Перспективы применения мембранных технологий при эксплуатации зданий

благоприятная среда жизнедеятельности человека

Перспективы применения

мембранный технологий при эксплуатации зданий

А.Ю. Окунев

НИИСФ РААСН, ОАО «Аквасервис»

Современные здания являются сложными конструкциями, включающими специальные инженерно-технические системы для обеспечения вентиляции, микроклимата, безопасности в случае пожара, безопасности при эксплуатации, защиты от шума и др. Все эти системы являются энергопотребляющими и вместе с отоплением здании определяют уровень энергопотребления около 45% от всей производимой в РФ тепловой энергии. Кроме того, перечисленные системы не являются достаточно высокоэффективными.

Для обеспечения микроклимата в помещениях необходима качественная работа вентиляции. В результате чего происходит воздухообмен с окружающей атмосферой, удаляются С02 и другие вредные вещества. В зимнее время воздухообмен с внешней атмосферой приводит к чрезмерной осушке воздуха в помещении, а в летнее время — к увлажнению. Использование вентиляции без рекуперации тепла является энергетически малоэффективным способом поддержания микроклимата. Если даже вентиляция не является принудительной, то в зимнее время процесс воздухообмена приводит к потерям тепла, который, по оценкам, доходит до 40% от общего теплопотребления здания. В летнее время может понадобиться дополнительное охлаждение воздуха в помещении за счет использования кондиционеров, которые потребляют много энергии и сушат воздух в помещениях.

0дной из проблем создания микроклимата является поддержание влажности в помещениях на необходимом уровне. Для этого используются принципы вентиляции, которые не всегда эффективны (например, в зимнее время вентилированием невозможно увлажнить воздух), и системы увлажнения или осушки. Все эти системы основаны на принципах фазовых переходов (конденсация или испарение воды) и являются энергоемкими.

Другие проблемы при эксплуатации зданий связаны с использованием сложных строительных конструкций. Например, в последнее время все большее распространение получили конструкции на основе многослойного остекления зданий. При этом на большей части территории РФ в зимнее время часто возникают проблемы, связанные с образованием конденсата воды на стеклянных поверхностях. 0бразование конденсата на непрозрачных участках наружных ограждений приводит к нарушению санитарно-гигиенических условий, образование грибков, плесени и т.д., что резко ухудшает экологическую обстановку. Доступным способом борьбы с конденсатом является периодическая продувка теплым или сухим воздухом.

Одним из перспективных способов решения ука-

занных проблем является использование принципов формирования искусственных атмосфер разного свойства. Например, для кондиционирования воздуха эффективным было бы использовать газоразделительную систему, способную регулировать влажность, удалять излишки С02 и компенсировать недостаток кислорода, причем с минимальным воздухообменом с внешней атмосферой. Такая система должна быть основана на принципах, исключающих фазовые переходы при конденсации и испарении воды.

Для осушки многослойных строительных конструкций, защиты инженерных сооружений и коммуникаций и обеспечения пожарной безопасности целесообразно использовать газоразделительные системы, которые производят из атмосферного воздуха сухой азот.

Подобные системы целиком и полностью могут базироваться на мембранных технологиях. Уже со второй половины XX века в науке и технике бурное развитие получило применение мембранных технологий для решения большого круга задач, спектр которых постоянно расширяется.

Мембраны используются в технологиях очистки и разделения различных веществ [1, 2, 3]. В России, как и во всем мире, разработаны высокоэффективные технологии хранения плодоовощной продукции в регулируемой газовой атмосфере. Контролируемая газовая атмосфера может быть использована также при производстве и хранении мясной и рыбной продукции, лесной недревесной и древесной продукции. Особое место занимает использование мембранных технологий в задачах покомпонентного разделения атмосферного воздуха. За счет различной проницаемости через мембраны из воздуха может быть получен высо-кообогащенный азот (до 99% и более), воздух, обогащенный кислородом (40—50%) и практически сухая газовая среда (содержание воды с точкой росы до —50...—60 0С).

Одним из направлений использования мембранных технологий является организация процессов газопереноса в мембранно-жидкостных системах (в т.н. мембранно-абсорбционных контакторных устройствах). Контакторные устройства перспективны для выделения двуокиси углерода из дымовых газов, осушки газов и других задач. В последнее время мембранно-контакторные устройства стали применяться для решения задач кондиционирования помещений.

Виды искусственных атмосфер различаются в зависимости от их применения, например, для комфортной жизнедеятельности человека необходима регулировка влажности, повышение содержания

благоприятная среда жизнедеятельности человека

кислорода и снижения углекислого газа. Для хранения продуктов питания наиболее эффективная атмосфера содержит мало кислорода и много паров воды и углекислого газа. В условиях больших перепадов температур между помещением и улицей требуется снижение влажности для исключения ее замерзания в межоконных пространствах. Инертные газовые атмосферы на основе азота, получаемого из воздуха, могут быть использованы для обеспечения пожарной безопасности, что особенно актуально в высотных сооружениях.

Основные преимущества использования мембранных газоразделительных и мембранно-абсорбци-онных контакторных технологий при эксплуатации зданий и сооружений заключаются в следующем:

мембранные аппараты не содержат движущихся частей, что определяет их высокую надежность и простоту в эксплуатации;

• мембранные аппараты не требуют высоких энергетических затрат. Мембранные газоразделители требуют лишь сжатия атмосферного воздуха до нескольких атмосфер, а мембранные контакторы требуют только создания потоков жидкости и газа без высокого избыточного давления;

• использование мембранных технологий создания микроклимата не требует значительного воздухообмена помещения и внешней атмосферы, что приведет к снижению кратности воздухообмена и значительному снижению теплопотерь и повышению энергоэффективности эксплуатации здания.

Таким образом, использование технологий получения инертных сухих атмосфер на основе азота, обогащение воздуха кислородом, регулировка содержания углекислого газа из паров воды в воздухе с применением мембранно-абсорбционных задач позволит решать ряд практически важных задач, повышая эксплуатационные характеристики зданий, их надежность, безопасность, и комфортность пребывания в них людей. Рассмотрим каждый процесс более подробно.

Получение сухих азотных атмосфер.

Атмосферный воздух представляет собой газовую смесь, содержащую 20—23%(об.) кислорода, 0-3%(об.) паров воды, 0,02-0,05%(об.) углекислого газа, 74—80%(об.) азота и аргона, вторичные примеси.

Полимерные мембраны, применяемые для разделения газов под действием перепада давлений, характеризуются величинами проницаемостей по отдельным компонентам газовой смеси (О), которые определяются как отношение парциального потока компонента к перепаду парциального давления этого компонента в расчете на один квадратный метр мембраны.

Сравнивая параметры различных мембран [7], можно заключить, что среди основных компонент воздуха проницаемости полимерных мембран по компонентам воздуха находятся в следующем порядке: 0Н2 < Оо2 < Осо2 < °н2о .

Для примера в таблице приведены величины проницаемостей газов через непористую мембрану на основе поливинилтриметилсилана (ПВТМС), и полидемитилсилоксана (ПДМС, «Владипор», г. Владимир).

Газ N2 о2 со2 н2о

Проницаемость ПВТМС, нп м 2ч атм 120 430 1600 18000

Проницаемость ПДМС, —^- м ч атм 110 210 1000 10000

Таблица 1. Параметры мембран для разделения воздуха.

Таким образом, при пропускании сжатого воздуха через мембранный модуль, один выходной поток (проникший, пермеат) обогащается высокопроницаемыми компонентами, а второй (непроник-ший, ретентат) — обедняется по этим компонентам (рис. 1).

Целевой поток в данном случае — в непроник-шей фракции, он находится под давлением, нагнетаемым компрессором, что позволяет осуществлять накачку в ресиверы для пожаротушения без дополнительной компрессии.

Обогащение воздуха кислородом

Мембранное обогащение воздуха кислородом основано на том же принципе, что и получение азота. Отличие заключаются в том, что целевой поток в данном случае — проникшая фракция (пермеат).

Поток, обогащенный кислородом до 25-40%

мембрана

воздух

Поток,

обогащенный азотом до 95-99,5%

компрессор

Мембранный модуль

Точка росы до -60 °С

Рисунок 1. Схема процесса получения сухого азота из атмосферного воздуха.

благоприятная среда жизнедеятельности человека

Часто для получения кислорода из воздуха вместо компрессии входного воздуха осуществляют вакуумную откачку пермеата, что также позволяет повышать содержание кислорода. Получение целевого потока в пермеате приводит также к тому, что увеличивается содержание паров воды и углекислого газа. Содержание углекислого газа в атмосферном воздухе составляет порядка 0,03%(об.), в то время как в жилых и офисных помещениях достигает 0,5% (об.) и выше. В связи с этим обогащение углекислого газа, обычно до содержания не более 0,1% (об.), не вносит ощутимого негативного вклада, что позволяет реализовывать достаточно эффективные системы генерирования локальных дыхательных атмосфер на основе совмещения принципов мембранного обогащения кислородом и проветривания помещения для удаления углекислого газа, выделяемого людьми [4].

Необходимость проветривания области создания искусственной дыхательной атмосферы существенно повышает требования по производительности системы по отношению к воздухообмену людей в помещении. Для снижения производительности, и, соответственно энергозатрат, представляется перспективным применение системы, осуществляющей не только повышение содержания кислорода, но и снижение углекислого газа, и регулировки влажности воздуха, за счет применения мем-бранно-абсорбционных технологий [5].

Регулировка влажности воздуха мембранно-абсорбционным методом

Наиболее перспективным способом удаления паров воды в данном случае является мембранная контакторная система, в которой удаление паров осуществляется абсорбцией их через мембрану в специальном устройстве, называемом мембранным контактором [6, 7, 8].

Контакторный метод для удаления паров воды является менее энергоемким по сравнению с конденсацией при охлаждении в установках рефрижераторного типа.

В качестве поглотителя (абсорбента) могут быть использованы концентрированные водные растворы гидроскопичных солей, например, ЫС1.

Принципиальная схема газоразделения контак-торным методом приведена на рис. 2.

Процесс осуществляется за счет селективной абсорбции паров воды в абсорбере при пониженной температуре, и десорбции их в десорбере, поддерживаемом при более высокой температуре. Процесс переноса паров легко инвертируется, поддерживая более низкую температуру модуля с уличным воздухом, чем комнатного. В этом слу-

Рисунок 2. Схема процесса мембранно-контакторного разделения воздуха.

чае будет происходить увлажнение воздуха. Таким образом, одна и та же система может поддерживать необходимую влажность как в летнее, так и зимнее время. При этом естественную температуру окружающей среды можно использовать как базовую для десорбера, обеспечивая тем самым дополнительное снижение энергопотребления.

Удаление углекислого газа

Удаление углекислого газа может осуществляться в системе, аналогичной рассмотренной выше (рис. 2). За тем исключением, что регулировка температурного режима здесь не требуется, удаление углекислого газа осуществляется за счет того, что содержание углекислого газа в атмосферном воздухе существенно ниже, чем в помещении. В качестве жидких абсорбентов используют физические сорбенты (вода, пропиленкарбонат) и химические сорбенты (водные растворы карбонатов и аминов).

Перспективна также модификация системы, в которой вместо десорбера используют электролизер. Данная система позволяет использовать водные растворы щелочей, что существенно снижает требования по площади мембраны, но повышает энергопотребление системы.

Таким образом, мембранные технологии по созданию различного вида искусственных атмосфер с применением уличного и комнатного воздуха являются относительно простыми и позволяют решить ряд важных задач, повышая эксплуатационные характеристики зданий, повышая комфортность пребывания в них людей, безопасность, и снижая энергопотребление.

Мембранные технологии перспективны также для обеспечения микроклиматом специальных помещений, таких как архивные хранилища, производственные помещения и другие.

благоприятная среда жизнедеятельности человека

Список литературы

1. Hwang S.-T. and Kammermyer K., Membranes in

Separations New York: John Wiley & Sons, 1975.

2. Ю.И. Дытнерский. Процессы и аппараты хими-

ческой технологии, ч.2, Массообменные процессы и аппараты, М., «Химия», 1995.

3. М. Мулдер. Введение в мембранную техноло-

гию, пер. с англ., под ред. Ю. П. Ямпольского, Москва, МИР: 1999. — 513 с.

4. Кожевников В.Ю., Лагунцов Н.И., Окунев А.Ю.

Генератор искусственных дыхательных атмосфер. Выставка научной сессии МИФИ—2006.

5. А.Ю. Окунев, Н.И. Лагунцов, С.Д. Демченко,

А.В. Волков, А.А. Кривомаз, Л.П. Фефилать-ев. Система генерации и поддержания искусст-

венных дыхательных атмосфер на основе мембранных технологий / / Мембраны. Вып. 1 (41), 2009, (в печати).

6. Gabelman A. and Hwang S.-T. Hollow fiber membrane contactors// J. of Mem. Sci. 1999. Vol. 159 Pp. 61-109.

7. Usachov V.V., Laguntsov N.I., Okunev A.Y., Teplyakov V.V., Glukhov S.D. Experimental study of the membrane contactor systems for gas dehumidification // Ars Separatoria Acta. Poland. — 2003. — вып. 2. — P. 36-47.

8. Окунев А. Лагунцов H. Селективный массопере-

нос в мембранном абсорбере// Инженерно-физический журнал, Минск, т. 79. Вып. 5, 2006, с. 26-35, 40.