Новые тенденции в развитии СКВ
|
Для снижения эксплуатационных затрат в системах кондиционирования воздуха применяют различные инженерные устройства, из которых наиболее важными являются устройства для экономии энергии. Известны три типа устройств этого назначения: регенеративные, рекуперативные, с использованием теплового насоса. Чтобы удалить вредности, из здания выбрасывают некоторое количество воздуха. Зимой температура удаляемого воздуха значительно выше, чем наружного, в то время как в летнее время она ниже. Поэтому можно сэкономить некоторое количество энергии, нагревая вентиляционный воздух выбрасываемым воздухом зимой и охлаждая его летом. Для этой цели применяют теплообменники ротационного типа. Одна из наиболее известных конструкций теплообменника такого типа, разработанная западногерманской фирмой "Эконовент", показана на рис. 451.  Вращающийся барабан регенеративного теплообменника содержит трубчатую насадку из гигроскопичного материала. Оси трубчатых элементов параллельны валу барабана, который вращается с небольшой скоростью — 10 об/мин. В результате насадка контактирует то с наружным, то с внутренним воздухом. Гигроскопическая насадка служит для передачи не только явного тепла, но и скрытого тепла вследствие конденсации и следующего за ней испарения влаги из воздуха. Схематический график работы регенеративного теплообменника приведен на рис. 452. Согласно данным, публикуемым изготовителями, с помощью регенератора можно сэкономить 75—95 % теряемой энергии.  Тепловые расчеты установки кондиционирования воздуха показывают, что при расходе свежего наружного воздуха 700 000 мЗ/ч с помощью регенерации в зимнее и летнее время экономится около 50 % капитальных и эксплуатационных расходов. Это устройство особенно необходимо в легких зданиях, где отдельные потоки воздуха, удаляемые из зон с различной ориентацией и различной тепловой нагрузкой, могут быть объединены в единый поток и целесообразно использованы. Регенеративные теплообменники часто выпускают в виде компактных аппаратов, готовых к установке на крыше. Такое устройство предлагается, например, шведской фирмой "Свенска Флектфабрикен" для гражданских зданий. Принцип работы рекуперативного теплообменника отличается от принципа работы регенеративного теплообменника отсутствием промежуточного материала, накапливающего в себе тепло и влагу. Здесь теплообмен между двумя средами с различными температурами происходит через разделяющую их стенку. Рекуперативный принцип может быть наиболее эффективно использован в высокоскоростных системах, работающих с промежуточным теплоносителем (рис. 453—454).  В современных легких зданиях с большой площадью остекления может оказаться, что комнаты, ориентированные в каком-то одном направлении, требуют охлаждения, а комнаты, ориентированные в другом направлении, требуют отопления. Обычно это бывает весной или осенью. Теплопоступления могут быть довольно большими, так как в эти периоды солнце находится низко над горизонтом и солнечные лучи падают почти перпендикулярно стенам. В большинстве случаев при использовании воздушно-водяной системы вентиляционный воздух, потребный для всего здания, проходит сначала через центральную воздухообрабатывающую установку. Поэтому количество низкотемпературного воздуха значительно больше, чем требуется для зоны с повышенным теплопритоком от солнечной радиации. Если считать количество наружного вентиляционного воздуха заданным (в случае воздушноводяной системы), можно осуществить доохлаждение подогретой воды, когда она протекает через эжекционные или вентиляторные агрегаты, установленные в индивидуальных помещениях. Такое перераспределение тепла делает в отдельные периоды работу холодильной станции частично и даже полностью ненужной. В этом случае можно обойтись без рекуперативного теплообменника, так как свежий воздух догревается за счет энергии от солнечной радиации. Работа такой системы показана на рис. 453. В четырехтрубной эжекционной системе температура горячей воды должна быть такой, чтобы количество тепла, отдаваемого в теплообменниках, было достаточным для покрытия теплопотерь (T) каждой комнаты, а также для нагревания первичного воздуха до температуры этого помещения. Если в нескольких комнатах теплоприток от солнечной радиации (E) превышает холодоотдачу от первичного воздуха (пропорциональную разности температур ti - te2), то вторичный воздух тоже должен быть охлажден. В СКВ с эжекционными агрегатами это охлаждение вторичного воздуха вызывает повышение температуры поступающей воды с tw1 до tw2. При работе с рекуперацией охлажденная вода поступает к воздухоохладителю центральной установки. В зависимости от климатических условий, когда нагревание всего количества поступающего наружного воздуха с tе1 до tе2 соответствует тому количеству тепла, которое отбирается при охлаждении воды (пропорционального разности температур tw2 - tw1), становится ненужным искусственное охлаждение и водоохладитель H отключают. В таких случаях патрубок А в трехходовом клапане 2 будет закрыт, а патрубок В открыт, клапаны 3 и 5 закрыты, а клапан 4 открыт. Если охлаждение свежим воздухом окажется недостаточным, часть циркулирующей воды направляют прямо в воздухоохладитель. При этом патрубок А трехходового клапана немного открывается, а патрубок В закрывается и вода охлаждается с помощью холодильной машины. Когда трехходовой клапан 2 частично открыт, клапан 4 закрыт, а клапаны 3 и 5 открыты. При климатических условиях, когда рекуператор совсем не нужен, патрубок А трехходового клапана 2 будет полностью открыт, а патрубок В закрыт. При этом клапаны 3 и 5 будут открыты, а клапан 4 закрыт, и при постепенном открытии клапана 1 произойдет подключение воздухоохлаждающего теплообменника центральной установки к водоохладителю параллельно с системой охлажденной воды. Рекуперативная СКВ этого типа была установлена в гостинице "Дуна Интерконтиненталь" в Будапеште. В СКВ, включающих в себя тепловой насос для регенерации тепла, экономия энергии осуществляется наиболее эффективно. Работа этой установки в настоящее время наиболее дорогая, так как главным носителем энергии является электричество. Существенно, что эта система "отбирает" тепло, выделяющееся в различных частях здания, и использует его для удовлетворения потребности в тепле одновременно в различных местах. Одновременно превращается в тепло и энергия, затраченная на работу теплового насоса. В современных конторских зданиях системы интенсивного освещения служат источником значительных дополнительных теплопоступлений. Светильники могут быть размещены в местах удаления воздуха системой кондиционирования (вентилируемые светильники, см. рис. 454). воздух уносит с собой значительное количество выделяемого ими тепла. Это позволяет снизить мощность или количество устанавливаемого оборудования и тем самым сэкономить на капитальных и эксплуатационных затратах. Однако снижение потребности в оборудовании не уменьшает мощности холодильной станции, поскольку тепло, выделенное светильниками, все равно нужно отвести от здания. Реже светильники охлаждают водой. Тогда вода, циркулирующая через светильники, может служить теплоносителем. Принцип действия теплового насоса можно представить себе как реверсирование холодильного цикла, схема которого приведена на рис. 455.  Тепло (Q) должно быть удалено из охлаждаемого помещения, и при наличии системы кондиционирования воздуха обычно это осуществляется с помощью какого-либо теплоносителя, например воды. Вода, нагревшаяся в помещении, затем охлаждается в испарителе холодильной установки, в ходе чего тепло отдается хладагенту, испаряющемуся в этом аппарате. Компрессор отсасывает образовавшиеся пары хладагента из испарителя и сжимает их, чтобы поднять температуру паров выше температуры окружающего воздуха, так как иначе тепло, отнятое из помещения, нельзя будет передать окружающей среде. На работу компрессора затрачивается энергия (обычно электрическая). Количество тепла (M), пропорциональное механической работе двигателя компрессора, также передается хладагенту, так что в окружающую среду отдается тепла больше, чем отнимается из помещения (Q + М). Это тепло может быть передано не только наружному воздуху, но и воде (речной, грунтовой, артезианской и т.п.). Вследствие увеличения стоимости питьевой воды в последнее время все большее распространение получают замкнутые системы охлаждения (см. рис. 455). Замкнутая система циркуляции разрывается в градирне, в которой разбрызгиваемая вода контактируется с наружным воздухом. В ходе передачи тепла от конденсатора воздуху в градирне часть воды испаряется. Чем больше разность температур в испарителе и конденсаторе, тем больше энергии потребляет компрессор и тем больше энергии передается холодильному контуру. Тепловой насос можно представить себе в виде обратного холодильного цикла, в котором роли потребителя и окружающей среды поменялись. При охлаждении потребителем является помещение, в котором нужно понизить температуру. В случае использования теплового насоса полезным является тепло, выделяющееся в конденсаторе, которое можно использовать для отопления помещения. Таким образом, при работе теплового насоса происходит охлаждение окружающей среды (т.е. окружающего воздуха, воды из реки или озера), а компрессор повышает температурный уровень отнятого тепла, так чтобы его можно было использовать для целей отопления. Это означает, что тепловой насос осуществляет отопление с помощью электричества. Широкое распространение нашли холодильные машины и тепловые насосы абсорбционного типа, для работы которых необходимо подводить тепловую энергию. Прямое использование электроэнергии для отопления является очень дорогим решением: 1 кВт*ч электроэнергии превращается только в 3,6 МДж тепла, в то время как при затрате 1 кВт. ч электроэнергии для работы электродвигателя теплового насоса передается 7,2—10,8 МДж тепловой энергии, т.е. эффективность возрастает в 2—3 раза. Применение этих систем сдерживается, однако, высокой стоимостью специальных холодильных машин. Поэтому в настоящее время отопление с помощью тепловых насосов более дорого, чем углем, нефтью и другими видами топлива В то же время установка с тепловым насосом становится более экономичной, если она является частью системы кондиционирования воздуха. Теплообразующая система (называемая в настоящее время TIЕ) может быть описана следующим образом.  На рис. 456 приведена схема СКВ, сооруженная в здании правления фирмы "Ман-Феб" в Честере. В семиэтажном здании, имеющем в плане V -образную форму, размещены конторские помещения шириной 17 м с гибкой планировкой. Окна не открываются. Из-за широкопролетной рамной конструкции здания во всех помещениях предусмотрен подвесной потолок. В ходе проектирования были сопоставлены две альтернативные системы как по капитальным, так и по эксплуатационным затратам. В результате было найдено, что капитальные затраты на сооружение традиционной СКВ (с электрическим отоплением) будут примерно такими же, как и для СКВ с эжекционными агрегатами и устройствами для регенерации тепла, а эксплуатационные расходы в случае регенерации тепла значительно уменьшатся. Для подачи воздуха во внутренние зоны эжекционные агрегаты были размещены под окнами и в подшивном потолке вдоль осевой линии помещений. Были применены вентилируемые светильники, а раздача воздуха производилась с очень высокой скоростью. Центральную воздухообрабатывающую установку разместили на крыше. Число светильников, выбранное на основании требований к освещенности, составляло 96 в каждом конторском помещении, что создавало нагрузку 42 Вт/м2. Тепловые характеристики ограждающих конструкций были подобраны таким образом, чтобы внутренние теплопоступления компенсировали теплопотери здания при ti=21°C, te=—4°С и φi≥40 %. Летние параметры воздуха: te=27°C, ti=24°C, φi=55 %. Система кондиционирования воздуха включает в себя два центробежных компрессора фирмы "Кэрриер", пригодных также для работы в цикле теплового насоса. Конденсатор раздельного типа: одна часть представляет собой бойлер для СКВ, а другая часть включена в холодильную систему, соединённую с градирнями с помощью трубопроводов. Максимально отдаваемая холодильная мощность двух воздухоохладителей составляет около 945 кВт при разности температур Δtw=7—13°С. Максимально отдаваемая тепловая мощность компрессоров равна около 800 кВт каждый при расчетном температурном перепаде Δtw=54—59°C. Система трубопроводов горячей воды присоединена к электрическому котлу-аккумулятору, обслуживающему ресторан. В зимнее время эта система кондиционирования воздуха работает на нагретом воздухе. Внутренние зоны всегда имеют теплоизбытки (от освещения, людей, конторских машин), которые удаляются через вентилируемые светильники. Часть воздуха, удаленного из помещений, возвращают в центральную установку, а остальной воздух выбрасывают в атмосферу. Теплосодержание удаляемого воздуха утилизируется с помощью теплонасосной системы. Смесь свежего и рециркулируемого воздуха нагревается до требуемой температуры в центральной установке, после чего по воздуховодам подается к конвекторам. Отопление наружных зон помещений в зимнее время осуществляется путем догревания первичного воздуха. В летнее время эти помещения охлаждаются водой, поступающей от воздухоохлаждающей установки, а тепло отбирается с помощью теплообменников, встроенных в конвекторы. В периоды, когда здание не используется (нет тепловыделений от людей и освещения), чрезмерное переохлаждение помещений предотвращают путем пропускания воды, питающей конвекторы, через резервуар, в который стекает вода из кухонь и ресторана. В этом случае конвекторы работают при естественной циркуляции воздуха. При последующем включении холодильных машин после праздничных дней конвекторы начинают работать при принудительной циркуляции. Устройство автоматического регулирования СКВ объединено с электроосвещением (электронная система регулирования "Делматик"). В дополнение к различным другим устройствам автоматического регулирования эта система включает и выключает светильники в зависимости от потребностей помещений в освещении с учетом освещения через окна. Ночью теплоутилизирующая система отключает фотоэлементы, а утром включает триггер, соединенный с системой автоматики освещения, и включает его, осуществляя тем самым предварительное отопление помещений. |
