ПОСОБИЕ
ПО КОНДИЦИОНИРОВАНИЮ ВОЗДУХА
(к СНиП 2.08.02-89)

УТВЕРЖДЕНО приказом Центрального научно-исследовательского и проектно-экспериментального института инженерного оборудования городов, жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП инженерного оборудования) Госкомархитектуры от 21 декабря 1988 г. N 74

Рекомендовано к изданию решением секции отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха научно-технического совета ЦНИИЭП инженерного оборудования Госкомархитектуры.

Приводятся технологические схемы круглогодичных энергосберегающих систем с управляемыми процессами понижения теплосодержания и адиабатной обработки воздуха, а также схемы их автоматического регулирования, расчетные формулы, номограммы и примеры расчета.

Для специалистов, занимающихся проектированием, расчетом и эксплуатацией установок кондиционирования воздуха и вентиляции.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее Пособие разработано в соответствии с планом важнейших научно-исследовательских работ в области строительства. Цель работы - облегчить внедрение в практику проектирования и строительства новых и реконструируемых зданий энергосберегающих круглогодичных систем кондиционирования и вентиляции. Энергосберегающая технология в этих системах основана на осуществлении управляемых процессов тепловлажностной обработки воздуха в контактных аппаратах (управляемых процессов понижения теплосодержания: осушения, сухого охлаждения и увлажнения, а также управляемых адиабатных процессов).

Применение новой энергосберегающей технологии позволяет до 50% сокращать расходы теплоты по сравнению с традиционными системами. Приводимые технологические схемы новых систем и функциональные схемы их автоматического регулирования базируются на выпускаемом в настоящее время оборудовании для типовых центральных кондиционеров КТЦ-3 и приборах автоматики. Применение энергосберегающих установок иллюстрируется примерами расчета, для облегчения которых проводятся методики расчета, рекомендации, расчетные формулы и номограммы.

Рекомендуется для управляемых процессов обработки воздуха применять также и блоки БТМ-2 кондиционеров КТЦ-3, используемые как единые тепломассообменные аппараты с противоточной схемой движения воды и воздуха.

Пособие разработано ЦНИИЭП инженерного оборудования (канд. техн. наук Л.М.Зусмановичем, инженерами 3.П.Добрыниной, М.И.Бруком).

1. УСТАНОВКИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПРОЦЕССАМИ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА

     
Общие положения

Энергосберегающая технология в системах вентиляции и кондиционирования, основанная на применении управляемых процессов тепловлажностной обработки воздуха, не требует для своей реализации каких-либо новых теплообменных аппаратов, приборов автоматического регулирования и дополнительных площадей под машинные залы. Для ее осуществления используется серийное тепло- и массообменное оборудование с широкофакельными форсунками, а также новые функциональные схемы автоматического регулирования, собираемые из приборов также серийного изготовления.

Управляемые процессы дают возможность получать в большинстве случаев непосредственно после смесительных контактных аппаратов (например, оросительных камер) воздух с параметрами, соответствующими приточному, подаваемому в помещения. При этом отпадает необходимость применять традиционные установки с теплообменниками первого и второго подогрева и оросительными камерами, регулируемыми по "точке росы".

Управляемые процессы целесообразно использовать при проектировании или реконструкции установок кондиционирования воздуха в общественных и промышленных зданиях как в прямоточных системах и системах с рециркуляцией, так и в однозональных и многозональных системах.

При этом для охлаждения и понижения энтальпии воздуха в теплый период года рекомендуется применять как оросительные камеры типа ОКФ, так и поверхностные воздухоохладители (блоки БТМ-2).

Для увлажнения воздуха в холодный и переходный периоды года (а при необходимости и в теплый) рекомендуются те же оросительные камеры типа ОКФ или оросительные системы блоков тепло- и массообмена.

В настоящее время Харьковским заводом "Кондиционер" ПО Союзкондиционер в составе типовых центральных кондиционеров КТЦ 2 (а с 1989 года в составе кондиционеров КТЦ 3) серийно выпускается оборудование, оснащенное форсунками ШФ 5/9 (а для КТЦ 3 с форсунками ЭШФ 7/10), которое позволяет осуществлять управляемые процессы тепловлажностной обработки воздуха как в теплый, так и в холодный и переходный периоды года.

Данные для расчета указанных процессов на оборудовании с форсунками ШФ 5/9 приведены в [1]. Данные для расчета круглогодичных управляемых процессов на оборудовании, оснащенном эксцентриситетными широкофакельными форсунками ЭШФ, приведены в настоящих материалах.

Применение управляемых процессов дает возможность выполнить весьма важное требование п.2.8 СНиП 2.04.05-86 в части обеспечения в обслуживаемых помещениях в холодный и переходный периоды минимальных значений температуры и относительной влажности, а в теплый период их максимальных значений.

2. СУЩНОСТЬ УПРАВЛЯЕМЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ
ВОЗДУХА И ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА

2.1. Управляемыми процессами тепловлажностной обработки воздуха (УП) названы процессы, осуществляемые при переменной поверхности теплообмена между воздухом и водой.

Изменение поверхности теплообмена в смесительных контактных аппаратах (оросительных камерах, градирнях, аппаратах с кипящим слоем и пенных аппаратах) осуществляют при постоянной начальной температуре распыляемой воды ).

Поверхность теплообмена изменяют, как правило, переменой давления воды перед форсунками. В смесительных контактных аппаратах величину можно изменять также, меняя число оборотов  насоса периодическим включением форсунок (насоса) или изменением числа работающих стояков, форсунок и т.д.

Управляемые процесса с понижением энтальпии воздуха дают возможность получать непосредственно после оросительных камер воздух с переменной температурой по сухому термометру, но при практически постоянном влагосодержании, рис.1 (точки и ). Этот воздух в качестве приточного подают в обслуживаемые помещения. Средняя, прямолинейная часть кривой, см. рис.1, на которой располагаются конечные параметры воздуха после оросительной камеры, близка к вертикали, см. отрезок . Это дает возможность, изменяя температуру притока, поддерживать в помещении требуемые (заданные) параметры воздушной среды.

Рис.1. Кривые значений конечных параметров воздуха после оросительных камер за счет изменения давления воды перед форсунками (управляемые процессы понижения энтальпии воздуха в теплый период года)

А - при постоянном значении начальной температуры воды
В - при другом значении
- температуры приточного воздуха, в рабочей зоне и наружного

Управляемые процессы адиабатной обработки воздуха (УПА) также дают возможность получать непосредственно после смесительных аппаратов воздух с переменной температурой по сухому термометру, но с постоянной температурой по мокрому термометру, рис.2,а и б. Этот воздух также в качестве приточного подают в обслуживаемые помещения, см. т.3, на рис.2.

Рис.2. Сопоставление процессов обработки воздуха в традиционной системе и в системе с управляемыми процессами

     
а - прямоточные системы. Холодный и переходный периоды года; 1-2 (или 1-8) - процесс в теплообменнике первого подогрева;
2-3 - управляемый адиабатный процесс; 3 и 6 - параметры приточного воздуха; 4 и 7 - параметры воздуха в помещении;
5-6 - процесс в теплообменнике второго подогрева К-2; б - системы с рециркуляцией. Холодный и переходный периоды года;
1, 2 - соответственно расчетные параметры наружного и рециркуляционного воздуха; 3-4 - традиционный адиабатный процесс;
4 - параметры "точки росы"; 4-5 - подогрев воздуха в теплообменнике второго подогрева; 6 - параметры наружного воздуха;
7-8 и 11-5 - управляемые адиабатные процессы; 7-11 (равный 8-5) - подогрев воздуха в теплообменнике первого подогрева

2.2. Принцип УПА качественно отличается от традиционных способов обработки воздуха.

Несовершенство и неэкономичность традиционной технологии обусловлены нерешенной проблемой измерения, контроля и поддержания двух независимых друг от друга параметров воздуха - температуры и влагосодержания, которые изменяются по самостоятельным законам в процессе его тепловлажностной обработки. В настоящее время эти два параметра контролируют и измеряют одним терморегулятором, и для реализации этой идеи воздух в процессе орошения его водой вынуждены доводить до состояния насыщения. Только при этом условии температура воздуха однозначно определяет его влагосодержание и становится равной температуре по мокрому термометру и температуре "точки росы"(см. рис.2).

Такая технология предопределяет несовершенство термодинамических циклов в традиционных системах как в летний, так и в зимний и переходный периоды. Требуемая температура насыщения ниже температуры воздуха, подаваемого в обслуживаемые помещения, и поэтому в традиционных системах летом, например, приходится переохлаждать воздух, затрачивая излишний холод, а затем подогревать его до температуры притока, затрачивая излишнюю теплоту. Так же неэкономично работают системы в зимний и переходный периоды - сначала приходится переохлаждать воздух (при адиабатном процессе - без затрат холода), а затем подогревать его до температуры притока. Термодинамическая сущность новой энергосберегающей круглогодичной технологии заключается в проведении процессов тепловлажностной обработки воздуха при переменной поверхности теплообмена между воздухом и водой и при постоянной начальной температуре распыляемой воды, что позволяет управлять этими процессами, останавливать их и совершенствовать термодинамические циклы. Кондиционеры, в которых реализована новая технология, работают без теллообменников второго подогрева или байпасных воздуховодов у камер орошения.

2.3. Важным преимуществом применения управляемых процессов в системах вентиляции и кондиционирования воздуха является экономия тепловой энергии в холодный и переходный периоды года как в прямоточных установках, так и в системах, работающих с рециркуляцией [1].

Сокращение расходов теплоты в прямоточных установках с управляемыми процессами достигается за счет поддержания ими (в соответствии с требованиями п.2.8 СНиП 2.04.05-86) в помещениях требуемой температуры при минимально допустимой нормами относительной влажности и энтальпии (см. рис.2, а, т.4, процесс увлажнения 2-3 при °С и процесс в помещении 3-4). Традиционные прямоточные системы не могут обеспечить минимально допустимые параметры в т.4. В них параметры внутреннего воздуха соответствуют т.7 при °С и (традиционный адиабатный процесс 2-5 и процесс 5-6 в теплообменнике второго подогрева К-2).

Для обеспечения требуемых параметров в т.4 традиционной системой с теплообменниками второго подогрева в связи с ее органическими недостатками, вызванными обработкой воздуха в контактных аппаратах до , см. на рис.2, а т.9, температуры рециркуляционной воды и по мокрому термометру должны быть меньше нуля градусов. Такие температуры неприемлемы из условий работоспособности систем. Поэтому их выбирают положительными, равными не менее 5-7 °С, что обусловливает получение параметров в т.7 и, как следствие, необходимость иметь постоянный излишний расход теплоты в теплообменнике К-2 (процесс 5-6). Разность теплосодержания в точках 4 и 7, определяющая экономию, составляет в данном случае 5,2 кДж/кг (1,25 ккал/кг). Как показали расчеты, она в зависимости от процесса в помещении колеблется в среднем от 3,35 до 5,4 кДж/кг (от 0,8 до 1,3 ккал/кг). Средняя продолжительность стояния наружных температур воздуха до +5 °С составляет, как правило, не менее 3200 ч.

Экономия теплоты в прямоточных системах вентиляции и кондиционирования воздуха в холодный и переходный периоды составляет в среднем примерно 12500 кДж/кг (3000 ккал на 1 кг обрабатываемого воздуха). Как видно, расход теплоты при применении прямоточных систем с управляемыми процессами вместо традиционных сокращается более чем на 20%, что весьма существенно.

Экономия теплоты в рециркуляционных системах при применении управляемых процессов достигается в период работы в диапазоне стояния наружных температур от энтальпии, при которой отключается теплообменник первого подогрева К-1 в традиционных системах (см. рис.2,б, линия ), до энтальпии, характеризующей параметры притока в той же системе. Эта энтальпия равна энтальпии притока и в системе с УЛ. При обеспечении одинаковых параметров в помещении (т.7) экономия достигается за счет исключения в системах с УП расхода теплоты в теплообменнике второго подогрева и использования в течение всего указанного периода повышающегося термодинамического потенциала (энтальпии) наружного воздуха для получения требуемой энтальпии притока .

На рис.2,б представлена схема процессов обработки воздуха в системе с рециркуляцией. При определенном проценте рециркуляции в расчетном режиме смесь наружного (см. рис.2,б, т.1) и рециркуляционного (т.2) воздуха характеризуется параметрами в т.3. Ей соответствует традиционный процесс 3-4 адиабатной обработки воздуха до состояния насыщения, т.4, в камере орошения. После увлажнения воздух подогревают в калорифере второго подогрева (процесс 4-5) до параметров притока в т.5.

При повышении параметров наружного воздуха (например, до т.6) параметры смеси достигают более высокой температуры, т.7. Однако в традиционной системе это положительное обстоятельство не используется для сокращения расхода теплоты на подогрев смеси.

В традиционной системе более высокие параметры смеси, т.7, вновь приводят к состоянию в т.3 (за счет увеличения количества наружного воздуха в смеси), а затем и к прежнему состоянию насыщения в т.4. Поэтому, несмотря на повышение температуры и энтальпии наружного воздуха, на подогрев смеси от состояния насыщения, т.4, до состояния притока, т.5, затрачивается количество теплоты (процесс 4-5), равное ее расходу в расчетный холодный период.

B системе с управляемыми процессами, наоборот, повышающийся потенциал наружного воздуха используется для сокращения расхода теплоты.

Смесь воздуха с параметрами в т.7 нагревают до параметров в т.11. Величина подогрева 7-11 меньше величины 4-5. Процесс нагрева 7-11 осуществляют в новых системах в теплообменнике первого подогрева. Затем воздух в состоянии в т.11 адиабатно (при меньшем давлении воды перед форсунками и, следовательно, меньшей поверхности контакта) увлажняется до состояния в т.5.

Как показали расчеты, для климата средней полосы с применением управляемых процессов адиабатной обработки воздуха в системах с рециркуляцией годовой расход теплоты сокращается более чем на 50%, причем с увеличением количества рециркуляционного воздуха этот процент возрастает.

Системы, имеющие байпас у камеры орошения, также перерасходуют тепловую энергию. При повышении относительной влажности и температуры наружного воздуха система с байпасом позволяет получать только такой приточный воздух, который требует дополнительного подогрева. Расход тепловой энергии при этой технологии выше, чем в системе с управляемыми процессами.

Применение управляемых процессов в однозональных системах в теплый период года позволяет отказаться от теплоснабжения установок и исключить из состава центрального кондиционера теплообменник (калорифер) второго подогрева или байпасный воздуховод у камеры орошения с соответствующими камерами обслуживания.

2.4. Широкофакельные форсунки для кондиционеров КТЦ 2А и КТЦ 3 устойчиво работают в широком диапазоне давления воды перед ними, в том числе и в области малых давлений (от 15 кПа или 0,15 ати). Благодаря этому они позволяют в зависимости от расхода распыляемой воды плавно изменять площадь поверхности контакта между воздухом и водой и обеспечивать проведение управляемых процессов тепло- и влагообмена.

Эксцентриситетные щирокофакельные форсунки имеют диаметр выходного отверстия 10 мм (при диаметре входа 7 мм). Смещение сопла позволило улучшить качество распыливания и уменьшить коэффициент неравномерности распределения воды.

С увеличением диаметра существенно снизилась засоряемость форсунок при их эксплуатации.

Расходная характеристика эксцентриситетной широкофакельной форсунки ЭШФ 7/10 приведена на рис.3.

Рис.3. Расходная характеристика эксцентриситетных широкофакельных форсунок ЭШФ 7/10

     
, кг/ч (где - расходный коэффициент, - давление перед форсунками, ати)

2.5. В результате применения управляемых процессов достигается экономический эффект, оцениваемый на каждые 10 тыс.м       /ч производительности системы по воздуху от 2,5 до 9 тыс. рублей. При этом экономия теплоты в зависимости от вида заменяемых систем колеблется от 25 до 90 Гкал/год (105-375 ГДж).

3. СХЕМЫ И ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ УСТАНОВОК
С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПРОЦЕССАМИ

3.1. Для осуществления управляемых процессов тепловлажностной обработки воздуха необходимы специальные схемы автоматического регулирования установок вентиляции и кондиционирования воздуха, в которых реализованы основные принципы, составляющие отличительные особенности и сущность этих процессов, а именно:

1) температура воздуха в обслуживаемом помещении поддерживается на требуемом уровне изменением поверхности теплообмена между воздухом и водой в смесительных контактных аппаратах, путем воздействия датчика температуры воздуха, устанавливаемого в помещении или в приточном воздуховоде, на привод регулирующего клапана, расположенного перед оросительной системой после насоса и меняющего давление воды перед форсунками.

Изменение поверхности контакта воды с воздухом в зависимости от повышения (или падения) заданной температуры воздуха принято за основу для всех схем автоматического регулирования систем с управляемыми процессами тепловлажностной обработки воздуха;