В помещениях с переменными по времени суток тепловыми режимами поддержание стабильных параметров воздуха в обслуживаемой зоне энергетически целесообразно осуществлять с применением многозональных систем кондиционирования воздуха (СКВ). Центральные приточно-вытяжные агрегаты в СКВ выбираются для обеспечения обслуживаемых помещений санитарной нормой приточного наружного воздуха и удаления с вытяжным воздухом газовых вредных выделений. Приготовление приточного воздуха от центрального приточного агрегата энергетически рационально осуществлять по условиям ассимиляции постоянных по времени суток тепло- и влаговыделений. В зональных кондиционерах энергетически рационально ассимилировать переменные по времени суток тепло- и влаговыделения. Это позволяет оптимизировать расходы энергии на функционирование СКВ по реально изменяющимся тепловым режимах.

Авторы О.Я. Кокорин, д.т.н., профессор МГСУ, А.А. Волков, «Моспроект-4»

Для помещений музеев требуется стабильное поддержание температуры и влажности воздуха независимо от числа посетителей, которые являются наиболее значимым переменным источником выделения тепла, влаги и вредных газов.

На рис. 1 представлено построение на i-d-диаграмме расчетного режима работы многозональной СКВ в помещении музея, где требуется круглый год поддерживать температуру воздуха с точностью t В = 21 ± 1° С и относительную влажность j В = 55 ± 5%. Расчет проведен на климатические параметры для г.Москвы по новым нормам [1]: температура t Н = 26,3 °С; энтальпия I Н = 57,5 кДж/кг; влагосодержание d Н = 12,2 г/кг (точка Н ).

Примем, что обслуживаемый СВК выставочный зал имеет площадь 900 м 2 и разделен на три экспозиционные зоны по 300 м 2 . На одного посетителя примем удельную площадь 5 м 2 /чел. Следовательно, расчетное количество посетителей при заполнении зала на 60% составит:

Минимальный расход приточного наружного воздуха при норме 20 м 3 / (ч . чел) составит:

L ПНmin = 108 . 20 = 2160 м 3 /ч.

В зале число посетителей в форме организованных экскурсий может быть больше в четыре раза. Тогда по санитарным нормам необходимый расход приточного наружного воздуха составит:

L ПН = 2160 . 4 = 8640 м 3 /ч.

В целях экономии расхода холода в теплый период года и тепла в холодный период принимаем режим работы центрального кондиционера с переменной рециркуляцией. В смеси приточного воздуха минимальный расчетный расход наружного воздуха L ПНmin = 2160 м 3 /ч. При максимальном заполнении выставочного зала L ПН = 8640 м 3 /ч. Выделения явного тепла и влаги одним взрослым посетителем при t В = 21 °С составляют [2]:

q т.яв = 100 Вт/чел, W вл = 88 г/(ч . чел).

При подаче на одного посетителя 20 м 3 /ч приточного воздуха его ассимиляционная способность должна быть:

— по явному теплу

— по влаге

Из рис. 1 следует, что максимально возможное влагосодержание воздуха в зоне нахождения людей в выставочном зале отвечает d Вmax =10 г/кг (при t В = 22 °C и ϕ В = 60% точки Вmax ).

Из построения на рис. 1 следует, что при температуре t Вmax = 22 °C и ϕ Вmin = 50% минимально возможное влагосодержание воздуха в зоне нахождения людей будет d Вmin = 8,2 г/кг. Поэтому приточный воздух от центрального кондиционера охлаждаем и осушаем до d Вmin = d П = 8,2 г/кг.

При ϕ ОХ = 95% на линии d ОХ = d П = 8,2 г/кг находим параметры точки ОХ :

t ОХ = 12,2 °C, ϕ ОХ = 34 кДж/кг.

С учетом нагрева в приточном вентиляторе и воздуховодах на 1,5 °C температура приточного воздуха от центрального кондиционера будет:

t П = 12,2 + 1,5 = 13,7 °C.

Ассимиляционная способность приточного воздуха при схеме организации воздухообмена сверху вверх (смесительная вентиляция) будет:

— по явному теплу

Ä t асc.ПР = 22 - 13,7 = 8,3 °C,

что значительно меньше требуемого

Ä t асc = 14,6 °C,

— по влаге

Ä t асc.ПР = 10 - 8,2 = = 1,8 г/кг,

что значительно меньше требуемого

Ä t асc = 3,6 г/кг.

Оцениваем наиболее энергетически рациональный вариант СКВ при производительности по приточному воздуху L П = L ПН = 8640 м 3 /ч.

Затраты холода в воздухоохладителе центрального кондиционера в этом режиме:

При минимальном числе посетителей в центральном кондиционере охлаждается и осушается смесь, энтальпия которой равна:

При применении регулируемой рециркуляции внутреннего воздуха расход холода составит:

Применение регулируемой рециркуляции позволило сократить расход холода:

Летом на тепловой режим в выставочном зале оказывают влияние теплопоступления от освещения и трансмиссионные теплопритоки.

Для освещения применяются современные энергосберегающие светильники, которые обеспечивают требуемую освещенность при удельной затрате электроэнергии 15 Вт/м 2 . В зону нахождения людей поступает 60% подводимой к светильникам электроэнергии в виде лучистого тепла в количестве:

Q т.ПР.ос = 900 . 15 . 0,6 = 8100 Вт.

В рассматриваемом выставочном зале трансмиссионные теплопоступления имеют место только через наружное перекрытие, термическое сопротивление которого составляет:

R пер = 3,8 (м 2 . °C)/Вт.

Температуру при наличии солнечной радиации на наружной поверхности перекрытия принимаем t пер = 36 °C, а температуру воздуха под перекрытием t Впер = 24 °C.

Тогда трансмиссионные теплопотери:

При групповом посещении музея выделения от максимального числа посетителей составят:

— по явному теплу

Q т.X.пoc = 100 . 108 . 4 = 43200 Вт;

— по влаге

W вл.пос = 88 . 108 . 4 = 38016 г/ч.

Охлажденный и осушенный приточный воздух от центрального кондиционера поглотит следующее количество выделений:

— по явному теплу

— по влаге

W вл.асс.П = 8640 . 1,22 . (10 - 8,2) = 18973 г/ч.

Для поглощения выделений от людей работа зональных кондиционеров должна дополнительно обеспечить поглощение:

— по явному теплу

Q асс.X.M = 43200 - 24303 = 18897 Вт;

— по влаге:

W асc.П = 38016 - 18973 = 19043 г/ч.

По требованиям обеспечения безопасности экспонатов от залива помещений экспозиции водой отказываются от применения в качестве тепло- и холодоносителей воды. Воздух в качестве источника тепла и холода энергетически целесообразно использовать в количествах, определяемых санитарно-гигиеническими требованиями.

Безопасными для сохранности экспонатов являются экологичные холодильные агенты, которые имеют значительно более высокую удельную теплоёмкость. Остающиеся тепло- и влагопоступления решено воспринимать в режимах испарения холодильного агента в воздухоохладителях многозональных VRV-систем.

Значительным энергетическим преимуществом многозональных VRV-систем является работа одного компрессорно-конденсаторного блока для снабжения фреоном значительного числа местных воздухоохладителей, размещаемых по участкам зала экспозиций. Охлаждающая способность любого местного воздухоохладителя может изменяться от 100% до 0% расчетной величины. Это достигается автоматическим сокращением расхода фреона по трубкам воздухоохладителя по команде датчика, контролирующего температуру поступающего на охлаждение внутреннего воздуха.

Изменение расхода фреона через местные воздухоохладители, установленные в разных зонах зала музея, контролируются по расходу фреона через центральный компрессорно-конденсаторный блок. Автоматическим изменением частоты вращения приводного электродвигателя компрессора изменяется объём подаваемого к воздухоохладителям холодильного агента. Соответственно изменению расхода холодильного агента в VRV-системе изменяется и потребление электроэнергии на привод компрессора. В музее наиболее удобно местные воздухоохладители VRV-системы расположить за подвесным потолком. В местные воздухоохладители на охлаждение поступает рециркуляционный воздух, забираемый за подвесным потолком.

От нагретой арматуры светильников в воздушное пространство за подвесным потолком в рассматриваемом примере будет поступать тепло в количестве:

Q т.ПР.св = 900 . 15 . 0,4 = 5400 Вт.

В местных воздухоохладителях должно быть поглощено:

— явного тепла

Q т.X.асс.М = 18897 + 8100 + 5400 = 32397 Вт;

— влаговыделений

W вл.асс.М = 19043 г/ч.

В многозональной СКВ на базе VRV количество воспринимаемых тепло- и влаговыделений в зональных агрегатах изменяется непрерывно в соответствии с перемещением посетителей по зонам помещений экспозиции музея. В каждой зоне количество воспринимаемого полного тепла в испарителе зонального агрегата определяется расчетом и для рассматриваемого примера составляет:

Луч процесса охлаждения и осушения рециркуляции воздуха из зоны за подвесным потолком в местном кассетном воздухоохладителе кондиционеров VRV:

Кондиционеры типа VRV производства компании Daikin , дистрибьютором которых в России является фирма Daichi [3], обладают способностью осуществлять режимы охлаждения и осушения воздуха при высоких значениях лучей процессов, что и требуется для рассматриваемой СКВ.

Холодопроизводительность кассетных воздухоохладителей многозональной системы VRV в условиях повышенного числа посетителей в зале музея должна быть:

На каждую из трех зон зала площадью 300 м 2 устанавливаются по четыре воздухоохладителя и холодопроизводительность каждого требуется по полному теплу q XП.кас.VRV :

По каталогу [3] выбираем и устанавливаем за подвесным потолком четырехпоточный потолочный блок кассетного типа модели FXYFPKB7V19 типоразмера 40. По табл. 5.1

[3] при параметрах воздуха за подвесным потолком t Впод = 26 °C, t Впод.М = 18 °C и I Впод = 53 кДж/кг полная холодопроизводительность равна 4,2 кВт, а по явному охлаждению — 3,2 кВт.

При высокой скорости вращения вентилятора выбранного кассетного блока производительность по воздуху L ПVRV = 720 м 3 /ч ( табл. 2.2 [3]).

Вычисляем температуру охлажденного приточного воздуха:

Вычисляем конечную энтальпию охлажденного и осушенного рециркуляционного воздуха в расчетном режиме работы местного кассетного воздухоохладителя системы VRV:

На рис. 1 на i-d-диаграмме в месте пересечения t п.кас.VRV = 13 °C и I ПVRV = 36 кДж/кг находим точку ПVRV . Соединяем точку ПVRV и точку Впот и получим луч процесса охлаждения и осушения в кассетном воздухоохладителе рециркуляционного воздуха.

Из построения следует, что луч процесса å VRV = 8682 кДж/кг проходит в границах допустимых изменений параметров воздуха в зоне обитания посетителей музея.

Рассматриваемая многозональная СКВ функционирует круглый год. Расчетные условия холодного периода года в климате Москвы [1]: t НХ = -28 °C; d НХ = 0,4 г/кг.

В выставочном зале поддерживается минимальная температура t ВХ = 20 °C при возможном изменении влагосодержания от d ВХmin = 7,2 г/кг до d ВХmax = 8,5 г/кг.

Построение на i-d-диаграмме представлено на рис. 2 .

Вычисляем расчетные трансмиссионные теплопотери через перекрытие здания:

При отсутствии посетителей, например, в ночные часы, приточный воздух от центрального кондиционера необходимо нагревать. Температура нагретого приточного воздуха должна быть:

При наличии в выставочном зале расчетного числа посетителей 108 человек и работе освещения тепловой баланс составляет:

Q т.лд + Q т.ПР.ос - Q т.пот = 10800 + 8100 - 12079 = 6821 Вт.

Для поглощения остающихся тепловыделений в 6821 Вт температура приточного воздуха от центрального кондиционера должна быть:

При максимально возможном числе посетителей в расчетных условиях холодного периода года тепловой баланс в трех зонах выставочного зала будет:

10800 . 4 + 8100 - 12079 = 39221 Вт.

Для поглощения максимальных теплоизбытков температура приточного воздуха от центрального кондиционера должна быть:

Из построения на i-d-диаграммe рис. 2 видно, что при требуемом влагосодержании приточного воздуха d ВХmin = 7,2 г/кг получение температуры притока t ПХmin = 8,8 °C невозможно. Поэтому при наличии в выставочном зале максимального числа посетителей автоматически включатся в работу зональные кассетные воздухоохладители системы VRV.

Температуру приточного воздуха от центрального кондиционера находим по условиям осуществимости режима адиабатного увлажнения, эффективность которого в орошаемом слое ограничивается показателем эффективности не более E a = 0,9. Наиболее трудным для адиабатного увлажнения является режим наличия в выставочном зале максимально возможного числа посетителей, когда:

L П = L ПН = 8640 м 3 /ч.

Из построения на рис. 2 следует, что для получения d Пmin = 7,2 г/кг наружный воздух нагревается в калорифере первого подогрева до t К = 30,5 °C при t КМ = 11 °C.

В пересечении энтальпии I К = 31,3 кДж/кг с вертикальной линией d ВХmin = 7,2 г/кг находим:

t А = t ПХ = 13 °C.

Вычисляем требуемый показатель эффективности адиабатного увлажнения:

Для экономии тепла в СКВ применяется установка утилизации с полосной циркуляцией антифриза, как наиболее надежная в климате России [4].

Вытяжка составляет L У = 0,9 . L ПН . Расчетом по методике [4] получено, что нагрев приточного наружного воздуха утилизируемым теплом вытяжного воздуха составляет: до температуры t НУ = -12 °C и I НУ = -11 кДж/кг.

При расчетном режиме наличие 108 человек посетителей центральный кондиционер работает на смеси наружного и рециркуляционного воздуха с энтальпией I ВХ = 42 кДж/кг.

Вычисляем количество приточного наружного воздуха в смеси для получения I К = 31,3 кДж/кг:

Это меньше требуемого по саннорме L ПНmin = 2160 м 3 /ч.

В калорифере при подаче в трубки горячей воды минимальная температура нагрева воздуха принимается t КУ = 5 °C, что отвечает энтальпии I КУ = 6 кДж/кг.

В этом режиме расход в смеси приточного наружного воздуха будет:

Соединяем точку КY и точку ВХ и при пересечении с I К = 31,3 кДж/кг получим точку СМ с температурой

t СМ = 15,5 °C.

Вычисляем требуемую величину E а для расчетного режима:

Эффективность принятого к применению в центральном кондиционере блока адиабатного увлажнения выше определена E а = 0,9. Вычисляем получаемую температуру приточного воздуха после адиабатного увлажнения смеси приточного воздуха:

t AY = t CM - E a . ( t CM - t KM ) = 15,5 - 0,9 . (15,5 - 11) = 11,5 °C.

По построению на рис. 2 видно, что параметры воздуха в зоне нахождения посетителей в музее отвечают нормируемым значениям для холодного периода года.

Выводы

1. Для обеспечения нормируемых параметров воздуха в залах экспозиции музеев реализация энергосбережения достигается благодаря применению многозональных СКВ.

2. Обеспечение санитарных норм подачи приточного наружного воздуха при изменяющемся числе посетителей экспозиций музея достигается применением центрального кондиционера с переменной рециркуляцией внутреннего воздуха. При максимальном числе посетителей центральные кондиционеры работают по прямоточной схеме.

3. Для зонального энергосберегающего регулирования температуры и влажности воздуха в зоне обитания посетителей рационально применение многозональной системы VRV с регулируемым расходом холодильного агента. ■

Литература

1. СниП 23-01-99 . Строительная климатология.— М.: ГУП ЦПП, 2000.

2. Справочник проектировщика. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1. — М.: Стройиздат, 1992.

3. Daikin. Системы кондиционирования. Т. 2.VRV. Технический каталог.

4. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. — М.: Физматмет, 2003.