Автономность — это независимость от внешних источников теплоты и холода, и выражается она, прежде всего, в применении холодильной машины с хладоновым воздухоохладителем-испарителем, а еще фильтра, электронагревателя, режима теплового насоса, электроувлажнителя, т.е. все при необходимости.
Объекты, где применяют автономные кондиционеры, разнообразны: комнаты, квартиры, коттеджи, офисы, кафе, магазины, лаборатории, отдельные производственные помещения и др. Специальные автономные кондиционеры применяют для вычислительных центров, телекоммуникационных объектов, операционных, для кранов, на транспорте (автомобильном, железнодорожном речном и морском, в авиации) и др. объектах.
На протяжении десятилетий тема особенностей АК была мало отражена в отечественной литературе, кроме, пожалуй, книги А.А. Гоголина [4], а выпуск ограничивался бытовыми (БК), отчасти медицинскими (КМ) и транспортными (единичные образцы). Общепромышленные автономные кондиционеры (последнее название КПА1 и КПА2) выпускались небольшими для страны партиями, а их характеристики (надежность, моторесурс, акустика) часто не удовлетворяли даже среднего заказчика.
За последние 10-15 лет отечественный рынок существенно заполнился автономными кондиционерами разных производителей Европы, Азии и Америки. При внешней достаточности техниче¬ских характеристик многие особенности, однако, остаются вне поля зрения читателя, например:
□ непохожесть автономных кондиционеров на другие (неавтономные);
□ недостаток серьезной литературы для отечественного читателя [1, 2, 4];
□ квазистационарный характер протекания тепловлажностных процессов кондиционирования при релейных (Pc) регуляторах;
□ реально возникающая аккумуляция теплоты поверхностями ограждений и оборудования, зависящая от траектории струи, условий теплообмена (ак) и являющаяся предметом специальных исследований;
□ сложная зависимость холодопроизво- дительности испарителя ХМ от расходов и параметров сред на входе в испаритель и конденсатор.
Существенные достоинства АК — их полное агрегатирование, высокая монтажная готовность, минимум занимаемой площади, возможность размещения как в обслуживаемом помещении, так и вблизи его (в выгородке, зашивке, вспомогательном помещении, коридоре, на кровле, земле, площадке и др.). Кроме того, учитывают сравнительно низкую стоимость АК, укомплектованного самой дорогостоящей частью — холодильной машиной, по сравнению со стоимостью секционного кондиционера, отдельной водоохлаждающей машины (чиллера) и сопутствующих насосов, трубопроводов, бака, системы управления и др. элементов — примерно на 20-30 %о. Такие важные для применения и эксплуатации преимущества привлекают большое внимание к АК, особенно в действующих и реконструируемых объектах, где, как правило, ограничены свободные площади.
Известные и обычно постоянные характеристики (Lпр, Qт.эл, Gвл) основных аппаратов и нагнетателей, невозможность их целенаправленного изменения меняют характер подбора оборудования. Еще в более сложном режиме работает холодильная машина: на холодопроизводительность испарителя влияют расходы и температуры сред (воздуха, воды) перед испарителем и конденсатором. В итоге холодопроизводительность меняется, но не так, как это нужно потребителю холода, а по другому, по законам работы холодильной машины, что, безусловно, нужно учитывать при подборе АК. Для центрального неавтономного секционного кондиционера можно подобрать каждый аппарат, варьируя температуры (tw.см, tw.к), расходы теплохла-доносителя (Сшсм) и учитывая все факторы, определяющие расчетный расход теплоты или холода. tн.p, iн.p, Lн, Qизб и др. Это, если провести аналогию, напоминает пошив хорошего костюма по всем необходимым размерам (меркам) фигуры.
При использовании АК подбор — это в известном смысле примерка готового кондиционера (костюма) на объект (человека) с учетом ограниченной возможности что-либо изменить [4]. Эта проблема для специалиста остается, хотя техника развивается и среди опций (возможностей) АК можно встретить такие, как управление производительностью вентилятора, стабилизация производительности в условиях засорения фильтра, управление увлажнителем, ароматизация и др.
Несмотря на это существенные особенности АК, при подборе и поверочном расчете инженеры по инерции используют все те же процедуры и проемы, что и для центрального неавтономного секционного кондиционера. Хотя упомянутая аналогия с примеркой готового костюма может дать только один из двух ответов (подходит или не подходит), при подборе неравенствами не пользуются и это неправильно [1, 2]. Применять традиционные построения в поле i-d-диаграммы не совсем правомочно по таким причинам (их по крайней мере четыре).
Во-первых, обычный АК поддерживает в помещении только температуру воздуха tjj, влажность воздуха, как правило, неизвестна и может изменяться, хотя и находится обычно в комфортном интервале (40-60 %). Только в так называемых «прецизионных» кондиционерах влажность стабилизируется наряду с температурой воздуха с достаточно малыми отклонениями в объекте. Из всего этого следует, что ставить точку известного (при циклической работе — заданного или среднего при близких. полупериодах включения-выключения аппаратов) состояния воздуха и помещений - достаточно смелый шаг.
:: Рис. 1. График изменения температуры воздуха (по сухому и мокрому термометрам в течение рабочего дня в офисном здании, обслуживаемом центральной СКВ и автономным кондиционером по данным [3]) полупериодах включения-выключения аппаратов) состояния воздуха в помещении — достаточно смелый шаг.
Во-вторых, при релейном управлении нагревом, охлаждением-осушением и увлажнением воздуха возникают колебания (рис. 1), а полупериоды включения-выключения вовсе не равны. Они определяются соотношением потребления вещества или энергии к его выработке, например для процесса охлаждения (осушение — побочный для стабилизации t„ процесс):
это так называемый коэффициент влаговыпадения процесса «охлаждения осушения» в ВО-испарителе ХМ [4]. Определение ожидаемых амплитуд и периодов колебания температуры и влажности воздуха, с другой стороны, можно выполнить, как это принято, при релейном управлении оборудованием [5]. Для этого случая можно представить зависимости ожидаемых амплитуды и периода колебаний на примере температуры в помещении по данным:
где ko, to, To — принятые в теории управления коэффициент передачи, запаздывание и постоянная времени объекта, смысл которых зависит от изучаемого яв¬ления, конкретного аппарата и параметра регулирования, AGmax — максимальное абсолютное или относительное значение возмущающего или управляющего воздействий, соответственно. При расчетах по формулам (2) и (3) учитывают удаленность аппарата, в который вносится возмущение (нагреватель, охладитель, осушитель, увлажнитель), от помещения, где вычисляют интересующее изменение параметра во времени (£в, фв, йв), и соответствующую инерционность теплового или влажностного процесса. При этом запаздывание To носит характер транспортного и определяется как отношение расстояния от управляемого аппарата до датчиков в помещении к средней скорости воздуха по пути его движения. В расчетах по формуле (3) предполагают равенство полупериодов, которое зависит от условий работы объекта, циркуляции воздуха, условий конвективного теплообмена на поверхностях и поэтому соблюдается далеко не всегда.
При выборе АК учитывают принятое в холодильной технике расчетное значение bt = 0,7-0,8. Из-за неравенства полупериодов (Твкл, Твыкл) среднее за цикл значение температуры в помещении переменно и может изменяться в интервале
- зона неоднозначности Рс-регулятора, выбираемая с учетом частоты включения компрессора 1-3 °C. Под Рс-регулятором, как принято в теории автоматического управления понимают релейный (двух- или трехпозиционный) регулятор с постоянной скоростью перемещения иcполнительного механизма. Значит, как будто бы известная температура , средняя за цикл, может меняться даже на 3 °C, если сравнивать два крайних случая: непрерывная работа компрессора (потребление больше или равно выработке холода) или полное отключение компрессора (холод не нужен). Аналогичные закономерности наблюдаются при циклическом управлении электронагревателем (bt) и электроувлажнителем (bj или bd).
 |
Перечисленные здесь особенности оборудования АК и системы управления полезно учитывать на всех стадиях работы |
В-третьих, специфична оценка микроклимата помещения при колебании параметров воздуха в нем. В этом случае возникает так называемый динамический температурный режим (ДТР). Его оценивают импульсом отклонения температуры It, измеряемым в часоградусах и определяемым по формуле:
где fф коэффициент формы кривой tв(t), например, для полусинусоиды fф = 2/л; tп — период колебаний, ч; At — амплитуда колебания температуры, если кривая близка к синусоиде. Приведем пример фактически замеренных колебаний параметров воздуха в помещении, обслуживаемом автономным кондиционером.
Пример. Оценить и сравнить микроклимат помещений, создаваемый центральной СКВ и сплит-кондиционером на основе анализа статьи [3] и рис. 1, описывающего изменение температуры воздуха по сухому и мокрому термометрам по замерам в течение рабочего дня (с 09:00 до 18:30) в помещениях офисного здания в Гонконге.
Выполним только первичный качественный анализ кривых tв(т) и tв.м(т), не прибегая к гармоническому анализу [1]. При работе сплит-кондиционера кривые изменения неупорядочены, периоды непостоянны, максимальные (tв.mах
и tв.м.min) и минимальные (tв.min и tв.м.min) значения изменяются, а процесс только приближается к квазистационарно- му во второй половине дня. Изменение обоих кривых однотипно, т.е. моменты достижения максимальных и минимальных значений совпадают или, по крайней мере, близки. По данным рис. 1
по российским нормам не комфортно. Сравнение центральной СКВ и сплит- кондиционера по технико-экономическим (прежде всего энергетическим) показателям, приводимое авторами работы, неправомочно, т.к. эти системы поддерживают разные параметры. Так, центральная СКВ поддерживает (рис. 1) tв.cр - 24 °C; tв.м.cр = 20 °С, при этом фв.ср = 68 %, (тем более не комфортно).
В-четвертых, в целом привычный и знакомый процесс охлаждения-осушения в ВО-испарителе ХМ протекает и направлен в зависимости от начального состояния (наружного, рециркуляционного воздуха или их смеси), текущей холодо- производительности (а она даже при непрерывной работе компрессора отклоняется от паспортной на ± 20 %, а то и больше [1, 2, 4]). В этом принципиальное отличие хладоновых ВО от водяных или рассольных, где для стабилизации tв можно управлять температурой жидкости перед аппаратом, а при необходимости еще и расходом (ступенчато или плавно). Для построения процесса нужно знать теку¬щую холодопроизводительность и расход
охлаждаемого воздуха, начальное состояние воздуха (гн, fK), т.н. «байпас» — фактор BF (см. далее). Но даже этого не достаточно, поэтому конечное состояние воздуха непостоянно, если холодильная машина так или иначе управляется. В таком случае говорят о предельных и среднем за цикл конечном состоянии воздуха; способы его определения рассмотрены далее и основаны на балансе холода (полного, явного) за цикл работы компрессора и потребляемого холода.
В-пятых, к АК подходят часто как к конструкции, заполненной тем или иным оборудованием, причем паре взаимообратных воздушных клапанов (наружного и рециркуляционного воздуха) там не нашлось места. Необходимое до- оснащение клапанами, приводом и использование пропорционального терморегулятора изменяют режимы работы такой системы и процесс охлаждения — осушения проводится со смесью или только с наружным воздухом в количестве Lн= Lпр при условии tн > 18 °С, что не¬маловажно для построений и энергетической стороны. При стабилизации двух параметров (tK фв) в «прецизионных» АК точка состояния воздуха вроде фиксирована, но опять же неточно, а с учетом зоны неоднозначности соответствующих Рс-регуляторов. К тому же процесс осушения воздуха, побочный при стабилизации температуры воздуха, оказывает влияние как возмущение на контур стабилизации влажности.
Перечисленные выше и другие особенности оборудования АК и системы управления полезно учитывать на всех стадиях работы, а именно при проектировании, испытании, паспортизации, наладке и в процессе эксплуатации на объекте. Между тем из анализа литературы и методик вытекает, что на последствия циклической работы оборудования АК особого внимания не обращают, а процессы рассматривают как сугубо стационарные (физико-математическая сторона описания процесса не совершенна и это приводит к ошибочным решениям).
При выборе принципиальных решений СХС и типа хладоносителя нужно принимать во внимание многочисленные особенности каждого из них.
Хладоны по сравнению с промежуточными холодоносителями:
□ имеют более низкую температуру и при равных условиях обеспечивают более глубокое охлаждение и осушение воздуха (что важно, например, если в помещении с тепловлаговыделениями требуется поддерживать невысокую относительную влажность фв = 30-40 %);
□ не влияют на здание и его конструкции при авариях и утечках;
□ тепло съем с единицы массы при кипении F22, F142 (tкип ~ 5 °С) составляет q = 210-220 кДж/кг;
□ не позволяют изменять температуру tf в каждом аппарате при постоянной tкип;
□ позволяют управлять процессом охлаждения-осушения в релейном и непрерывном режимах;
□ предъявляют очень жесткие требования к герметичности фреонопрово- дов и их теплоизоляции, места утечек трудноопределимы;
□ позволяют использовать аппарат для нагрева в режиме теплового насоса;
□ невозможность обеспечить строго требуемое направление процесса охлаждения-осушения воздуха
в хладоновом воздухоохладителе, что подробно исследовано А.А. Гоголиным [4];
□ невозможность применения схем СХС с аккумуляцией холода в емкостях с учетом суточной и сезонной неравномерности потребления холода в объекте.
За последние 10-15 лет отечественный рынок существенно заполнился автономными кон¬диционерами разных производителей Европы и Азии
Хладоносители — вода и рассолы — имеют такие особенности:
□ более высокая, но управляемая температура хладоносителя, чем хладоагента;
□ тепло съем с единицы массы при 
у рассолов меньше;
□ возможность использования аппарата для попеременного охлаждения или нагревания воздуха;
□ возможность обеспечения разных *ш.см в режимах охлаждения-осушения и разных значений Формула 8;
□ возможность применения воды в контактных аппаратах;
□ сравнительное удобство трансформации схемы, добавлений и изменений в ней;
□ легко определяемые места утечек воды в системе холодоснабжения, но опасность залить нижерасположенные помещения при авариях;
□ ограниченность глубокого охлаждения-осушения воздуха водой;
□ дополнительный контур преобразования (передачи) холода от хладона к хладоносителю и лишняя мощность, используемая в этом контуре;
□ хорошо запроектированная и смонтированная СХС с промежуточным хладоносителем обычно надежнее и долговечнее системы с непосредственным кипением хладона.
В условиях множества особенностей выбирают один или два основных и в зависимости от этого — тип системы холодоснабжения. Современные автономные кондиционеры при всем их многообразии имеют существенные отличия от не-автономных, что нужно учитывать при проектировании и расчете.
_______________________________________________________
Автор: А.Г СОТНИКОВ, д.т.н., профессор
