СИСТЕМА ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА С ПАССИВНЫМ РЕЖИМОМ АВАРИЙНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
VENTILATION AND AIR CONDITIONING SYSTEM WITH PASSIVE EMERGENCY COOLING

Изобретение относится к системе вентиляции и кондиционирования воздуха для помещения. Оно также относится к соответствующему способу работы.
Современные системы управления КИПиУ, в частности на атомных электростанциях, имеют более интенсивный выброс тепла в помещение для установки, и функция охлаждения стала более важной. Обычно охлаждение достигается за счет активной системы вентиляции и кондиционирования, которая подает охлажденный воздух в помещение для установки. В случае потери функции активного охлаждения, период отсрочки до того, как установленное оборудование достигнет максимально допустимой температуры, обычно составляет приблизительно только 2 часа.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение некоторого вида аварийного охлаждения для системы активной вентиляции и кондиционирования воздуха в случае потери функций активного охлаждения, в частности, из-за отключения электроэнергии. В частности, настоящий льготный период будет продлен. Система должна работать надежно и должна быть простой в установке и обслуживании.
Согласно изобретению эта цель достигается посредством системы вентиляции и кондиционирования воздуха, содержащей признаки по п.1 формулы изобретения.
Следовательно, предлагается создать систему вентиляции и кондиционирования воздуха для помещения в здании, причем помещение содержит источник тепла, а система вентиляции и кондиционирования воздуха включает источник охлажденного воздуха и вентиляционный канал,
- при этом вентиляционный канал содержит первичный впуск, соединенный с источником охлажденного воздуха, и выпуск, ведущий в помещение,
- причем несколько элементов аккумулирования тепла расположены внутри вентиляционного канала между первичным впуском и выпуском,
- так, что во время работы источника охлажденного воздуха, через вентиляционный канал проходит принудительный поток охлажденного воздуха, тем самым, охлаждая элементы аккумулирования тепла,
- при этом имеется вторичный впуск в вентиляционный канал, который находится в сообщении по потоку с помещением, и который во время работы источника охлажденного воздуха закрыт заслонкой, и
- причем заслонка предназначена для автоматического пассивного открытия при прекращении принудительного потока охлажденного воздуха из источника охлажденного воздуха,
- так, что поддерживается естественный конвекционный воздушный поток через вентиляционный канал, причем естественный конвекционный воздушный поток охлаждается посредством передачи тепла к элементам аккумулирования тепла.
Короче говоря, основная идея состоит в том, чтобы иметь пассивное переключение от активного охлаждения помещения к пассивному охлаждению с помощью элементов аккумулирования тепла и пассивной невозвратной заслонки. Существует пассивное переключение из режима принудительного охлаждения, при котором элементы аккумулирования тепла внутри вентиляционного канала охлаждаются, в режиме охлаждения с естественной конвекцией, причем предварительно охлажденные элементы аккумулирования тепла обеспечивают охлаждающую способность для естественной конвекции воздушного потока. Следовательно, если подсистема активного охлаждения перестает работать (например, из-за отключения электроэнергии), все еще существует некоторое аварийное охлаждение в течение льготного периода в несколько часов (пока не будет превышена охлаждающая способность элементов аккумулирования тепла). После пассивного охлаждения, когда активная подсистема восстанавливается, система автоматически возвращается к нормальной функции охлаждения.
Предпочтительно, элементы аккумулирования тепла содержат материал с переходом фазы. Материал с переходом фазы (материал, изменяющий свое фазовое состояние (PCM)) представляет собой вещество с высокой теплотой плавления, которое, плавясь и затвердевая при определенной температуре, способно накапливать и выделять большое количество энергии. Тепло поглощается или выделяется, когда материал изменяется от твердого к жидкому, и наоборот; таким образом, PCM классифицируются как блоки аккумулирования скрытого тепла.
Предпочтительно, материал с переходом фазы претерпевает фазовый переход из твердого вещества в жидкость в интервале температур, в основном от 16°С до 30°С.
Предпочтительно, материал с переходом фазы основан на гидратах соли или содержит их. Преимущества включают в себя: высокую объемную аккумулирующую способность скрытого тепла, доступность и низкую стоимость, относительно четкую точку плавления, высокую теплопроводность, высокую теплоту плавления, невоспламеняемость.
Предпочтительно элементы аккумулирования тепла имеют пластинчатую или листообразную форму, соответственно. Следовательно, они могут быть расположены параллельно и/или друг за другом (в так называемых блоках) с промежутками для воздушного потока между ними.
Предпочтительно, заслонка спроектирована так, чтобы автоматически закрываться пассивным образом из-за преобладающего давления воздушного потока внутри вентиляционного канала во время работы источника охлажденного воздуха.
Предпочтительно, сила открытия, действующая на заслонку, достигается массой и/или пружиной. Поэтому она постоянно действует на заслонку и открывает ее, как только сила закрытия падает ниже силы открытия.
Предпочтительно выпуск вентиляционного канала расположен близко к полу помещения, а вторичный впуск расположен близко к потолку помещения, чтобы поддерживать естественную конвекцию воздушного потока. По той же причине, вентиляционный канал является, по существу, прямолинейным и выровненным вертикально.
Соответствующий способ работы отличается тем, что во время работы источника охлажденного воздуха, элементы аккумулирования тепла охлаждаются принудительным потоком охлажденного воздуха, причем во время последующего режима естественной конвекции элементы аккумулирования тепла действуют как охладители для естественного конвекционного воздушного потока.
Таким образом, предпочтительный вариант осуществления системы вентиляции и кондиционирования воздуха согласно изобретению работает следующим образом:
a) При нормальной работе приточный воздух проходит через корпус, в котором находятся модули PCM (предпочтительно, установленные в испытанной сейсмической конструкции).
б) Приточный воздух с температурой около +17°C замораживает PCM внутри модулей.
c) Блок модулей PCM внутри корпуса рассчитан на заданный перепад давления при принудительном потоке воздуха при нормальной работе.
d) Этот перепад давления воздуха через блок модулей PCM гарантирует, что специальная невозвратная заслонка, предпочтительно с коромыслом веса, остается закрытой, так что воздух должен проходить через модули PCM, чтобы держать их постоянно замороженными при +17°C., так что классифицированный по безопасности корпус с модулями PCM потенциально доступен постоянно.
e) При нормальной работе, приточный воздух покидает корпус блока PCM на площади пола и распределяется по охлаждаемому оборудованию посредством свободной вентиляции в полу (более высокая плотность холодного приточного воздуха поддерживает поток воздуха внизу на низком уровне помещения).
f) В случае потери приточного воздуха (любой потери активного потока охлаждающего воздуха) открывается специальная невозвратная заслонка, установленная в верхней части конструкции.
g) Воздух внутри помещения нагревается электрическими (или другими тепло-рассеивающими) установками и поднимается к потолку помещения.
h) Там нагретый воздух поступает через открытую невозвратную заслонку (почти без потери давления из-за низкого воздушного потока) в корпус блока PCM.
i) Воздух проходит через промежутки между вертикально установленными модулями PCM и охлаждается при прохождении поверхности пластин PCM. Тепло воздуха проходит в материал PCM, который имеет заметный пик в определенном температурном диапазоне, где температура воздуха является квазипостоянной из-за включения скрытого тепла в материал PCM.
j) Чем выше температура воздуха в помещении под потолком, тем больше разница в плотности воздуха снаружи и внутри блока PCM. Благодаря этой разнице создается, по сути, безопасная конвекция воздушного потока в промежутках между модулями PCM, и сохраняется до тех пор, пока температура PCM ниже температуры воздуха в помещении. Постоянная температура PCM в широком диапазоне плавильной способности является основным положительным эффектом накопления латентной энергии и благоприятно влияет на поведение температуры воздуха в помещении.
k) Охлажденный воздух покидает блок PCM в области пола и направляется естественной тягой к генерирующим тепло установкам.
l) В случае, если принудительная вентиляция активируется снова (повторное включение электроэнергии), специальная невозвратная заслонка снова закрывается и модули PCM снова замерзают.
m) Опциональное измерение температуры перед и после блока PCM обеспечивает надежную информацию о состоянии тепловой нагрузки модулей PCM.
n) Система работает без дополнительного электрооборудования (за исключением дополнительных измерений температуры для условий тепловой нагрузки).
Система согласно настоящему изобретению обеспечивает внутреннее безопасное охлаждение помещения в течение определенного периода времени, который называется «льготным периодом». В течение этого установленного льготного периода максимально допустимая температура воздуха в помещении не превышается, поэтому установленное оборудование может работать в определенных условиях воздуха в помещении.
Требуемый льготный период является основой для определения размера установленной массы PCM внутри вентиляционного канала. Льготный период 24 часа может быть реализован с приемлемыми усилиями. На этом основании повышается безопасность охлаждения помещения и, в ядерном контексте, классификация активных частей системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в помещении может быть снижена, что приводит к значительному снижению затрат.
Пример осуществления изобретения показан на прилагаемых схематичных фигурах и описан более подробно в последующем описании.
Фиг.1 показывает вид сверху помещения, которое содержит ряд электрических или электронных компонентов измерительной аппаратуры и управления (КИПиУ), которые во время работы выделяют тепло.
Фиг.2 показывает вид сбоку в разрезе помещения вдоль сечения, указанного на фиг.1, в котором установлена система вентиляции и кондиционирования воздуха (VAC), а режим активной вентиляции отображается стрелками, указывающими поток воздуха.
Фиг.3 показывает вид сбоку в разрезе фиг.1, в котором визуализируется режим пассивной вентиляции.
Фиг.4 показывает более подробный вид в разрезе вентиляционного канала, видимого на фиг.2 и фиг.3.
Аналогичные компоненты обозначены одинаковыми ссылочными позициями на всех фигурах.
Фиг.1 показывает вид сверху помещения 2, в частности помещения управления на атомной электростанции, которое содержит ряд электрических/электронных компонентов, в частности компонентов 4 контрольно-измерительных приборов и управления (КИПиУ), которые во время работы выделяют тепло. Для поддержания температуры в помещении ниже допустимого максимального значения существует система 6 вентиляции и кондиционирования воздуха (VAC), которая во время работы нагнетает охлажденный воздух в помещение 2. В некоторых вариантах осуществления, имеется дополнительная интегрированная система отопления, обеспечивающая комбинированную систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC).
Нормальный режим работы системы 6 VAC показан на фиг.2, которая показывает вид сбоку в разрезе комнаты 2 вдоль сечения, указанного на фиг.1. В качестве примера, компоненты 4 КИПиУ размещены внутри шкафов 8 в центральной области помещения 2. Соответствующая система 6 VAC содержит вентиляционный канал 10, который со стороны впуска соединен с источником 12 охлажденного воздуха. Источник 12 охлажденного воздуха, который только схематично показан на фиг.2, может быть расположен вне помещения 2. Помимо выпуска 14, вентиляционный канал 10 также может быть расположен, по меньшей мере, частично, вне помещения 2 (см. дополнительно ниже). Вентиляционный канал 10 может содержать дополнительные секции, не показанные здесь. Источник 12 охлажденного воздуха может содержать электрический охладитель воздуха, например, холодильного типа с циклом сжатия пара или с термоэлектрическим охлаждением и воздуходувку или вентилятор для создания принудительного потока охлажденного воздуха через вентиляционный канал 10. Во время нормальной работы, охлажденный воздух покидает вентиляционный канал 10 на выпуске 14, который ведет в помещение 2. В качестве примера, выпуск 14 расположен рядом с полом 16 помещения 2 в периферийной области вокруг компонентов 4 КИПиУ. Следовательно, эти компоненты обтекаются охлажденным воздухом, и отработанное тепло, выделяемое из них, передается воздушному потоку. Затем поток нагретого воздуха выводится из помещения 2 через отверстие 18 для выпуска воздуха, предпочтительно, расположенное в верхней части помещения 2, чуть ниже потолка 20, с помощью еще одного вентилятора. На фиг.2, воздушный поток через вентиляционный канал 10 и через помещение 2 изображен соответствующими стрелками.
Если, например, из-за потери электрической энергии, источник 12 охлажденного воздуха перестает работать, температура в помещении 2, и между компонентами 4 КИПиУ может довольно скоро превысить критическое значение. Чтобы справиться с такой ситуацией, система 6 вентиляции и кондиционирования воздуха VAC согласно изобретению оснащена пассивной (аварийной) системой охлаждения и механизмом пассивного переключения из режима активного охлаждения в режим пассивного охлаждения. Этот режим пассивного охлаждения показан на фиг.3, где показан тот же вид сбоку в разрезе помещения 2, что и на фиг.1. Детали системы пассивного охлаждения и механизма пассивного переключения, которые оба встроены в вентиляционный канал 10 или присоединены к нему, показаны на фиг.4 в разрезе.
Как видно из фиг.3 и более подробно на фиг.4, вентиляционный канал 10 или канал, предпочтительно, содержит прямолинейную секцию, которая выровнена вертикально, что соответствует направленному вниз потоку охлаждающего воздуха во время нормальной операции охлаждения. Вентиляционный канал 10 закрыт корпусом 22. Сверху находится первичный впуск 24, который по текучей среде соединен с источником 12 охлажденного воздуха через канал подачи воздуха. Внизу, предпочтительно, расположенный чуть выше пола 16 помещения 2, имеется выпуск 14, который ведет в помещение 2. Выпуск 14 может содержать решетку 26.
Внутри вентиляционного канала 10 имеется ряд элементов 30 аккумулирования тепла, расположенных с помощью опорной структуры 32, таким образом, что при нормальной работе они обдуваются принудительным потоком охлажденного воздуха, обеспечиваемого источником 12 охлажденного воздуха. Существует некоторое падение давления, вызванное элементами 30 аккумулирования тепла, но оставшееся свободное пространство между элементами 30 аккумулирования тепла и/или между элементами 30 аккумулирования тепла и корпусом 22 гарантирует, что поток воздуха через вентиляционный канал 10 не будет заблокирован. Предпочтительно, элементы 30 аккумулирования тепла имеют пластинчатую форму с плоскими сторонами, ориентированными параллельно основному направлению потока, указанному стрелками. Некоторые из них могут быть установлены параллельно и/или друг за другом относительно направления потока. Элементы 30 аккумулирования тепла, предпочтительно, изготовлены из материала 34 с легким переходом из одной фазы в другую (материал с переходом фазы) или содержат его, и поэтому они также называются элементами PCM, или блоками PCM, или пластинами PCM, или модулями PCM. PCM 34 выбирается таким образом, чтобы во время нормальной работы охлажденный воздух, обеспечиваемый источником 12 охлажденного воздуха, который, например, имеет температуру 17°C, замораживал PCM 34, так что он находится в твердом состоянии.
Следовательно, при нормальной работе, принудительный поток охлажденного воздуха через вентиляционный канал 10 охлаждает и замораживает элементы 30 аккумулирования тепла и подготавливает их к последующему режиму аварийного охлаждения. После прохождения элементов 30 аккумулирования тепла, охлажденный воздух выходит из вентиляционного канала 10 через выпуск 14, дуя в область пола помещения между шкафами 8. Нагретый воздух, как следствие отходящего тепла КИПиУ, поднимается и извлекается из помещения 2 на выпуске 18 воздуха под потолком 20.
Перед элементами 30 аккумулирования тепла, то есть над ними, имеется вторичный впуск 36 в вентиляционный канал 10, который сообщается по потоку с помещением 2. Предпочтительно, вторичный впуск 36 расположен близко к потолку 20 помещения 2. Во время нормальной работы источника 12 охлажденного воздуха, вторичный впуск 36 закрыт заслонкой 40 или створкой. Однако в случае потери работы (H)VAC, заслонка 40 открывается автоматически, как описано далее ниже. Из-за преобладающего температурного расслоения в помещении 2, горячий воздух с температурой в диапазоне, например, от 24°С до 52°С, теперь поступает в вентиляционный канал 10 через вторичный впуск 36 и отдает тепло элементам 30 аккумулирования тепла в нем, тем самым, горячий воздух охлаждается и опускается в том же направлении потока, что и в режиме активного охлаждения. Таким образом, естественная конвекция потока через помещение 2 и через вентиляционный канал 10 устанавливается и поддерживается до тех пор, пока не будет превышена охлаждающая способность элементов 30 аккумулирования тепла. Этот режим пассивного охлаждения показан на фиг.3 стрелками, указывающими направление потока.
В процессе пассивного охлаждения, РСМ 34 элементов 30 аккумулирования тепла нагревается проходящим потоком горячего воздуха, тем самым, изменяя свое состояние из твердого на жидкое (плавление). Из-за изменения фазы и соответствующего латентного (скрытого) тепла может быть достигнута довольно большая теплоемкость. Элементы PCM, таким образом, действуют в качестве скрытого накопителя тепла, обеспечивая охлаждающую способность для естественной конвекции воздушного потока. Следовательно, температура РСМ 34 поддерживается примерно постоянной, пока он полностью не расплавится.
Вентиляционный канал 10, показанный на фиг.4, может быть расположен внутри помещения 2, то есть в пределах пространства, окруженного окружающими стенками 48, как показано на фиг.3. Однако, в альтернативном варианте осуществления, вентиляционный канал 10 может быть расположен внутри самой стены 48 или за стенкой 48 в другом помещении, при условии, что вторичный впуск 36 и выпуск 14 разветвляются в помещение 2. Однако, предпочтительно, поддерживать весь путь потока достаточно коротким и прямолинейным, чтобы поддерживать естественную конвекцию потока. В любом варианте осуществления, предпочтительно, включать термоизоляцию внутри и/или вокруг корпуса 22. Двери или окна для технического обслуживания в корпусе 22, облегчающие доступ к элементам 30 аккумулирования тепла, также являются предпочтительными. Весь корпус 22, предпочтительно, имеет модульную структуру, что облегчает установку и его увеличение, если это необходимо. Опорная рама 50 в нижней части вентиляционного канала 10 обеспечивает надежное и виброустойчивое положение на полу 16. Предпочтительно, соединительный элемент 60 сверху обеспечивает гибкое соединение с каналом приточного воздуха, поступающего из источника 12 охлажденного воздуха. Внутренняя опорная структура 32, к которой прикреплены элементы 30 аккумулирования тепла, предпочтительно предназначена для того, чтобы выдерживать и поглощать или демпфировать сейсмические нагрузки.
Для полностью пассивного переключения с активного на пассивное охлаждение, имеется специальная невозвратная заслонка или кратко заслонка 40, размещенная внутри или кратко после вторичного впуска 36, которая автоматически закрывается во время операции активного охлаждения благодаря преобладающему давлению принудительного потока воздуха, учитывая противодавление, создаваемое элементами 30 аккумулирования тепла. Заслонка 40 предназначена для автоматического пассивного открытия, когда принудительный поток охлажденного воздуха и, следовательно, соответствующее давление закрытия прекращается. Это предпочтительно достигается посредством пружинного элемента и/или груза 52 и/или собственного веса, переводящего заслонку 40 в открытое состояние. Может иметься рычаг 54, в частности пружинный и/или нагруженный грузом рычаг, чтобы увеличить силу открытия до подходящего уровня. Другими словами, заслонка 40 отпускается и удерживается открытой в положении покоя за счет силы пружины и/или груза и закрывается только давлением, вызванным принудительным потоком внутри вентиляционного канала 10, который превышает усилие открытия. После возврата принудительной вентиляции и охлаждения, заслонка 40 автоматически снова закрывается, так что элементы 30 аккумулирования тепла снова охлаждаются и замораживаются.
Детали конструкции могут отличаться в некоторой степени. Например, первичный впуск 24 и вторичный впуск 36 могут быть расположены на противоположных сторонах в верхней части корпуса 22, как показано на фигурах 2 и 3 или, альтернативно, рядом или друг над другом или любым другим подходящим способом. В альтернативном варианте осуществления, указанном на фиг.4, они могут быть размещены в участке канала 62 для приточного воздуха, который соединен с корпусом 22 посредством соединительной детали 60. В этом случае, соответствующий участок канала 62 приточного воздуха может рассматриваться как часть вентиляционного канала 10. Дополнительные направляющие лопатки 66 могут быть полезны для обеспечения - с учетом активного вентиляционного потока воздуха - достаточного импульса для невозвратной заслонки, чтобы изменить положение из открытого на закрытое. Конечно, несколько вентиляционных каналов 10 могут быть размещены в одном помещении 2, предпочтительно, в параллельной конфигурации относительно принудительного воздушного потока, создаваемого источником 12 охлажденного воздуха. В этом случае канал 62 приточного воздуха содержит соответствующие ответвления, как показано на фиг.1. Конечно, источник тепла внутри помещения 2 может быть другого типа, чем электрические/электронные компоненты, описанные выше.
В целом, относительно длительный льготный период, предпочтительно, 24 часа в ядерном контексте, пассивного (аварийного) охлаждения достигается после прекращения работы (H) VAC, при условии, что количество элементов 30 аккумулирования тепла, конкретно PCM 34 и геометрия каналов потока выбираются соответствующим образом с учетом фактических потребностей в охлаждении.
PCM 34 элементов 30 аккумулирования тепла, предпочтительно, выбирается таким образом, чтобы он замерзал при контакте с потоком охлажденного воздуха, обеспечиваемым источником 12 охлажденного воздуха, который обычно имеет температуру в диапазоне от 16°C до 30°C. С другой стороны, PCM 34, предпочтительно, плавится в режиме естественной конвекции при температуре плавления в диапазоне от 16°C до 30°C. В отношении этого гистерезис замораживания/плавления должен быть принят во внимание.
Подходящие материалы включают парафины или гидраты солей. Блоки РСМ на основе гидратов солей являются предпочтительными, поскольку они являются негорючими или, по меньшей мере, трудно воспламеняемыми. Кроме того, они не имеют эффекта памяти, отрицательно влияющего на их тепло аккумулирующую способность при прохождении нескольких циклов замораживания и плавления. Гидраты соли также обладают высокой объемной способностью аккумулировать скрытое тепло.
2
В ходе экспериментов и численных расчетов было подтверждено, что стопка, например, из 400 таких блоков PCM с гидратом соли внутри вентиляционного канала 10, каждый из которых имеет размер приблизительно 1100 × 700 × 2500 мм, вес приблизительно 1400 кг (включая корпус и несущую раму), а теплоемкость около 183000 кДж может обеспечить 12 таких вентиляционных каналов 10 с необходимой общей охлаждающей способностью в диапазоне примерно 2200000 кДж для помещения площадью около 160 м и высотой 3,4 м с тепловой нагрузкой приблизительно 25,5 кВт в течение не менее 24 часов.
Список ссылочных позиций
2 помещение
4 компонент КИПиУ
6 система напряжения переменного тока
8 шкаф
10 вентиляционный канал
12 источник охлажденного воздуха
14 выпуск
16 пол
18 выпуск воздуха
20 потолок
22 корпус
24 первичный впуск
26 решетка
30 элемент аккумулирования тепла
32 опорная структура
34 материал, изменяющий свое фазовое состояние
36 вторичный впуск
40 заслонка
44 воздушный поток
48 стенка
50 основная рама
52 груз
54 рычаг
60 соединительная деталь
62 канал подачи воздуха
66 направляющая лопатка