При проектировании и эксплуатации систем комфортного кондиционирования воздуха (СККВ) одной из актуальных задач является снижение затрат энергии на кондиционирование воздуха. Первым шагом в этом направлении является подмешивание части рециркуляционного воздуха к наружному.

Количество наружного и рециркуляционного воздуха в смеси может быть различным (минимальным, переменным, максимальным), но достаточным для обеспечения необходимого газового состава в кондиционируемых помещениях. Общий расход смешанного воздуха (GС) определяется расчетным его количеством, необходимым для ассимиляции тепло- и влагоизбытков в помещениях. Обычно тепловлажностная нагрузка на помещения переменная, а это требует подачи в них переменных количеств наружного (GН) и рециркуляционного (GР) воздуха с ограничением по минимальным и максимальным расходам. Минимальный расход наружного воздуха в смеси рассчитывается исходя из обеспечения санитарно-гигиенических требований по ассимиляции вредных паров и газов. Максимально возможный расход наружного воздуха устанавливается в соответствии с технико-экономическими соображениями в процессе оптимизации режимов работы СККВ. Расход рециркуляционного воздуха определяется разницей смешанного и наружного воздуха и может изменяться, например, по следующим соображениям: рециркуляционный воздух «дополняет» количество наружного воздуха для получения максимальной производительности системы с переменным расходом; рециркуляционный воздух не способствует изменению производительности вентилятора СККВ при переменном расходе наружного воздуха.

Согласно санитарным нормам, для судовых СККВ в «летний» период работы допускается использование до 80% рециркуляционного воздуха в смеси, в «зимний» период до 50 % при соблюдении требуемых норм подачи наружного воздуха и забора на рециркуляцию воздуха тех помещений, где нет выделений вредных примесей, загрязнений и запахообразующих веществ. В целях рационального использования капиталовложений и энергозатрат для судовой СККВ с рециркуляцией воздуха была разработана система автоматического регулирования (САР), в которой управляющее воздействие формируется на основе обоснованного изменения процентного соотношения наружного и рециркуляционного воздуха в их смеси.

На рис. 1 в I-d диаграмме построены процессы смешивания воздуха в «летнем», а на рис. 2 — в «зимнем» периодах работы СККВ с рециркуляцией. Состояние параметров наружного (Н1, Н2, Н3, Н4), рециркуляционного (Р1, Р2, Р3, Р4) и смешанного воздуха (С1, С2, С3, С4) представлены на рис. 1 и 2 многоугольниками, соответствующими областям допустимых параметров воздуха, поступающего на входы и выход камеры смешения СККВ. Любая точка, соответствующая параметрам смешанного воздуха (С) в области С1, С2, С3, С4, лежит на прямой, соединяющей точки Н, Р из областей Н1, Н2, Н3, Н4 и Р1, Р2, Р3, Р4, и делит отрезок между точками на части, пропорциональные расходам воздуха в этих точках. То есть при известных значениях GН, GР и GС можно рассчитать энтальпию (ІС), влагосодержание (dС) и температуру (ТС) смешанного воздуха. Для этого можно воспользоваться обобщенной формулой:

Многоугольники У1, У2, У3, У4 на рис. 1 и 2 характеризуют области допустимых параметров воздуха в кондиционируемых помещениях. Очевидно, что чем больше эта область, тем больше возможность использовать термодинамический потенциал наружного и рециркуляционного воздуха без потребления тепла и холода от искусственных источников.

В существующих САР камерой смешения управляющие воздействия направлены на поддержание состояний IСmin, dСmin, в «зимний» период и состояний IСmax, dСmax в «летний» период. Отличительной особенностью таких САР является стабилизация или программное регулирование термодинамических параметров состояния воздуха при возможном дальнейшем управлении расходом подаваемогов помещения воздуха с помощью вентиляторного агрегата. Исходными параметрами объекта регулирования, при переменном соотношении GH и GР, являются изменяющиеся тепловая, влажностная или газовая нагрузка, причем определяющей может быть любая из них. Выбор средств автоматизации существенно зависит от пределов допустимых изменений тепловлажностных параметров воздушной среды, Однако при решении задач автоматизации и управления смешением воздуха в СККВ часто не учитывают динамические свойства камеры смешения. В алгоритме управления не всегда используется обоснованный выбор соотношения GH и GР, в частности не используются результаты термодинамического анализа камеры смешения. Такой анализ позволяет определять или учитывать соотношения величин GH и GР в их смеси, что обеспечивает снижение общих энeргозатрат в СККВ.

Проведенные исследования динамики камеры смешения как объекта автоматизации позволили получить систему уравнений по каналам изменения энтальпии и влагосодержания при смешении наружного воздуха с рециркуляционным. Математическая модель камеры смешения, звенья которой записаны в операторной форме, имеет вид:

Передаточные функции W1(P), …, W5(P) в системе уравнений (3) представляют собой аппериодические звенья первого порядка, коэффициенты передачи (К) и постоянные времени (Т) которых, по соответствующим каналам передачи входных воздействий, приведены в таблице. Передаточная функция W5(P) в системе уравнений (3) учитывает связность параметров воздуха, а именно зависимость изменения энтальпии воздуха от изменения влагосодержания. Изменения энтальпии на влагосодержание воздуха не влияют, т.к. в камере смешения не происходит фазовых превращений состояния воздуха. Экспериментальные и расчетные кривые переходных процессов в камере смешения по каналам связи I1 от dH, d1 от dH и I1 от IH, используемые для получения модели (3), приведены на рис. 3. Структурная схема камеры смешения наружного и рециркуляционного воздуха СККВ как объекта автоматизации, соответствующая модели (3), представлена на рис. 4.



Математическая модель камеры смешения в установившемся состоянии (после приравнивания оператора Р нулю) имеет вид


При разработке алгоритма управления учитывались результаты проведенного термодинамического анализа камеры смешения, которые использовались при разработке энергоэффективной САР смешением потоков воздуха в СККВ в смеси.

Эксергия, подводимая к воздуху в камере смешения, с учетом термической и влажностной составляющей определяется функциональной зависимостью:


Эксергетические потери при смешении воздуха

где EP — эксергия потока рециркуляционного воздуха;
ECM — эксергия потока смешанного воздуха;

Эксергетический КПД камеры смешения вычисляется по формуле

где EВ — эксергия, подводимая к двигателю вентилятора;
EВО — эксергия, отводимая от воздуха в воздухоохладителе.

Результаты расчетов эксергии, подводимой к воздуху в камере смешения, приведены на рис. 5. Функциональные зависимости ECM = F(GH/GP) получены при следующих условиях:
кривая 1:
TH = 300 К,
TP = 296 К,
dH = 0,01127 кг/кг,
dP = 0,0086 кг/кг;
кривая 2:
TH = 304 К,
TP = 298 К,
dH = 0,01429 кг/кг,
dP = 0,01063 кг/кг;
кривая 3:
TH = 308 К,
TP = 300 К,
dH = 0,01798 кг/кг,
dP = 0,01515 кг/кг.

При проведении исследований расход наружного воздуха изменялся от 0,574 до 2,583 кг/с, расход рециркуляци- онного воздуха — в обратном порядке.

Из рис. 5 следует, что максимумы эксергии, подводимой к воздуху в камере смешения, совпадают при GH/GP = 0,56, что соответствует GH = 0,36GC и GP = 0,64GC. Причем максимумы совпадают при различных температурно-влажностных параметрах компонентов воздушной смеси.

При разработке САР смешением потоков воздуха существенным является не только обоснованный выбор положения заслонок, но и выбор их типа. Обычно заслонки для регулирования воздушных потоков разделяются по способу дросселирования воздушного потока — с поворотными створками и шиберного типа; по назначению — на проходные, смесительные и распределительные; по характеру действия — на двухпозиционные (или запорные) и регулирующие; по конструкции створок — на неизолированные (холодные) и изолированные (утепленные). Заслонки с поворотными створками — основные и наиболее распространенные. Заслонки шиберного типа служат главным образом для ручной наладочной регулировки. К заслонкам с поворотными створками относят одно- и многостворчатые. Последние изготавливаются двух типов: параллельно-створчатые, имеющие створки, плоскости которых параллельны между собой и вращаются в одном направлении; непараллельностворчатые, у которых соседние створки вращаются в противоположных направлениях.

Известно, что изменение расхода воздуха от степени открытия заслонки определяется отношением (S) потери давления в полностью открытом канале при максимальном расходе регулируемой среды к потери давления на регулируемом участке. На основе рекомендаций Е.Е. Карписа были получены расходные характеристики заслонок, т.е. зависимости расхода воздуха от хода штока привода для параллельно-створчатых (рис. 6, б) заслонок. Из рис. 6, a следует, что для параллельно-створчатых заслонок характеристика регулирования приближается к пропорциональной при S > 0,16, для непараллельно-створчатых рекомендуется использовать S > 0,09. Непараллельно-створчатые заслонки при прочих равных условиях обладают меньшим сопротивлением, а значит их установка более экономична. Кроме того, непараллельно-створчатые заслонки, также как и одностворчатые, в сравнении с параллельно-створчатыми обеспечивают более плавное регулирование потока воздуха. Исходя из перечисленных преимуществ, для реализации САР смешением потоков воздуха выбраны непараллельно-створчатые заслонки.

Результаты эксперементальных исследований, расчетные зависимости (1)…(7) послужили основой для создания САР смешением потоков воздуха в СККВ с рециркуляцией. Разработаная САР функционирует в соответствии с обобщеным алгоритмом управления исполнительными органами (рис. 7). Управление в соответствии с алгоритмом предполагает поддержание параметров состояния смешанного воздуха на границе многоугольника С1, С2, С3, С4 (рис. 1 и 2).

САР изменяет соотношения потоков наружного и рециркуляционного воздуха с ограничениями по их минимальным и максимальным значениям. Схема САР (рис. 8) состоит из: датчиков температуры 1, относительной влажности 2 и расхода воздуха 3 в каналах вытяжного, наружного и смешанного воздуха; регулятора 4; задатчика 5; исполнительного органа 6 для управления заслонками в каналах вытяжного 7, рециркуляционного 8 и смешанного воздуха 9. Регулятор, воздействуя на исполнительный орган, перемещает поворотные воздушные заслонки до тех пор, пока не будет получена смесь воздуха с параметрами, соответствующими заданным, для которых эксергетический КПД максимален и обеспечиваются требуемые санитарно-гигиенические нормы воздушной среды в помещениях. Заданные значения минимального и максимального расходов смешанного воздуха ограничивают положения заслонок.

В САР параметры управления заслонками постоянно вычисляются и корректируются на основании состояния тепловлагожностных параметров наружного и рециркуляционного воздуха, величины эксергетического КПД, позволяющего определять оптимальное процентное содержание наружного воздуха в смеси. Заслонки в каналах вытяжного и наружного воздуха работают синфазно, а в рециркуляционном канале — противофазно относительно заслонок вытяжного и наружного каналов. Это позволяет реализовать любую степень рециркуляции от 0 до 100 %.  Регулятор, входящий в схему САР, реализует пропорциональный закон регулирования, что обеспечивает требуемое качество регулирования.

В качестве автоматизированного привода заслонок в СККВ обычно используется электрический или пневматический привод. Наилучшими свойствами обладает электрический привод, который был выбран для управления исполнительными механизмами — заслонками. Схема используемого электрического привода построена на основе шагового электродвигателя.

Применение САР смешением потоков воздуха в СККВ с рециркуляцией позволяет снизить необходимую холодопроизводительность установки, которая может изменяться от 60 до 90 %. Кроме того, эксплуатация СККВ в «летнем» периоде работы системы, при определенных параметрах наружного и рециркуляционного воздуха, приводит к полному отключению холодильной установки. В помещения подается воздух, тепловлажностные параметры которого определяются только переменным соотношением наружного и рециркуляционного воздуха, а также возможным переменным общим расходом. В «зимнем» периоде работы СККВ увеличение доли рециркуляциооного воздуха в смеси снижает потребление тепла на 10-20 %.