Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Кондиционер с NZE DEC-системой для производственных помещений

В. Е. Воскресенский, профессор, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет

А. М. Гримитлин, директор ООО НПП «Экоюрус-Венто»

Дано обоснование конструкции кондиционера с трехроторной системой осушительного и испарительного охлаждения — Desiccative and Evaporative Cooling (DEC), предназначенного для обслуживания производственных помещений, обеспечивающего нулевое энергопотребление — Net Zero Energy (NZE) при нагревании и охлаждении приточного воздуха (далее — кондиционер с NZE DEC-системой).

Технический результат обеспечивается за счет снабжения кондиционера с двухроторной DEC-системой дополнительной вытяжной камерой горячего воздуха, получаемого при использовании отходящих дымовых газов от топок и сушильных агрегатов.

Приведен новый метод расчета параметров воздушных потоков кондиционера, позволяющий определить значения температуры горячего воздуха на входе в кондиционер, обеспечивающие получение заданной температуры приточного воздуха при изменении температуры наружного воздуха в диапазоне от -30 до +32 °С.

Приведены расчетные формулы. На примере показан алгоритм расчета параметров воздушных потоков по зонам кондиционера в холодный и теплый периоды года.

Требования «зеленого» строительства

Согласно требованиям «зеленого» строительства, сертифицируемого международной программой BREEM, системы ОВК нового поколения должны обеспечивать «устойчивость среды обитания» [1].

Современные инженерные системы ОВК должны не только быть энергоэффективными, но и соответствовать принципам устойчивости, в частности, не вредить экологии и в максимальной мере использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ) [1].

Для снижения выбросов парниковых газов в атмосферу в странах Европы Европейской комиссией поставлена задача строительства зданий с нулевым энергопотреблением (NZEB) и зданий с околонулевым энергопотреблением (nZEB) [2], обеспечивающих нулевой или околонулевой энергетический баланс в годовом цикле. При этом указанная задача рассматривается на уровне не только отдельных зданий, но и городов в целом [3]. В России поставлена задача создания интеллектуальных инженерных систем зданий [4].

Системы кондиционирования должны обеспечивать создание комфортного климата в помещениях при минимальных энергозатратах [5]. Уменьшение энергозатрат при кондиционировании сокращает эмиссию диоксида углерода СО₂ в атмосферу и способствует снижению объемов образования парниковых газов.

Обеспечение комфортного микроклимата в рабочей зоне производственного помещения

Требования обеспечения комфортного микроклимата в производственных помещениях при минимальных энергозатратах выполняются при замене технологии раздельной подачи приточного и очищенного в фильтре рециркулируемого воздуха в производственное помещение на технологию смешения влажного приточного воздуха с более сухим рециркулируемым воздухом с последующей дозированной раздачей единого потока смешанного воздуха по рабочим местам производственного помещения через воздухораспределители «Арктос» [7].

При этом обеспечивается стабильность параметров микроклимата в производственном помещении:

а) устраняются температурные сквозняки, возникающие от перекрестных потоков рециркулируемого и кондиционированного приточного воздуха при открывании дверей;

б) улучшается качество смешения кондиционированного приточного и очищенного рециркулируемого воздуха;

в) повышается равномерность раздачи единого потока смешанного воздуха, обогащенного атмосферным кислородом через воздухораспределитель переменного сечения по рабочим местам производственного помещения;

г) улучшаются параметры смешанного воздуха по комфортности восприятия при его раздаче по рабочим местам за счет повышения температуры смешанного воздуха и снижения влагосодержания по сравнению с приточным воздухом.

Реализация технологии смешения кондиционированного приточного воздуха с рециркулируемым воздухом

Технология смешения кондиционированного приточного и рециркулируемого воздуха реализована в рециркуляционном агрегате для производственных помещений [8, 9].

Рециркуляционный агрегат состоит из запатентованного инженерного оборудования — рукавно-картриджного фильтра [10–11] и кондиционера с гибридной DEC-системой [12].

Требования к кондиционеру для производственных помещений

Дальнейшее совершенствование рециркуляционного агрегата для производственных помещений должно осуществляться по пути повышения энергоэффективности кондиционера, входящего в состав рециркуляционного агрегата, и выполнения кондиционером следующих дополнительных требований.

Кондиционер для производственных помещений должен обеспечивать:

1. Работоспособность в диапазоне температур наружного воздуха от -30 до +32 °С, что позволит использовать его на всей территории России.

2. Отсутствие замерзания роторного рекуператора за счет подачи в линию основной вытяжки кондиционера на вход адсорбционного роторного регенератора горячего воздуха, который при температуре наружного воздуха t₁ = -30 °C обеспечивает выполнение условия отсутствия замерзания ротора, что позволит устранить байпасный канал, вызывающий энергозатраты.

3. Нулевое энергопотребление (NZE) на нагревание и охлаждение приточного воздуха за счет применения горячего воздуха, получаемого с использованием отходящих дымовых газов, ранее выбрасывавшихся в атмосферу.

4. Устойчивость среды обитания за счет применения в нем экологически чистой DEC-системы охлаждения приточного воздуха, которой не обладает компрессор, работающий на фреоне.

5. Адаптивность к степени загрязнения воздуха по концентрации СО₂ в воздухе помещения, что повысит стабильность параметров микроклимата в рабочей зоне.

Принципиальная схема кондиционера с NZE DEC-системой

Рис. 1. Принципиальная схема кондиционера с NZE DEC-системой

Перечисленные требования полностью выполняются в кондиционере с NZE DEC-системой, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.

Линия основной вытяжки ЛОВ предназначена для удаления воздуха из производственного помещения, а линия дополнительной вытяжки ЛДВ — для подачи в дополнительную вытяжную камеру 13 горячего воздуха, полученного с применением отходящих дымовых газов от топок или сушильных агрегатов различных производств.

Кондиционер имеет три рекуператора. Рекуператор № 1 (поз. 5 на рис. 1) выполнен в виде адсорбционного роторного регенератора Fläkt Woods, работающего без инвертора. Значения эффективности рекуперации рекуператором № 1 по передаваемой теплоте Ф_t_R1 = 0,762 и передаваемой влаге Ф_d_R1 = 0,772, используемые в расчете параметров воздушных потоков кондиционера с NZE DEC-системой, приняты по работе [13]. Рекуператор № 2 (поз. 6 на рис. 1) и рекуператор № 3 (поз. 14 на рис. 1) выполнены в виде роторных рекуператоров-теплообменников, работающих с инверторами.

Кондиционер может работать в четырех режимах, в которых обеспечивается нулевое энергопотребление на нагревание и охлаждение приточного воздуха, — Net Zero Energy (NZE) за счет подвода к кондиционеру линии дополнительной вытяжки (ЛДВ) горячего воздуха, полученного с использованием отходящих дымовых газов, и имеющего температуру t₁₂ = 80÷90 °C.

Параметры приточного воздуха, обеспечиваемые кондиционером с NZE DEC-системой в холодный и теплый периоды года в режимах 1–4, приведены в табл. 1.

В режимах кондиционирования 1 и 2 адиабатический увлажнитель вытяжного воздуха 8 выключен.

Таблица 1.

Параметры приточного воздуха в режимах 1–4 кондиционера с NZE DEC-системой

(t_i, d_i, j_i — температура, влагосодержание, относительная влажность в i-й зоне кондиционера на рис. 1)

Расчет параметров воздушных потоков кондиционера с NZE DEC-системой

Таблица 2.
Алгоритм расчета и значения параметров вытяжного и приточного воздуха в кондиционере с NZE DEC-системой в холодный период года (режим 1) при Рбар = 101 000 Па

Таблица 2.
Алгоритм расчета и значения параметров вытяжного и приточного воздуха в кондиционере с NZE DEC-системой в холодный период года (режим 1) при Рбар = 101 000 Па
(продолжение)

Алгоритм расчета и значения параметров вытяжного и приточного воздуха по зонам кондиционера с NZE DEC-системой в холодный период года (режим 1) приведены в табл. 2.

Для определения влагосодержания d_i воздушных потоков в холодный период года был применен прямой алгоритм расчета (по направлению движения воздушных потоков в вытяжной и приточной камерах), а при определении температуры приточного и вытяжного воздуха в зонах 2 и 9 — обратный алгоритм.

На рис. 2 приведены параметры воздушных потоков по зонам кондиционера с NZE DEC-системой в холодный и теплый периоды года, нанесенные на принципиальную схему кондиционера.

Расчет параметров воздушных потоков в кондиционере с NZE DEC-системой в теплый период года по сравнению с холодным периодом имеет следующие особенности.

Для получения технически допустимых значений эффективностей рекуператоров № 2 и № 3 при работе в режимах 2–4, применен смешанный алгоритм определения температуры t₂ в зоне 2 кондиционера:

— в режимах 2 и 3 применен прямой алгоритм с определением t₂ по формуле

t₂ = t₁ +  (t₉ – t₁),

где t₉ — температура вытяжного воздуха на входе в рекуператор № 1, °С, t₉ = 70 °С;

— в режиме 4 — обратный алгоритм с определением t₂ по формуле

В режимах 3 и 4 для понижения температуры вытяжного воздуха на входе в рекуператор № 2 осуществляется адиабатическое увлажнение вытяжного воздуха, которое вызывает охлаждение вытяжного воздуха с t₆ = 19÷24 °C до t₇ = 13,8÷18,4 °C, т. е. на величину  Δt_2,3_охл = 5,2÷5,6 °С. Это позволяет увеличить перепад температур встречных потоков вытяжного и приточного воздуха на входах в рекуператор № 2, определяемый из выражения Δt_2,3_охл =  Ф_t_R2 (t₇ — t₂), и обеспечить требуемое охлаждение приточного воздуха в роторном рекуператоре № 2 с t₂ = 59,5÷50,4 °C до t₃ = 29,9÷24,8 °C, т. е. на  Δt_2,3_охл = 29,6÷25,6 °С. Далее приточный воздух, проходя через вентилятор, нагревается на 1 °С до t₄ = 30,9÷25,8 °C, после чего адиабатически увлажняется с d₄ = 9,28÷12,68 г/кг сух. возд. до d₅ = 13,27÷14,61 г/кг сух. возд., охлаждаясь при этом до t₅ = 21 °C, т. е. на величину   Δt_ад_охл =9,9÷4,8 °С.

Перед определением температуры вытяжного воздуха на выходе из адиабатического увлажнителя t₇ необходимо определить

Рис. 2. Параметры воздушных потоков в кондиционере с NZE DEC-системой по зонам в холодный период года (режим 1) и теплый период года (режимы 2–4): а — режим 1; б — режим 2; в — режим 3; г — режим 4

следующие параметры:

• влагосодержание вытяжного воздуха на входе в адиабатический увлажнитель d₆, г/кг сух. возд.;

• удельную энтальпию вытяжного воздуха i₆, кДж/кг при t₆ и d₆.

Температура вытяжного воздуха на выходе из адиабатического увлажнителя t₇ определяется по аналитической зависимости, приведенной в работе [14].

Заключение

1. Обоснована конструкция кондиционера с NZE DEC-системой, обеспечивающая нулевое энергопотребление — Net Zero Energy (NZE) на нагревание и охлаждение приточного воздуха:

— на нагревание в холодный период года до температуры t₅ = 15 °C и относительной влажности φ₅ = 0,868÷0,832 (в долях ед.) при температуре вытяжного воздуха t₆ = 18 °C, влагосодержании d₆ = 6,42 г/кг сух. возд. и изменении температуры наружного воздуха в диапазоне t₁ = 10÷(–30) °C;

— на охлаждение в теплый период года до температуры t₅ = 21 °C и относительной влажности φ₅= 0,776÷0,932 при температуре вытяжного воздуха t₆ = 18÷24 °C, влагосодержании d₆ = 6,42÷9,33 г/кг сух. возд. и изменении температуры наружного воздуха в диапазоне t₁ = 11÷32 °C.

2. Кондиционер с NZE DEC-системой предназначен для обслуживания производственных помещений с различными значениями относительной влажности в рабочей зоне j₆ (в долях ед.):

— помещений с высокой относительной влажностью (φ₆ > 0,75), в которые осуществляется прямая подача влажного кондиционированного воздуха в рабочую зону;

— помещений с нормальной относительной влажностью (φ₆ = 0,5), для которых осуществляется предварительное смешение кондиционированного приточного воздуха в пропорции 1:10 по объему с более сухим рециркулируемым в помещение воздухом (10 частей), а затем осуществляется раздача единого потока смешанного кондиционированного приточного и рециркулируемого воздуха по рабочим местам.

3. Кондиционер с NZE DEC-системой не имеет байпасного канала, воздухонагревателя и компрессора для охлаждения приточного воздуха, работающего на фреоне, что обеспечивает повышение надежности автоматики кондиционера, комфортный микроклимат в рабочей зоне производственного помещения за счет смешения влажного кондиционированного приточного воздуха с более сухим рециркулируемым в помещение воздухом, энергосбережение, снижение эмиссии СО₂ в атмосферу и устойчивость среды обитания, так как снимает проблему утилизации кондиционера при выработке кондиционером полного ресурса работы.

4. Кондиционер с NZE DEC-системой можно отнести к «экологически чистым» системам ОВК нового поколения, отвечающим требованиям «зеленого» строительства, сертифицируемого международной программой BREEM.

Литература

1. Alessandro Sandelewski. Новый век ОВК: проблемы и перспективы // АВОК. 2014. № 4. С. 4–14.

2. Шилкин Н. В. Здания с нулевым энергопотреблением — возможности и перспективы // Энергосбережение. 2015. № 7. С. 4–6.

3. Переход к безуглеродным городам. Информация на основе материалов журналов. Renva European, HVAC Journal. 2014. № 6 и 2015. № 3.

4. Табунщиков Ю. А. Здание должно мыслить. Новогоднее эссе // АВОК. 2016. № 1. С. 4–7.

5. Twin Wheel System — комфорт жизни // Научно-технический журнал. Инженерные системы. АВОК Северо-Запад. 2015. № 2. С. 24–25.

6. Ефремов М. Н. Legionella: меры предосторожности при проектировании и эксплуатации инженерных систем зданий // АВОК. 2014. № 3. С. 40–44.

7. Арктос. Искусство комфорта. Вентиляция. Отопление. Кондиционирование. 2015 год. Производство оборудования.

8. Рециркуляционный многофункциональный агрегат для производственных помещений // В. Е. Воскресенский, А. М. Гримитлин, Д. А. Захаров // Научно-технический журнал. Инженерные системы. АВОК Северо-Запад. 2016. № 1. С. 16–25.

9. Патент РФ на изобретение № 2569245. Рециркуляционный агрегат для производственных помещений / В. Е. Воскресенский, А. М. Гримитлин, Д. А. Захаров. Опубл. 20.11.2015. Бюл. № 32.

10. Патент РФ на изобретение № 2539156. Фильтр рукавно-картриджный для очистки воздуха от механических примесей / В. Е. Воскресенский, А. М. Гримитлин, Д. А. Захаров. Опубл. 10.01.2015. Бюл. № 1.

11. Воскресенский В. Е., Гримитлин А. М., Новикова О. В., Захаров Д. А. Энергосберегающие рукавно-картриджные фильтры многоотраслевого применения. Показатели эффективности инвестиционного проекта // Научно-технический журнал. Инженерные системы. АВОК Северо-Запад. 2012. № 4. С. 18–28.

12. Патент РФ на изобретение № 2594967. Кондиционер с гибридной системой осушительного и испарительного охлаждения / В. Е. Воскресенский, А. М. Гримитлин, Д. А. Захаров. Опубл. 20.08.2016. Бюл. № 23.

13. Панфилов С. А. Fläkt Woods. Два колеса Twin Wheel лучше, чем одно // АВОК. 2014. № 5. С. 52–54.

14. Воскресенский В. Е., Гримитлин А. М. Адиабатическое увлажнение воздуха в кондиционерах с DEC-системой. Расчет величины косвенного охлаждения // Научно-технический журнал. Инженерные системы. АВОК Северо-Запад. 2015. № 4. С. 16–21.

Скачать статью в pdf-формате: Кондиционер с NZE DEC—системой для производственных помещений