Проектируя для систем комфортного кондиционирования воздуха (СККВ) оборудование, функционирующее при переменных тепловлажностных условиях эксплуатации, разработчики стремятся повысить эффективность и экономичность таких систем. Успешное решение поставленных задач возможно при проведении технико-экономического анализа проектируемой СККВ с оптимизацией используемого технологического оборудования, а также при оптимизации режимов его работы.
Судовые системы кондиционирования воздуха традиционно рассчитываются для работы в наименее выгодном технологическом режиме. Таким режимом для зимнего периода работы СККВ считается тот, при котором потери тепла наружными поверхностями ограждения наибольшие. Для летнего периода работы СККВ — тот, при котором в помещение поступает наибольшее количество тепла. Улучшить существующую организацию работы судовых СККВ можно, обеспечив функционирование их оборудования в оптимальных эксплуатационных режимах воздухообработки. Для определения таких режимов за основу могут быть взяты методы и модели, описанные в работах [1, 2].
Однако, какой бы метод проектировщиками не использовался, границы оптимальных режимов работы СККВ и ее энергопотребление во многом определяются значениями метеорологических параметров наружного воздуха. Такой вывод следует из того, что количество теряемого помещением тепла определяется разностью температур наружного воздуха и воздуха внутри помещения. Поэтому, например, минимальная наружная температура воздуха должна быть исходной расчетной величиной при определенной теплопроводности СККВ в зимнем периоде ее работы. Однако рассматривать работу СККВ в зимнем периоде работы, исходя из наиболее низкой температуры наружного воздуха, нецелесообразно. Это объясняется тем, что такой подход приводит к излишнему усложнению, утяжелению и удорожанию системы кондиционирования. Поэтому за расчетную величину температуры наружного воздуха рекомендуется принимать минимальную или максимальную температуру (с учетом зимнего или летнего периода работы системы), продолжительность которой велика, чтобы влиять на изменение внутренней температуры помещений.
Приступая к выполнению теплотехнических расчетов судовых СККВ необходимо учитывать все многообразие климатических условий наружного воздуха. Это объясняется тем, что районы плавания судов охватывают практически все районы земного шара. Поэтому состояние воздуха в обитаемых помещениях судов существенно зависит от метеорологических параметров (температуры — tH или энтальпии — IH, относительной влажности — или влагосодержания — dH) наружного воздуха. В настоящее время известны различные методики определения расчетных наружных температур, относительной влажности и других параметров воздуха. Эти методики основываются на многолетних наблюдениях за метеорологическими параметрами наружного воздуха и предназначены для использования в технике кондиционирования воздуха, преимущественно для стационарных объектов. При разработке наиболее известных моделей параметров наружного воздуха [3-8] для стационарных объектов учитывались результаты многолетних метеорологических наблюдений за изменением параметров воздуха в различных географических районах, а также известное время повторяемости параметров за годовой цикл эксплуатации СККВ. Результаты наблюдений обрабатывались в виде детерминированных моделей, как это было сделано в работе [3], с представлением средних по месяцам параметров и амплитуд их колебаний. Либо — в виде статических моделей, как в [7], с представлением числа часов в году, в течении которых повторяются сочетания метеорологических параметров. В работе [8] автор при проведении исследований, определяя возможность описания одномерных распределений температур и энтальпий воздуха, пришел к выводу, что на большей части территории СНГ эти распределения допустимо представлять в виде композиционного закона. Следует отметить, что для известных моделей [3-8] общим является единый подход при определении параметров наружного воздуха, в том числе учет их изменений за годовой цикл для известной координаты географического района.
Условия проектирования и эксплуатации судовых СККВ обладают специфическими отличиями, что существенно отличает их от соответствующих условий, присущих стационарным системам. Эти отличия заключаются прежде всего в том, что при проектировании СККВ нельзя учесть возможные координаты судна в конкретный годовой момент времени. В результате исключается возможность прямого использования метеорологических наблюдений, проводимых в различных районах земного шара. А значит для судовых СККВ невозможно в полном объеме использовать модели аналогичные или подобные [3-8]. Однако в настоящее время актуальность в аналитическом описании законов (моделей) изменения отдельных параметров наружного воздуха за фиксированные периоды времени сохраняется не только при проектировании, но и на стадии эксплуатации судовых СККВ. Например, необходимость в использовании аналитического описания законов изменения метеорологических параметров наружного воздуха возникает при решении нестационарных задач, связанных с эксплуатацией судовых систем. Таким образом, для успешного решения задач, связанных с определением, оптимизацией и технико-экономическим анализом режимов работы оборудования судовых СККВ необходимо иметь модель метеорологических параметров наружного воздуха, соответствующую вероятным районам плавания судов.
Приступая к аналитическому описанию законов изменения параметров наружного воздуха, следует известные сведения о наружном климате обобщить, представляя соответствующие значения параметров в виде точек, размещенных внутри некой области состояний метеорологических параметров наружного воздуха в I-d диаграмме (
рис. 1). При выполнении построения, учитывая информацию о наружном климате, была получена замкнутая область в I-d диаграмме, ограниченная ломаной линией. Точки, размещенные в области характеризуют расчетные параметры наружного воздуха (tH, ϕH) для расчетных возможных районов плавания судов. Расчетные значения параметров наружного воздуха, рекомендуемые для использования при проектировании и эксплуатации судовых СККВ, приводятся в нормативных материалах [9]. При построении области метеорологических параметров наружного воздуха было принято следующее допущение. Суть его заключается в равновероятном возникновении сочетаний параметров в границах области их возможных состояний. При этом предполагалось, что характер формирования параметров наружного воздуха при круглогодичной эксплуатации судовой СККВ носит случайный характер. Следующим шагом при определении аналитического описания законов изменения параметров наружного воздуха стало заполнение полученной замкнутой области элементарными площадками со сторонами tH = 1 °C и dH = 1 г/кг. Но в отличии от стационарных объектов кондиционирования для параметров в этих площадках не учитывается время повторяемости параметров воздуха за годовой цикл эксплуатации системы.
В основу разрабатываемой модели, при математической обработке результатов построений в I-d диаграмме, были положены выявленные нормируемые сочетания температуры и влагосодержания (относительной влажности) наружного воздуха. Исходя из установленного общего количества элементарных площадок (N) в области параметров наружноговоздуха в I-d диаграмме для каждой площадки были определены конкретные значения tH и dH. После математической обработки полученных численных значений tH и dH за весь годовой эксплуатационный цикл с учетом результатов [10] в общем виде были получены следующие аналитические зависимости:
где Т — единичный отрезок, соответствующий годовому эксплуатационному циклу работы СККВ (изменяется от 0 до 0,1 с шагом 1/N).
Рассчитанные по формулам (1) и (2) значения tH и dH совпадают с нормируемыми их значениям, используемыми обычно при выполнении теплотехнических расчетов СККВ.
Аналитическое описание законов изменения параметров наружного воздуха tH и dH (1), (2) воспроизводит наиболее общий из возможных случаев изменения этих параметров при неограниченном районе плавания судна с заходом в Персидский и Оманский заливы (в летний период) и с проходом Северным морским путем (зимой).
Выполняя теплотехнические расчеты с использованием аналитических зависимостей (1) и (2), следует учитывать, что в некоторых отдельных случаях эти зависимости при необходимости могут быть с поправками уточнены. В частности дополнительно возможен учет:
- типа судового помещения (служебное, жилое, специальное);
- характера расположения помещения (в надстройке, под палубой, сообщение с наружным воздухом);
- теплопроводности изоляции ограждений помещения;
- особых требований к помещениям в части температурного режима.
Использование при проведении теплотехнических расчетов судовых СККВ моделей, основанных на нормированных характеристиках воздуха аналитических зависимостях (1) и (2) позволяет выбирать для оснащения систем кондиционирования менее мощное технологическое оборудование. Результат такого выбора способствует экономии расходов тепла, холода и электроэнергии.
Установленные границы метеорологических параметров наружного воздуха в виде области в I-d диаграмме, а также полученные зависимости (1) и (2) позволяют создать наглядную картину связи параметров наружного воздуха с режимами воздухообработки в судовой СККВ. В границах полученной области возможна конкретизация зон граничных параметров наружного воздуха для управляемой СККВ. Причем, каждой из зон граничных параметров наружного воздуха соответствует энергоэффективный режим работы технологического оборудования системы кондиционирования. В частности для двухканальной прямоточно-рециркуляционной судовой СККВ было установлено, что общее количество зон в области наружных параметров наружного воздуха в I-d диаграмме равно семи (рис. 1, зоны 1-7).
Литература1. Рымкевич А.А. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. — М.: Стройиздат, 1990.2. Креслинь А.Я. Оптимизация энергопотребления систем кондиционирования воздуха. — Рига: РПИ, 1982.3. СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование. — ГУПЦПП.4. Богословский В.Н., Типов В.П. Выбор расчетных характеристик наружных климатических условий по коэффициенту обеспеченности заданного теплового режима по коэффициенту обеспеченности заданного теплового режима помещения // Водоснабжение и санитарная техника. — 1969. — № 11.5. Октябрьский Р.Д. Выбор расчетных температур и энтальпий наружного воздуха для систем вентиляции и кондиционирования воздуха // Водоснабжение и санитарная техника. — 1975. — № 5.6. Стефанов Е.В. Недостатки существующего метода нормирования параметров наружного воздуха для расчета кондиционеров // Холодильная техника. — 1967. — № 2.7. Успенская Л.Б. Статические закономерности изменения состояния наружного воздуха // Научн. труды ВНИИГС. — 1963. — вып. 18.8. Сотников А.Г. Автоматизация систем кондиционирования воздуха и вентиляции. — Л.: Машиностроение, 1984.9. СНиП 47.029-90. Судовые системы вентиляции и кондиционирования воздуха.10. Бурцев С.И., Данилов И.М., Цветков Ю.Н. Модель параметров наружного воздуха для расчетов судовых систем кондиционирования // Судостроение. — 1990. — № 7.
