Энергосбережение при интенсификации теплообмена в системах кондиционирования зданий

Энергосбережение при интенсификации теплообмена в системах кондиционирования зданий

М.С.Кузьмин

Истощение запасов всех видов органического топлива и все увеличивающиеся затраты на разработку и освоение новых месторождений ставят перед всем миром задачи экономного сбережения энергоресурсов. В нашей стране, где в среднем отопительный период длится около шести месяцев, энергосбережение в системе строительства и эксплуатации зданий обеспечивается прежде всего сокращением потерь теплоты ограждающими конструкциями и повышением эффективности и экономичности работы инженерного оборудования зданий.

В Москве и многих других городах, расположенных в северной части нашей страны, возводятся огромные многофункциональные общественные здания, комплексы гостиниц, торговые центры и другие объекты с максимальной площадью остекления фасадов аналогично сооружению подобных объектов в западных странах с более мягким климатом. Зимой в вечернее время очень красиво смотрятся светящиеся остекленные фасады зданий, но такая красота обходится в копеечку, поскольку эти здания отдают дорогостоящую теплоту окружающей среде в значительно большем количестве, чем утепленные здания с меньшей площадью остекления. Хотя для остекления огромных фасадов зданий сейчас используются двухкамерные или даже трехкамерные стеклопакеты, зимой холодная внутренняя поверхность стекла способствует созданию в помещении дискомфортных условий для находящихся там людей. При строительстве в нашей стране объектов с инвестиционным участием западных партнеров проектирование часто ведется по западным нормативам. Так, недавно в Москве на улице Бахрушина был введен в эксплуатацию многоэтажный гостиничный комплекс. При разработке проекта и строительстве этого здания руководствовались не нашими нормами, а техническими условиями европейской компании ACCOR, в которых имеется много расхождений с российскими нормами. Например, в них завышен расчетный температурный перепад между воздухом помещения и поверхностью ограждающих стен, уменьшен расчетный воздухообмен в помещениях гостиничных номеров, приходящийся на одного человека.

Чтобы зимой в помещении гостиничного номера избежать дискомфорта от холодной поверхности стекла, в основании оконного проема устанавливается приточная решетка со встроенным в пол отопительным конвектором, снабженным вентилятором. Из этой длинной щели вверх

вдоль стеклянного витража подается подогретый воздух, забираемый с поверхности пола. Поскольку полы в помещениях гостиничных номеров обычно выполнены из коврового покрытия, а отопительный конвектор не оборудован воздушным фильтром, пыль, выделяемая из ковра при хождении по нему, несмотря на регулярную уборку номера, поднимается с теплым воздухом вверх вдоль стекла и загрязняет воздух помещения. Загрязнение воздуха в номерах ведет к более частой замене фильтров в блоках фэнкойлов, установленных в помещениях. Фэнкойлы для обработки рециркуляционного воздуха и смешивания его с наружным воздухом являются температурными доводчиками кондиционируемого воздуха, поступающего в помещения в холодный (подогрев) или теплый (охлаждение) периоды года. Микроклимат помещений гостиничных номеров формируется зимой только с помощью водяного и воздушного отопления, увлажнение приточного воздуха отсутствует. В результате относительная влажность воздуха в помещениях в холодный период года становится очень низкой, что неблагоприятно сказывается на самочувствии и здоровье людей.

Следует отметить, что техническими условиями компании ACCOR предусмотрено увлажнение воздуха в гостиничных номерах при расчетной температуре наружного воздуха в регионе ниже нуля в течение более одного месяца в году. Как известно, в Москве наружная температура воздуха ниже нуля бывает более полугода, но поддержание требуемой относительной влажности в помещениях большинства построенных в Москве гостиниц высокого класса почему-то не предусмотрено. Предлагаемая проектировщиками установка в гостиничных номерах пароувлажнителей не находит поддержки у заказчиков из-за сложности их эксплуатации.

Для повышения относительной влажности воздуха помещения нами было предложено использовать капельное увлажнение сменных фильтров в фэнкойлах с помощью водопроводной воды. Фэнкойлы имеют отводы для сброса конденсата при охлаждении воздуха в теплый период года, которые можно использовать и зимой для удаления из поддона излишка влаги при увлажнении сменных фильтров. Опыты, проведенные в одном гостиничном номере, это подтвердили. Но серийно таких фэнкойлов пока никто не производит. Для охлаждения конденсаторов холодильных установок (чиллеров), обслуживающих системы кондици-

онирования воздуха, используются драйкулеры - сухие воздухоохладители, представляющие собой блоки из ребристо-трубчатых теплообменников с осевыми вентиляторами. Вентиляторы служат для охлаждения теплоносителя, циркулирующего по замкнутому контуру. В качестве теплоносителя обычно выступает смесь воды с гликолем, что предохраняет устройство от замерзания. Осевые вентиляторы (обычно от 8 до 16 штук в блоке) обдувают и охлаждают теплообменник, передавая теплоту от него в наружную атмосферу. Драйкулеры размещаются на крыше здания и соединяются с конденсаторами холодильных установок системой теплоизолированных трубопроводов.

Принципиальная схема работы драйкулера приведена на рисунке 1. При разработке проекта требуется рассчитать и подобрать нужное количество блоков драйкулеров, чтобы обеспечить эффективный процесс теплообмена для охлаждения теплоносителя, но при этом не забывать об экономии.

Дело в том, что при разработке кондиционирования воздуха проектировщики часто для гарантированного обеспечения требуемого теплообмена безосновательно увеличивают в полтора раза теплоотдающую поверхность теплообменников и закладывают в проект завышенное количество дорогостоящего оборудования. Это не только значительно удорожает строительство, но и совершенно бесполезно для увеличения тепловой мощности теплообменников.

Развивать площадь теплоотдающей поверхности со стороны воздуха можно только до выравнивания сопротивлений теплоотдачи наружной и внутренней поверхностей теплообменника. Внутренняя поверхность теплообменника, омываемая горячим жидким теплоносителем, имеет несравнимо больший коэффициент теплоотдачи и малое термическое сопротивление, а наружная поверхность, омываемая воздухом, наоборот, - малый коэффициент теплоотдачи и значительно превосходящее термическое сопротивление. Положительный эффект теплоотдачи от

Рис. 1. Принципиальная схема работы драйкулера в системе кондиционирования воздуха

1 - драйкулер;

II - холодильная машина: 1 - теплообменник;

2 - осевой вентилятор; 3 - водопровод; 4 - конденсатор; 5 - компрессор; 6 - испаритель; 7 - вентиль; 8 - насос

увеличения площади теплоотдающей поверхности теплообменника с помощью частого размещения вертикальных пластин на трубочках достигается тогда, когда обеспечивается равенство термических сопротивлений наружной и внутренней сторон теплообменника, то есть:

1

1

ав

где Рвн - площадь внутренней тепловоспринимающей поверхности теплообменника, м2;

Рн - наружная теплоотдающая поверхность теплообменника, м2;

авн, ан - коэффициенты теплоотдачи соответственно внутренней и наружной сторон поверхности теплообменника, Вт/м2-0 С.

Дальнейшее увеличение площади теплоотдающей поверхности Рн путем увеличения количества теплообменников является бесполезным для процесса теплообмена. В этом случае увеличения общего коэффициента теплопередачи к можно добиться только за счет увеличения ан- коэффициента наружной теплоотдачи. Тепловой баланс общей теплопередачи и теплоотдачи наружной поверхности теплообменника можно представить в виде уравнения:

к(Тж ¿вУ;

где к - общий коэффициент теплопередачи теплообменника, Вт/м1-0 С ;

Тж - средняя температура охлаждаемого теплоносителя, °С,

7ж ~

7ЖН + 7ЖК

tв- средняя температура охлаждающего воздуха , °С;

^вн + ^вк

тжн,тжк, - начальная и конечная температура жидкого теплоносителя, 0С;

tвн, 1ВК - начальная и конечная температура охлаждающего воздуха, °С;

£я- средняя температура охлаждаемой поверхности теплообменника, °С.

При этом коэффициент теплопередачи теплообменника в общем виде:

к =

1

Уаш + 3/Л + Уан

где 5 - толщина разделяющей стенки теплообменника, м;

X - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м  °С.

После подстановки и преобразования (2) и (3) средняя температура охлаждаемой поверхности составит:

*ш=*в +

ТЖ tв

ая(Шж + <57Я) + 1

Так как величины 1/аж и S/X практически очень малы, их значениями при инженерных расчетах можно пренебречь. Тогда получится, что при заданной температуре жидкого теплоносителя на температуру поверхности теплообменника практически будут влиять только наружная температура охлаждающего воздуха tB и величина коэффициента наружной теплоотдачи ан. Чтобы увеличить теплоотдачу драйкулера при меньшей теплоотдающей площади, нужно понизить температуру охлаждающего воздуха или повысить коэффициент теплоотдачи наружной поверхности. Этого можно добиться при помощи воздушно-испарительного охлаждения, увлажняя охлаждающий воздух и орошая водой теплоотдающую поверхность теплообменника.

Воздушно-водоиспарительный способ охлаждения теплообменников в настоящее время находит применение во многих отраслях хозяйства и промышленном производстве. В нашем случае использование воздушно-испарительного способа для охлаждения драйкулеров, обслуживающих системы кондиционирования воздуха, позволит в жаркое время при пиковых нагрузках повысить эффективность работы холодильных установок и получить более низкую температуру приточного воздуха. Особенно это актуально для районов с сухим и жарким климатом. Как известно, теплоотдача сухой наружной поверхности теплообменника, обдуваемой воздухом, происходит в основном за счет конвекции, при влажной поверхности теплообменника теплоотдача дополняется теплотой испарения. Кроме того, понижается температура увлажняемого водой воздуха, что также усиливает процесс теплоотдачи. Естественное адиабатическое увлажнение охлаждающего воздуха в драйкулерах, установленных на крышах зданий, происходит обычно во время дождя.

В сухое и жаркое время увлажнение теплообменника можно производить искусственно при помощи мелкодисперсного распыления небольшого количества водопроводной воды вблизи осевых вентиляторов. Количество воды должно быть ограничено только необходимым водоиспарительным процессом теплообменника. Для этого можно воспользоваться дисковым распылителем или каким-нибудь другим устройством. Опыт показывает, что осевые вентиляторы при увлажнении обеспечивают довольно высокую дисперсность и равномерное распределение влаги. В связи с тем, что распыление воды требуется не постоянно, а только в жаркие и сухие дни,

нет необходимости разрабатывать сложные конструкции для ее подачи и покупать дорогостоящие теплообменники с водяным орошением. Громоздкие системы очистки воды, применяемые в градирнях современных ТЭС, здесь не нужны, так как драйкулеры можно периодически промывать дождевой водой. В случае необходимости, однако, можно использовать для обессоливания водопроводной воды сменные картриджи с ионообменной смолой. По опытным данным [1], интенсивность теплоотдающей поверхности орошаемых водой теплообменников может увеличиться до 25%.

Эффективность теплоотдачи как сухого, так и орошаемого теплообменника в значительной степени зависит от скорости движения охлаждаемого воздуха. На рисунке 2 приведен график зависимости Nu и Nu*, представляющих численные значения коэффициентов теплоотдачи ан при сухой и влажной поверхности, от числа Re, которое соответствует скорости движения охлаждающего воздуха. Опыты показывают, что в теплообменниках с пластинчатым оребрением около 15% наружной поверхности, в основном в межреберном пространстве тыловой части блока, при орошении может оставаться сухой, что необходимо учитывать при расчетах. При пленочно-капельном увлажнении драйкулера одновременно имеют место процессы теплоотдачи конвективного и испарительного охлаждения. Когда вся влага с горячей поверхности теплообменника испаряется и уносится потоком охлаждающего воздуха, значение диффузионного критерия Nu* можно, согласно [2], представить в виде зависимости от термического критерия Nu :

Nu* = 0,9 Nu(l +

0,22 W

3600  0,85 • Ff

я

где Ж - расход воды для увлажнения поверхности теплообменника, кг/ч.

Рис. 2. Теплоотдача поверхности теплообменника при воздушном (1) и воздушно-водоиспарительном (2) охлаждении драйкулера

Усредненный коэффициент теплоотдачи сухого теплообменника при поперечном обтекании пучка труб с оребрением в виде пластин можно определить с помощью полученного экспериментальным путем известного уравнения С.С.Кутателадзе [3]:

Nu = p• Re"-

где d - наружный диаметр труб, м; b - шаг ребер, м; h - высота ребра, м.

Уравнение применимо при 3-103 <Re<l25104 и 3<й?/Ь<4,8. При этом:

- для пучка труб с шахматным расположением n = 0,65, р = 0,223 для круглых ребер и 0,205 для квадратных ребер;

- для пучка труб с коридорным расположением n = 0,72, р = 0,104 для круглых ребер и 0,096 для квадратных ребер.

Коэффициент конвективной теплоотдачи ан определяется с помощью уравнения (6) и значений критериев: Nu = aHb/X, Re = wb/v,

где X - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м-°С;

V - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с;

w - скорость воздуха вблизи теплоотдающей поверхности, м/с.

Определив коэффициент теплоотдачи ан, при помощи соотношения Льюиса можно для влажной поверхности теплообменника вычислить коэффициент испарения а, кг/м2  ч:

Рис. 3. Изменение параметров охлаждающего воздуха при работе драйкулера

Тогда коэффициент массообмена ß, кг/ч, составит:

ß = aly,

где св - теплоемкость влажного воздуха, Вт/кг 0С;

У - удельный вес воздуха, кг/мъ.

Диффузионный критерий Nu* определяется по формуле:

Nu* = ß— ,

D

где D - коэффициент диффузии, м2/ч, который для водяных паров имеет вид [4]:

D = 0,0754

где Т - абсолютная температура насыщенного влагой воздуха вблизи теплоотдающей поверхности, °К.

Вычислив значение критериев Nu и Nu*, можно по формуле (5) рассчитать необходимое количество воды для увлажнения поверхности теплообменника, то же самое можно сделать с помощью коэффициента испарения (7). Количество теплоты, которым обменивается влажная поверхность теплообменника с охлаждающим воздухом за счет конвекции и испарения, можно определить с помощью диаграммы (рис. 3):

Q = cr

где 1В - средняя величина энтальпии охлаждающего воздуха, кДж/кг ;

1П - энтальпия насыщенного воздуха, кДж/кг, вблизи охлаждаемой поверхности теплообменника (предполагается, что tn = тж).

Выводы:

1. При проектировании жилых и общественных зданий в регионах с холодным климатом рекомендуется использовать в качестве наружных ограждений стеклянные витражи большой площади только при соответствующем технико-экономическом обосновании.

2. При разработке инвестиционных проектов на строительство зданий в нашей стране следует руководствоваться только отечественными строительными, санитарными и другими нормами; использование зарубежных нормативов не должно допускаться.

3. При проектировании общественных зданий, в том числе зданий гостиниц, рекомендуется использовать качественное инженерное оборудование, обеспечивающее нормальные санитарные условия воздушной среды в помещениях с постоянным пребыванием людей.

4. Увлажнение теплоотдающей поверхности драйку-леров в системах кондиционирования воздуха в жаркое

и сухое время года - период пиковых нагрузок - дает возможность с минимальными расходами повысить эффективность процесса теплообмена и уменьшить площадь теплоотдающих поверхностей.

5. Изложенная методика расчета позволяет легко вычислить коэффициенты теплоотдачи драйкулеров с учетом воздушного и воздушно-испарительного охлаждения, а также площадь теплообменников и расходы воды для ее увлажнения.

Литература

1. Карпис Е.Е. Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1986.

2. Богословский В.Н., Поз М.Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1983.

3. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М.: Госэнергоиздат, 1959.

4. НестеренкоА.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Высшая школа, 1962.

Literatura

1. Karpis E.E. Energosberezhenie v sistemah kondi-tsionirovania vozduha. M.: Stroyizdat, 1986.

2. BogoslovskiV.N., PozM.Ya. TepLofizika apparatov utiLizatsii tepla sistem otopLenia, ventiLiatsii i konditsionirovania vozduha. M.: Stroyizdat, 1983.

3. Kutateladze S.S., Borshanski V.M. Spravochnik po teploperedache. M.: Gosenergoizdat, 1959.

4. Nesterenko A.V. Osnovy termodinamicheskih raschetov ventiLiatsii i konditsionirovania vozduha. M.: Vysshaya shkola, 1962.

Intensification of Heat Transfer in Dry Coolers

(Energy Saving by Improving the Quality of the Design

and Effectiveness of the Work of the Engineering

Equipment of Buildings). By M.S.Kuzmin

Considering the power-saving issues, it is recommended to design residentiaL and pubLic buiLdings using stained-gLass windows as outer barriers onLy in particuLar cLimate zones. The design and construction shouLd be carried out under the domestic reguLations onLy. Projects shouLd incLude the equipment ensuring proper sanitation and hygienic condition of the air in residentiaL and pubLic buiLdings. The use of water for the irrigation of the surfaces of dry-type air cooLers makes it possibLe to increase the efficiency of air conditioning systems during the hot and dry season.

Ключевые слова: остекление фасадов, теплопотери, воздухоохладители, кондиционирование воздуха, холодильная установка, воздухоохладители, теплообменники, воздушное водоиспарительное охлаждение, диффузия, теплообменное оборудование.

Key words: glazed facades of buildings, heat loss, air coolers, air-conditioning, cooling machine, air coolers, heat exchangers, air evaporative cooling, diffusion, heat transfer enhancement.