры окружающего воздуха. Графически результаты пересчета отображены на рис. 4 и 5. Следует отметить, что на рис. 4 и 5 представлены только части откорректированных по среднелогарифмическому температурному напору графиков рис. 2 и 3 — до 225 мин. Пересчет за отметку 225 мин. не выполнялся, т.к., судя по графикам рис. 2 и 3, где-то в районе 200–225 мин. в основном завершалось таяние льда и температура хладоносителя, находящегося в картридже, а значит, и температура стенки теплопередающих труб должны были начинать расти, что делает уже существенно некорректным пересчет среднелогарифмического температурного напора только путем корректировки входной температуры воздуха. Приведенные на рис. 4 и 5 откорректированные графики показывают монотонное снижение мощности по холоду, демонстрируемое охладителями в условиях неизменности температуры окружающего воздуха. Резкий подъем и столь же резкое падение мощности по холоду, прослеживаемое в обоих случаях во временном интервале от 10 до 25 мин., объясняется тем, что теплопередающие трубки картриджей, извлеченных из испарителя холодильника, имели температуру на уровне –18 °C, которая быстро повышалась вплоть до температуры, близкой к 0 °C, т.е. до температуры таяния льда. В дальнейшем, вплоть до примерно 200–225 мин., мощность по холоду монотонно, но не стремительно, уменьшается. В это время холодопроизводительность обеспечивается в основном процессом фазового перехода воды из твердого состояния в жидкое. Наблюдающееся при этом (до очередного очевидного увеличения динамики снижения в районе 225 мин.) гладкое и непрерывное снижение холодопроизводительности объясняется тем, что теплоперенос от тающего льда к поверхности теплопередающих трубок обеспечивается через все возрастающий слой талой воды, в котором, особенно до достижения ею температуры 4 °C, теплоперенос обеспечивается в основном за счет теплопроводности. Начиная примерно с 225–250 мин. от начала испытаний наблюдается очередное резкое изменение динамики падения холодопроизводительности, обусловленное практически полным завершением процесса таяния льда и абсолютным превалированием в процессе охлаждения воздуха процесса нагрева талой воды. Выводы Проведенные испытания наглядно продемонстрировали практическую возможность обеспечения локального энергосберегающего кондиционирования воздуха в летний период за счет аккумулированного в ночные часы холода и подтвердили эффективность применения в этих целях устройств, созданных на базе модифицированных теплообменных аппаратов ТТАИ. Проведенные нашим предприятием работы по изготовлению и испытанию экспериментальных образцов таких охладителей и полученные в ходе натурных испытаний результаты позволяют создавать такие устройства с наперед заданными характеристиками. Варьируя геометрическими размерами картриджей, а также количеством и расположением теплопередающих трубок, мы можем под заданную в каждом конкретном случае продолжительность работы, холодильную мощность и степень снижения температуры воздуха проектировать и изготавливать локальные охладители воздуха, функционирующие на холоде, выработанном в более благоприятных для его выработки условиях. Хочется подчеркнуть полную автономность работы такого охладителя воздуха в течение заранее известного промежутка времени и предопределенную этим его абсолютную мобильность. Также ценным положительным качеством такого энергосберегающего охладителя воздуха является его общедоступность и отсутствие необходимости выполнения каких-либо специальных подготовительных мероприятий — в любой семье или офисе имеется обычный бытовой холодильник, а размеры вышеописанных картриджей таковы, что они легко помещаются в испаритель бытового холодильника. 1. Барон В.Г. Водяной охладитель воздуха — эффективное средство энергосберегающего локального кондиционирования // Журнал «С.О.К.», №1/2008. 2. Барон В.Г. Водяной охладитель воздуха — эффективное средство энергосберегающего локального кондиционирования // Теплоэнергоэффективные технологии, №1/2008. 3. Барон В.Г. Водяной охладитель воздуха — эффективное средство энергосберегающего локального кондиционирования // Энергосбережение (г. Донецк, Украина), №5/2008.