СИСТЕМА ВОЗДУХООБМЕНА ПОМЕЩЕНИЯ С ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛА

Полезная модель относится к области кондиционирования и вентиляции и предназначена для обеспечения требуемого температурного режима в помещениях с энерготеплогенерирующими установками, работающими без обслуживающего персонала, - например, в помещениях электростанции контейнерного типа.
Известно множество устройств аналогичного назначения разного уровня сложности. В зависимости от условий эксплуатации схемы обработки воздуха могут быть как прямоточные, так и с применением рециркуляции. При этом любая из схем содержит комплекс устройств автоматического регулирования параметров воздуха (например, температуры, влажности, химического состава и т.п.). Конкретная реализация таких схем определяет качество регулирования и конечные параметры воздуха в помещениях, а также стоимость всей системы и энергозатраты на ее эксплуатацию.
С точки зрения экономии энергозатрат интерес представляют устройства и системы, в которых для обеспечения требуемого температурного режима в помещениях используется тепло от внутренних источников и рециркуляция воздуха (теория вопроса изложена в книге Нестеренко А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. - М., «Высшая школа», 1971 г., 459 с., с.184-197 и с.432-441).
На практике, например, известна система кондиционирования воздуха теплонапряженных помещений, в которой происходит смешение наружного и внутреннего воздуха, удаляемого из обслуживаемого системой помещения и подаваемого на повторную обработку (см. патент РФ «Способ кондиционирования теплонапряженных помещений» №2129242 С1 от 14.07.1998 г., МПК F 24 F 3/00 и его развитие патент РФ «Способ кондиционирования теплонапряженных и тепловлагонапряженных помещений» №2204765 С1 от 08.11.2001 г., МПК F 24 F 3/00). В обоих случаях регулируется количественное соотношение наружного и рециркуляционного потоков воздуха, а также происходит подогрев смеси воздуха в холодное время года и ее охлаждение в теплое время года.
Недостатком данной системы является повышенный расход холода, так как вся смесь воздуха, подаваемого в помещение, охлаждается до температуры приточного воздуха. Как следствие, повышаются энергозатраты. Кроме того, система регулирует также влажность воздуха в соответствии с санитарными нормами, что вполне оправдано для помещений с постоянным присутствием людей, но является избыточным для помещений, в которых персонал появляется эпизодически.
Особенностью описанных систем является также тот факт, что в обоих случаях оборудование систем кондиционирования расположено вне помещений, в которых необходимо создать комфортные по температуре и влажности условия. Это исключает возможность их применения в малогабаритных теплонагруженных помещениях, каковыми являются, например, электростанции контейнерного типа.
Известна установка вентиляции приточно-вытяжная с утилизацией теплоты (патент РФ на полезную модель №47493 от 10.12.2003 г., МПК F 24 F 12/00), состоящая из теплообменника и двух вентиляторов - приточного и вытяжного, выполненная единым прибором, который устанавливается на границе между помещением и улицей. Однако в данном решении регулирование тепловых потоков происходит, очевидно, простым
включение/выключением установки в целом, в связи с чем устройство не приспособлено к использованию в помещениях с постоянными источниками тепла.
Наиболее близким к заявляемому является решение, примененное в автоматизированных дизельных электростанциях контейнерного исполнения, которые выпускает ООО «Бокситогорское электромеханическое предприятие» (документация на изделие прилагается).
Прототип содержит автоматическую систему обеспечения температурного режима, включающую в том числе систему рециркуляции воздуха и систему вентиляции. Заявленные функции реализуются с помощью двух управляемых воздушных клапанов с исполнительными механизмами, вентилятора, двух электроконвекторов (нагревателей) и блока управления. Один из клапанов обеспечивает приток входного (наружного) воздуха, а второй - отток и регулирование выводимого из контейнера воздуха. При запуске электроагрегата первый клапан полностью открывается, и наружный воздух активно поступает в помещение. Работа второго клапана регулируется в зависимости от температуры наружного воздуха и температуры внутри контейнера.
К недостаткам прототипа можно отнести:
- значительный перепад температуры по объему контейнера из-за расположения воздушных клапанов на соседних перпендикулярных стенках контейнера;
- как следствие этого - неравномерный отвод тепла от теплонагруженного объекта (генератора);
- наличие застойной воздушной зоны вдоль одной из сторон теплонагруженного объекта по той же причине;
- вероятность понижения температуры среды у агрегата ниже допустимого уровня вследствие того, что воздух, поступающий в контейнер снаружи, попадает непосредственно на генератор (см. рисунок,
прилагаемый к описанию прототипа). При низких отрицательных температурах наружного воздуха это может привести к выходу генератора из строя;
- процесс рециркуляции воздуха в контейнере обеспечивается только регулированием угла открытия второго, выпускающего клапана, что недостаточно для активной конвекции.
Задачей предлагаемого решения является повышение эффективности воздухообмена и обеспечение требуемого температурного режима в помещении с источником тепла.
Для решения поставленной задачи в систему воздухообмена помещения с источником тепла, содержащую нагреватель воздуха, первый и второй воздушные клапаны с исполнительными механизмами, причем, первый регулирует приток, а второй - отток воздуха и оба расположены на параллельных наружных стенках теплонагруженного помещения, вентилятор, датчик температуры и блок управления, введены смесительная камера, камера оттока воздуха и воздуховод с перепускным клапаном (клапаном рециркуляции), соединяющий камеры. При этом смесительная камера расположена между первым воздушным клапаном и нагревателем, камера оттока воздуха - между вторым воздушным клапаном и вентилятором, а воздуховод с перепускным клапаном расположен между камерами.
Выделение введенных дополнительных элементов как составных частей системы воздухообмена может быть реализовано с помощью установки в контейнере конструктивных перегородок. Вертикальные образуют обе камеры - смесительную и камеру оттока воздуха, а горизонтальная - воздуховод, при этом нагреватель может быть установлен в первой перегородке, вентилятор - во второй, а перепускной клапан - между третьей, горизонтальной, перегородкой и крышей помещения.
Воздушные и перепускной клапаны могут быть снабжены механизмами регулирования воздушных потоков типа жалюзи, которые изменяют свое положение относительно воздушных потоков. Это изменение
возможно за счет взаимодействия механизмов с датчиком температуры и блоком управления.
Введение дополнительных элементов в систему воздухообмена замкнутого помещения с внутренним источником тепла позволяет:
- обеспечить равномерность температурного поля по всему объему помещения и как следствие этого - равномерный отвод тепла от теплонагруженного объекта (генератора);
- исключить образование застойных воздушных зон возле генератора, так как постоянно присутствует принудительная конвекция;
- в холодное время года изолировать генератор от наружного воздуха, что при отрицательных наружных температурах позволит предотвратить переохлаждение генератора и выход его из строя;
- активно использовать выделяемое генератором тепло в режиме рециркуляции;
- использовать искусственный подогрев воздуха только в случае особо низких температур наружного воздуха. Это позволит свести к минимуму энергозатраты на обслуживание системы;
- в теплое время года, при высокой температуре наружного воздуха, исключить использование нагретого генератором воздуха в воздухообмене путем закрытия перепускного клапана (клапана рециркуляции) в воздуховоде и активизировать искусственную вентиляцию за счет полного открытия клапанов притока и оттока воздуха и работы вентилятора (создать эффект сквозняка).
Заявляемая система воздухообмена представлена на фиг.1.
В помещении контейнера 1 расположен источник тепла - генератор 2. Все остальные устройства, размещенные в контейнере 1, образуют систему его воздухообмена. На торцевых наружных стенках контейнера 1 напротив друг друга установлены два клапана: клапан, регулирующий приток воздуха 3 и клапан, регулирующий отток воздуха 4. Перегородки 5, 6 и 7,
расположенные параллельно торцевым и верхней стенкам контейнера 1 соответственно, образуют смесительную камеру 8, камеру оттока воздуха 9 и воздуховод 10, в который встроен перепускной регулируемый клапан 11 (клапан рециркуляции). На перегородке 5 напротив клапана притока воздуха 3 размещен нагреватель 12, ниже -  датчик температуры 13 и блок управления 14. На противоположной перегородке 6, напротив клапана оттока воздуха 4 расположен вентилятор 15.
Система воздухообмена помещения работает следующим образом.
Воздух, находящийся в помещении, например, в контейнере 1, нагревается от внутреннего источника тепла - генератора 2. Вентилятор 15 направляет нагретый от генератора воздух в камеру оттока воздуха 9, в которой воздушный поток делится на два. Один из них через воздушный клапан 4, регулирующий отток воздуха, устремляется наружу, а второй по воздуховоду 10 через перепускной клапан 11 попадает в смесительную камеру 8. Здесь теплый воздух, смешиваясь с наружным холодным воздухом, который поступает через клапан 3, нагревает его.
Количество воздуха, отводимого из помещения наружу, определяется углом открытия створок жалюзи в клапане 4 и зависит от температуры наружного воздуха, поступившего в помещение через клапан 3. Контроль температуры осуществляется с помощью датчика температуры 13, а регулирование угла открытия жалюзи - с помощью блока управления 14.
(Примечание. Воздушные клапаны, аналогичные используемым в предлагаемом решении, всегда снабжены поворотными створками типа жалюзи. Термин «клапан закрыт» означает, что створки полностью перекрывают проем клапана, при этом створки перпендикулярны воздушному потоку. Термин «клапан открыт» означает, что створки параллельны воздушному потоку. Створки могут принимать любое положение между этими двумя крайними. Изменение угла открытия клапана приводит к изменению сопротивления потоку воздуха через клапан, а значит и к изменению расхода воздуха).
При повышении температуры воздуха, поступающего из смесительной камеры 8, выше заданной, датчик температуры 13 передает сигнал в блок управления 14 о необходимости увеличения потока воздуха. Блок управления 14 формирует команду на увеличение угла открытия створок, которая передается исполнительным механизмам клапанов 3 и 4.
При понижении температуры воздуха, поступающего из смесительной камеры 8, ниже заданной, датчик температуры 13 передает сигнал в блок управления 14 о необходимости уменьшения потока воздуха. Блок управления 14 формирует команду на уменьшение угла открытия створок, которая также передается исполнительным механизмам клапанов 3 и 4.
В случае если тепла, выделяемого внутренним источником - генератором 2, недостаточно для нагрева поступающего снаружи воздуха до нужной температуры, включается нагреватель воздуха 12.
В летнее время года, когда температура наружного воздуха положительная, нагреватель воздуха 12 не используется и применяется принудительная вентиляция помещения. При этом полностью открываются створки обоих клапанов - притока 3 и оттока 4 - и закрывается перепускной клапан 11 в воздуховоде 10. В результате тепло от источника 2, поднимаясь вверх, за счет вытяжки (сквозняка) уносится наружу.
Предлагаемые изменения, дополнения и усовершенствования системы воздухообмена помещений с источником тепла за счет реорганизации внутреннего пространства помещения и взаимной компоновки составных элементов системы, а также использования энергии внутреннего источника тепла для нагрева воздуха, поступающего в помещение снаружи, способствуют решению поставленной задачи повышения эффективности воздухообмена и обеспечения требуемого температурного режима в помещении и одновременно позволят сократить энергозатраты на обслуживание системы.
Простота предлагаемого решения, основанного на использовании известных законов конвекционного теплообмена при минимальном наборе технических средств реализации, позволяет разработать конструкцию надежной и недорогой системы и сделать подобное решение привлекательным для производителей других видов оборудования аналогичного конструктивного исполнения.