Автор В.В. Вычужанин

В реальных эксплутационных условиях система комфортного кондиционирования воздуха (СККВ) функционирует при переменных тепловлажностных нагрузках. Для проектируемой, эксплуатируемой или модернизируемой судовой СККВ выбор класса нагрузки определяется отклонениями температуры (энтальпии) и относительной влажности (влагосодержания) наружного воздуха от соответствующих заданных параметров воздуха в помещении, а также величинами тепло (QИЗБ) и влагоизбытков (WИЗБ), в теплый период года, и величинами теплопотерь QПОТ в холодный период года. При этом значения коэффициента изменения состояния воздуха в помещении Пk определяются в каждый момент времени по текущим значениям тепловлажностной нагрузки, WИЗБ, расходу смеси наружного и рециркуляционного воздуха GC использованием для «летнего», «переходного» и «зимнего» периодов работы СККВ известных уравнений балансов тепла QП и влаги WП в помещении.

Уравнения балансов по теплу и влаге обычно записывают в следующем виде:

где Iпmk , Iуk — энтальпия приточного и внутреннего воздуха;
dПmk , dУk — влагосодержание приточного и внутреннего воздуха;
tПmk , tУk — температура приточного и внутреннего воздуха.

Приточный воздух, перемешиваясь в каюте судна с внутренним воздухом и вытесняя его, ассимилирует избыточное тепло (QИЗБ) и влагу (WИЗБ) или подогревает, а при необходимости увлажняет воздух помещения. Теплоизбытки QИЗБ во многом зависят от теплопритоков через ограждения помещения за счет излучения и радиации. Конкретные значения тепло и влагоизбытков (теплопотерь) являются стохастическими величинами в следствии множества рассредоточенных в пространстве обслуживаемой СККВ помещения внешних и внутренних источников, а также потребителей теплоты и влаги. Заданные параметры воздушной среды в кондиционируемых помещениях детерминированы в соответствии с нормативными документами (санитарными нормами и ГОСТ) для диапазонов возможных изменений метеорологических параметров наружного воздуха. Из результатов анализа нормативных положений следует, что параметры микроклимата воздушной среды в жилых и служебных помещениях определяются по интегральному показателю комфортности — результирующей температуре (РТ).

Комплексный учет в РТ температуры, относительной влажности, подвижности воздуха, а также температуры ограждающих поверхностей помещения позволяет расширить, например, диапазон допустимой температуры воздуха в помещении, что в свою очередь влияет на технико-экономические показатели (ТЭП) СККВ и условия ее функционирования. Для поддержания заданных значений РТ в помещения должен подаваться приточный воздух с параметрами отличающимися от параметров воздуха в помещении. По заданному нормами значению РТ определяются необходимые сочетания параметров воздушной среды помещения, наиболее полно отвечающее оптимальному варианту энергетических и экономических затрат на кондиционирование воздуха. Отдельные компоненты микроклимата в помещении, составляющие РТ, приняты в следующих пределах:
❏ температура воздуха tУ = 18–22 °С;
❏ относительная влажность воздуха ϕУ = 50±10%;
❏ подвижность воздуха У =0,15 м/c (при эксплуатации СККВ на судне допускается подвижность воздуха до 0,5 м/c);
❏ разность между температурой воздуха в помещении и средней радиационной температурой ограждений не должна превышать ±2-4 °С.

Исходя из рекомендуемых значений параметров воздуха конкретизируются заданные значения параметров воздуха в помещении.

При графоаналитическом описании технологических процессов воздухообработки в СККВ традиционно используются I-d диаграммы влажного воздуха. Фактор задания параметров воздуха в помещении в I-d диаграмме имеет существенное значение при технико-экономической оценке точности поддержания внутренних параметров воздуха. Для выбранного и обоснованного контрольного помещения на судне информация о большинстве требуемых составляющих РТ параметрах кондиционируемого воздуха в помещении на I-d диаграмме может быть представлена исходя из известных подходов [1] точкой (У), линией на изотерме (У1–Уn) или областью (У1–У2–У3–У4).Однако, если с учетом норм параметры воздуха в помещении заданы линией, то нет однозначности, сохранение какого отрезка на этой изотерме или точки на ней обеспечит наилучшие ТЭП СККВ. Только некоторые значения параметров на этой линии могут обеспечивать условия комфорта, которые перекроют затраты, возникающие изза отказа использовать весь допустимый диапазон параметров внутреннего воздуха. При представлении нормируемых параметров воздуха в помещении в виде области, расширяются возможности используемой системы автоматического управления (САУ) СККВ. При этом устанавливаются менее жесткие ограничения на параметрические диапазоны функционирования агрегатов системы. Таким образом, нормируемые заданные оптимальные и допустимые параметры внутреннего воздуха в зависимости от периода работы СККВ можно представить в виде соответствующих областей У1–У2–У3–У4, ограниченных на I-d диаграмме пространством между соответствующими граничными значениями температуры tУ.ГР и относительной влажности ϕУ.ГР, т.е. представленных четырехугольником У1У2У3У4. При направлении процесса в помещении Пk  параметры уходящего воздуха в I-d диаграмме находятся в пределах четырехугольника У1У2У3У4, а параметры приточного воздуха — в пределах четырехугольника П1П2П3П4 (рис. 1).

Для параметров воздуха в помещении и приточного воздуха, представленных в виде соответствующих областей в I-d диаграмме, процессы ассимиляции (диссимиляции) теплоты и влаги в кондиционируемом помещении могут быть представлены множеством К эквивалентных векторов Пk , соединяющих области параметров приточного и внутреннего воздуха. В свою очередь изменения параметров наружного воздуха в центральном кондиционере до состояния параметров приточного воздуха обусловлено множеством m векторов Km . В зависимости от текущих значений QИЗБk (QПОТk )и WИЗБk в помещении для каждого значения многомерной функции наружных параметров Fhm в области параметров воздуха в помещении существует конкретное значение многомерной функции Fуk с наименьшими расходами тепла (холода), воздуха.

Изменения переменных состояния воздуха в центральном кондиционере от Fhm до Fуk характеризуются некоторыми промежуточными состояниями Fhmk . Значения Fhmk принадлежат области параметров приточного воздуха (П1П2П3П4), являющейся геометрическим местом координат концов векторов Km и началa векторов Пk . Область параметров приточного воздуха (П1П2П3П4) переменных состояния Fпmk перемещается в I-d диаграмме относительно заданной области внутренних параметров (У1У2У3У4) в зависимости от мгновенных текущих значений QИЗБk (QПОТk ), WИЗБk и GC, определяющих длины отрезков между конкретными точками «П» и «У» для заданной производительности системы. При отрицательном тепловом балансе (Km ≤0) четырехугольники П1П2П3П4 и У1У2У3У4 меняются местами. Таким образом, работа СККВ характеризуется областями изменения определенных переменных состояний и их взаимодействий. Переменной, определяющей основные черты поведения системы, является РТ.

Температурно-влажностные параметры, входящие в РТ — базисные координаты СККВ. При анализе термодинамических процессов в СККВ на I-d диаграмму также наносят область наружных метеорологических параметров воздуха в установленных границах (на рис. 1 область «Н»).

Размер области приточных параметров (П1–П2–П3–П4) и ее расположение относительно области параметров воздуха в помещении в значительной мере зависит от GC.min и GC.max. При анализе технологических процессов воздухообработки в центральной СККВ априорно считается заданным и возможным любое зна- чение GC.min ≤GC ≤GC.max.

Чем меньше расход воздуха GC, тем дальше область приточных пара- метров от области параметров воздуха в помещении, и наоборот. Значения и диапазон GC определяются из ряда функциональных и конструктивных ограничений типа:

где V, wB — объем обслуживаемого помещения и скорость воздуха в нем.

Для заданных нормируемых значений tУ.ГР и ϕУ.ГР, а также текущих значений QИЗБk (QПОТk ),WИЗБk определяются границы области переменных параметров в I-d диаграмме при условии GC.min ≤GC ≤GC.max. Границы области заданных параметров приточного воздуха (П1П2П3П4) могут конкретизироваться по результатам эксергетического анализа функционирования СККВ. Цель такого анализа на улучшение потребительских характеристик и повышение энергоэффективности системы. Выбирая в качестве критерия оптимизации СККВ эксергетический показатель (эксергетический КПД) можно определять граничные значения области параметров приточного воздуха. Каждому из сочетаний значений расходов рабочих сред, удовлетворяющих уравнениям теплового и массового балансов СККВ, соответствуют определенные значения эксергетического КПД. Сочетание значений расходов рабочих сред, при котором показатель эффективности имеет максимальное значение, обеспечивает работу СККВ в оптимальном режиме. Такой подход позволяет для расчетных схем СККВ всю область возможных изменений параметров наружного воздуха, очерченную в I-d диаграмме кривой, разделить на зоны таким образом, чтобы при известных термодинамических состояниях наружного воздуха (с учетомтепло и влагоизбытков или теплопотерь в помещениях) реализовывался энергоэффективный режим воздухообработки. При этом должны использоваться все возможные резервы экономии тепла (холода) и электроэнергии и обеспечивается максимальный эксергетический КПД. Одна из важных особенностей такого подхода заключается в том, что для поиска экстремального значения искомого показателя не надо рассматривать большое число вариантов.

Это позволяет не только целенаправленно изменять величины определяющих параметров, но и для каждого их сочетания формировать возможно лучшие технологические схемы воздухообработки в центральном кондиционере СККВ (режимы его работы).

При графоаналитическом анализе режимов работы центральной СККВ необходимо учитывать возможные изменения тепловлажностных нагрузок во времени: нагрузки переменные в пределах каждого класса; нагрузки переменные с изменением классов в зависимости от параметров наружного воздуха. При изменениях QП,WП, GC границы требуемых параметров приточного воздуха перемещаются в I-d диаграмме, а значит изменяются границы зон, соответствующих режимов воздухообработки. В этом случае графически изображать расчетные схемы в I-d диаграмме трудно и тогда следует использовать только аналитическое описание процессов воздухообработки. Но как бы не изменялись границы зон в климатических условиях эксплуатации судовой СККВ, в любой конкретный момент времени они займут какое-то одно из положений. Отсюда следует, что рассмотрение расчетных технологических схем для трех классов сезонных нагрузок, при их постоянных значениях тождественно учету квазистационарного состояния при переменных нагрузках [3]. По этой причине, а также в целях упрощения принимаемых QП, WП в уравнениях (1), массовые расходы воздуха GC.min и GC.max считаются неизменными во времени. При реализации результатов графоаналитического анализа технологических процессов воздухообработки в СККВ, задача управления в САУ агрегатами центрального кондиционера сводится к определению текущего мгновенного положения области параметров приточноговоздуха и реализации Km , соединяющего текущие мгновенные значения Fhm в области параметров наружного воздуха в I-d диаграмме с соответствующими значениями Fпmk параметров приточного воздуха.

Управляемый центральный кондиционер должен привести параметры обработанного в нем воздуха к состоянию, характеризуемому заданным четырехугольником параметров приточного воздуха. В целях поддержания параметров воздуха в помещении в соответствии с санитарными нормами управление работой исполнительными устройствами агрегатов СККВ можно осуществлять, например, по отклонению от точки «У», характеризующей состояние заданных параметров в помещении и лежащей в области У1У2У3У4 оптимальных или допустимых температурно-влажностных параметров. При этом эффективность работы САУ СККВ определяется по величине отклонения параметров микроклимата в помещении от нормируемых их значений. Такой способ управления имеет преимущество перед регулированием по отклонению от заданных параметров приточного воздуха. Объясняется это существенным отличием состояния параметров приточного воздуха в условиях переменных тепловлажностных нагрузок от их заданных значений, что имеет место по мере транспортировки кондиционируемого воздуха к удаленным от центрального кондиционера помещениям судна.

Таким образом, используя результаты графоаналитического анализа технологических процессов воздухообработки в СККВ, можно обоснованно определять энергоэффективные режимы работы системы, а также проектировать и эксплуатировать САУ агрегатами СККВ. ■

Литература
1. Рымкевич А.А. Халамейзер М.Б. Управление системами кондиционирования воздуха. — М.: Машиностроение, 1977.
2. Сотников А.Г. Системы кондиционирования и вентиляции с переменным расходом воздуха — Л: Стройиздат, 1984.
3. Рымкевич А.А. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. — Спб.: 2003; М.: Стройиздат, 1990.