Автор В.В. Вычужанин

Решению задач определения «оптимальных» (энергетически эффективных) режимов тепловлажностной обработки воздуха в системе комфортного кондиционирования воздуха (СККВ) посвящены, выполненные в разные годы, многочисленные исследования. На основе классического анализа в I-d диаграмме авторы стремились определить «оптимальные» режимы тепловлажностной обработки воздуха в центральном кондиционере с учетом изменяющихся состояний наружного воздуха. Так, в работе [1] на основе развития термодинамического метода оценки способов кондиционирования воздуха, было предложено для управления СККВ использовать метод «оптимальных» режимов. Область наружного климата в I-d диаграмме разбивалась на зоны, которым соответствовали технологические схемы СККВ, работающие с пониженными эксплуатационными затратами. «Оптимальный» режим тепловлажностной обработки воздуха определялся зоной, в которой находились параметры наружного воздуха. Реализация режимов основывалась на использовании регулирования влагосодержания воздуха по методу точки росы. Автором предлагались варианты систем управления, предназначенные для однозональных СККВ, с преимущественной тепловлажностной обработкой воздуха в камере орошения. Определяя границы режимов в I-d диаграмме линиями постоянного влагосодержания, изотермами, изолиниями и кривой первой рециркуляции, в работе [2], была предложена математическая модель управления типовой СККВ. Прямой идентификацией выражались аналитические зависимости, представляющие исходные условия систем в виде двух термодинамических параметров воздуха (температура, относительная влажность или энтальпия, влагосодержание). Сравнивая текущее состояние наружного воздуха с граничными условиями, автором определялся признак режима. Связь исходных условий в СККВ с воздействиями на нее представлялась в аналитической форме. В качестве управляемых параметров использовались температура, относительная влажность или энтальпия, влагосодержание. Однако возможности метода косвенной идентификации (признак режима формируется на основе информации о состоянии энергопотребления в системе) не использовались из-за сложности на тот момент алгоритма и снижения надежности системы управления СККВ.

Проанализировав модель типового центрального кондиционера — с нагревом воздуха в калориферах, увлажнением в форсуночной камере, охлаждением и осушением в воздухоохладителе, в [3] было предложено методика расчета режимов работы СККВ при переменной тепловлажностной нагрузке на помещение в течение года. При этом были приняты допущения и упрощения: оптимальные параметры воздуха в помещении характеризуется точкой в I-d диаграмме; наружный климат-линией, связывающей среднемесячные параметры воздуха за год для данной местности.

А.А. Рымкевич на основании работ [1],[2], [3] по принципиальным и технологическим схемам СККВ предложил математическую модель, представляющую собой совокупность расчетных схем и уравнений. Модель предназначена для вычисления при заданных исходных условиях минимального неизбежного количества потребляемого тепла (холода), воздуха, т.е. технологических показателей для выполнения СККВ заданных функций. Модель была условно названа термодинамической т.к. в ней определяющими факторами являются термодинамические параметры внутреннего и наружного воздуха. Автор предложил более общий подход к СККВ, без связи с конкретным способом управления. Анализ и выбор оптимальных технологических схем производился в целях снижения энергетических затрат для различных заданных исходных условий. При этом систематизировались определяющие признаки по степени их влияния на расходы тепла, холода, воздуха. Параметры воздуха в рабочей зоне помещения были представлены областью допустимых их отклонений в I-d диаграмме. Оптимальный режим тепловлажностной обработки воздуха определялся классом нагрузки и зоной, в которой находятся параметры наружного воздуха. При этом в зоне допустимых параметров, по мнению автора, существует только единственная точка, которой соответствуют минимально неизбежные расходы тепла, холода, воздуха для заданных условий и какое-то любое термодинамическое состояние наружного воздуха. Однако для определенных исходных данных минимизация расходов тепла, холода и воздуха может быть достигнута при одном термодинамическом состоянии внутренней среды, а минимизация общего обмена — при другом. Это затрудняет построение расчетной схемы термодинамической модели из-за графического изображения в I-d диаграмме границ зон. Следует также отметить, что анализ режимов работы технологического оборудования центральных кондиционеров проводился в статических условиях, когда однозначно определяется положение всех многоугольников в диаграмме. В случае переменных термодинамических состояний наружного воздуха положение многоугольников в I-d диаграмме систематически изменяется и их построение затруднительно. Кроме того, часто получают границы режимов на I-d диаграмме влажного воздуха, совпадающие в пределах расчетной точности с границами предложенных в [4] режимов. Однако в некоторых зимних и летних режимах рекомендуется иная схема обработки воздуха в СККВ, обеспечивающая более экономичную ее работу. Это подтверждает известное положение, что не всегда минимальные значения технологических показателей (потребление тепла и холода на обработку воздуха) соответствуют оптимальным экономическим показателям системы в целом. В целях повышения теплотехнической эффективности СККВ, в качестве критерия оптимальности в [5], [6], использовался ее КПД. Принципиальные технологические схемы СККВ выбирались в результате их сравнения по энтальпийному КПД. Автор предложил при изменяющихся тепловых нагрузках на помещение использовать количественное регулирование СККВ, отказаться от второго подогрева и второй рециркуляции там, где это допускает тепловлажностный баланс помещения.

Предлагалось так же применять метод регулирования по «оптимальным» режимам на базе обычных средств автоматики, а так же использовать управляющие ЭВМ. В работе [7] в качестве критерия оптимальности был так же выбран энтальпийный КПД. Задача определения оптимальной последовательности тепловлажностной обработки воздуха в центральном кондиционере решалась на ЭВМ, используя уравнения теплового и материального балансов в помещении. ЭВМ осуществляла поиск оптимальной последовательности тепловлажностной обработки воздуха из возможных вариантов, а так же выбирала вариант с максимальным КПД. Предложенная система автоматического управления СККВ строилась на основе управляющей ЭВМ, производящей периодический контроль оптимальности и коррекцию режима работы системы. Недостаток энтальпийного КПД заключался в том, что с его помощью нельзя сравнивать СККВ, работающие на разных температурных уровнях.

В тех случаях, когда минимизируются энергозатраты, в качестве критерия оптимальности рядом авторов рекомендуется применять эксергетический показатель эффективности (эксергетический КПД е) в виде е _ max. Эксергетический анализ позволяет выбрать экономичную СККВ путем технико- и термоэкономического сравнения различных ее вариантов с последующей термодинамической оптимизацией режима работы выбранной схемы.

При рассмотрении технологического процесса кондиционирования воздуха, а значит при рассмотрении исходных технологических схем модели СККВ на I-d диаграмму наносятся нормируемые параметры воздушной среды в помещении, а также границы наружного климата. Как следует из работы [8] в основе математического моделирования СККВ могут быть приняты исходные термодинамические схемы (ИТС), т.е. графоаналитические построения на I-d диаграмме, которые обобщают условия функционирования СККВ, позволяя при их преобразованиях в расчетные схемы определить как режим системы в целом, так и технологические процессы всех подсистем. ИТС были представлены в двух видах: для идеальной и многофакторной моделей. Первая из них использовалась для выявления предельно желаемых параметров функционирования СККВ в заданных условиях.

К этим значениям автором рекомендовалось стремиться при разработке СККВ. Вторая обеспечивала выявление возможных отклонений от заданных условий при учете возникших ограничений и реальных характеристик оборудования СККВ. Следует отметить, что в [8] автором рассматривалась ИТС идеальной модели, т.е. на стадии расчета СККВ, обслуживающей одно помещение. При этом были приняты следующие условия:
1. Нормируемые параметры в рабочей зоне заданы на I-d диаграмме точкой, линией или областью.
2. Параметры удаляемого воздуха совпадают с параметрами в рабочей зоне.
3. Изменение параметров в СККВ имеет место только непосредственно в агрегатах тепловлажностной обработки воздуха.
4.Конечное состояние воздуха в процессах его обработки фиксируется в точках на I-d диаграмме, соответствующей теоретически возможному состоянию при данном режиме.

В работе [8] были выделены четыре класса нагрузок, определяющие условия функционирования СККВ. Каждому классу нагрузок соответствует свой состав режимов и технологических процессов, обеспечивающих энергосбережение и минимизацию выбранных критериальных показателей. Параметры наружного воздуха предлагалось определять по средним и экспериментальным значениям двух параметров наружного воздуха (точки на I-d диаграмме) за каждую декаду месяца года. В рассчитываемых схемах вся область измеренных параметров наружного воздуха для любого района, очерченную на I-d диаграмме кривой, делилась на зоны таким образом, чтобы для каждой из них можно было выбирать один из режимов. При этом возможно использовать все возможные резервы экономии тепла (холода), т.е. обеспечить минимизацию выбранных технологических показателей. Основное внимание обращалось на обобщение условий, определяющих особенности функционирования СККВ, в которых используется наружный воздух. Автор выяснял, как четыре класса нагрузок влияют на режимы и процессы функционирования СККВ. Для решения поставленной задачи уточнялась конфигурация СККВ (основные признаки принципиальных и технологических схем), а также профиль оборудования СККВ (принципиальные особенности технологических процессов, реализуемых в агрегатах). Достоинством предложенного метода является то, что был показан метод анализа режимов и соответствующих им технологических процессов для различных классов нагрузок в виде расчетных схем модели для идеальных СККВ.

Для всех рассмотренных методов оценки способов воздухообработки в СККВ общим является разработка основных теоретических положений минимизации расходов тепла (холода) и воздуха в результате оптимизации статических режимов работы центральных кондиционеров использованием результатов анализа их работы в I-d диаграмме. Принятые технические решения отражают взаимосвязь технологических схем СККВ и средств управления ими.

Для обеспечения рекомендуемых режимов работы предусматривается использование термодинамического потенциала наружного воздуха путем его подачи при переменном или постоянном объемном расходе. Область наружного климата в I-d диаграмме предлагается разбивать на зоны, которым соответствуют технологические схемы СККВ, работающие с пониженными эксплуатационными затратами. При этом признак режима определяется сравнением текущего состояния наружного воздуха с граничными условиями. «Оптимальный» режим тепловлажностной обработки воздуха определяется зоной, в которой находятся параметры наружного воздуха, а также классом нагрузки.

Проведенный анализ литературных источников также показывает, что оптимальные режимы тепловлажностной обработки воздуха в центральном кондиционере могут определяться не только на основе анализа процессов в I-d диаграмме по параметрам наружного воздуха, но и, например, по максимуму эксергетического КПД СККВ. При минимизации энергозатрат в качестве критерия оптимальности следует принимать эксергетический показатель эффективности в виде е = max.Такая задача до настоящего времени в полном объеме не решалась из-за относительно большого объема необходимых вычислений, а также неудовлетворительного использования термодинамической модели в системе автоматического управления СККВ. ■

Литература
1. Креслинь А.Я. Автоматическое регулирование систем кондиционирования — М.: Стройиздат, 1972.
2. Дзелзитис Э. Математическая модель процесса и управления многофункциональной системой кондиционирования воздуха // Вентиляция и кондиционирования воздуха зданий. — Меж.-вуз. сб. науч. тр. РПИ. — 1981. — № 13.
3. Гоголин А.А. Об оптимизации работы установок кондиционирования воздуха // Холодильная техника. — 1982. — № 3.
4. Рымкевич А.А. Халамейзер М.Б. Управление системами кондиционирования воздуха. — М.: Машиностроение, 1977.
5. Каприс Е.Е. Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха. — М: Стройиздат, 1986.
6. Карпис Е.Е. Повышение эффективности работы системы кондиционирования воздуха. — М:. Стройиздат, 1977.
7. Муратов В.Г., Никульча И.П. Эксергетический метод анализа эффективности систем кондиционирования воздуха // Холодильная техника. — 1980. — № 11.
8. Рымкевич А.А. Особенности метода обобщения условий функционирования СКВ за годовой цикл их эксплуатации // Арктический СН и П. — 2002. — Вып.№1 (9) . — с. 22-25.