Регулирование влагосодержания приточного воздуха в многозональных скв общественных зданий

Регулирование влагосодержания приточного воздуха в многозональных

СКВ общественных зданий

А.Н. Гвоздков, О.Ю. Суслова, М.А. Королев, В.И. Решетников Волгоградский государственный технический университет

Аннотация: Для поддержания заданной температуры и относительной влажности приточного воздуха разработана схема многозональной системы кондиционирования воздуха с зональными воздухоприготовительными центрами, обеспечивающими возможность тепловлажностной обработки приточного воздуха. Рассмотрены особенности регулирования влагосодержания приточного воздуха в СКВ и проведен анализ процессов обработки воздуха с использованием построений на 1-сС диаграмме для теплого и холодного периодов года. Описан способ регулирования влагосодержания приточного воздуха, позволяющий более точно поддерживать параметры воздуха при изменении тепловлажностных нагрузок в обслуживаемых помещениях. Ключевые слова: многозональная СКВ, зональный воздухоприготовительный центр, тепло- и влагообмен, 1-С-диаграмма, регулирование влагосодержания.

Одной из важнейших задач систем кондиционирования воздуха (СКВ) является обеспечение и поддержание в зданиях внутренних параметров микроклимата в пределах оптимальных норм, благоприятных для пребывания людей, реализации технологических процессов и др. (СП 60.13330.2012 Отопление, вентиляция и кондиционирование).

Если говорить об общественных зданиях (музеи, банки, офисные здания, учебные заведения и др.), то обычно принимается во внимание обеспечение требуемых тепловлажностных условий (температуры и относительной влажности), исключающих возможность значительных колебаний параметров воздуха в рабочей зоне помещений, что регламентируется соответствующими нормами (ГОСТ 30494-2011 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях).

Однако, при этом должны учитываться такие факторы, как подвижность воздуха, схема организации воздухообмена, освещенность и чистота воздуха, содержание вредных веществ в приточном воздухе, сезонность изменения внешних климатических условий, а также режим его работы и др. [1].

Для поддержания требуемых параметров микроклимата используются различные типы центральных СКВ, отличающиеся большим многообразием принципиальных технологических схем обработки воздуха [2 - 4].

Учитывая, что помещения общественных зданий выполняют различные функции и характеризуются различными температурно-влажностными условиями, наибольшее распространение получили многозональные СКВ с зональными воздухонагревателями, с вентиляторными и эжекционными доводчиками, в которых воздух нагревается до необходимой температуры

[5].

Главный недостаток таких СКВ состоит в отсутствии возможности поддержания заданной относительной влажности приточного воздуха в каждом помещении [2]. Здесь следует отметить, что требуемая относительная влажность приточного воздуха при данной температуре достигается за счет регулирования его влагосодержания.

Учитывая данное обстоятельство, на рис.1 представлена принципиальная схема СКВ с зональными воздухоприготовительными центрами (ВПЦ), обеспечивающими возможность тепловлажностной обработки воздуха с целью поддержания требуемых значений температуры и относительной влажности приточного воздуха [6].

Особенностью этой системы является использование центрального кондиционера (I), обеспечивающего подачу санитарной нормы наружного воздуха. Обрабатываемый воздух очищается в фильтрах грубой (2) и тонкой (4) очистки, смешивается с рециркуляционным воздухом, в холодный период года подогревается в поверхностном теплообменнике (6).

Окончательная обработка приточного воздуха осуществляется в зональных ВПЦ (II) и обеспечивает возможность индивидуального регулирования температуры и относительной влажности, в соответствии с

1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/5007

особенностями формирования тепловлажностного режима в обслуживаемом помещении [4].

Рис.1. - Принципиальная схема СКВ с зональными воздухоприготовительными центрами: I - центральный кондиционер; II -зональный воздухоприготовительный центр;1 - воздухоприемная секция с жалюзийным клапаном; 2 - фильтр грубой очистки, 3 - смесительная секция; 4 - фильтр тонкой очистки; 5 - обслуживаемое помещение; 6 -воздухонагреватель (поверхностный теплообменник); 7 - приточный вентилятор; 8 - приточный воздуховод; 9 - оросительная (форсуночная) камера; 10 - зональный рециркуляционный вентилятор; 11, 12 -рециркуляционный воздуховод.

Использование рециркуляции предусматривается как в центральном кондиционере, так и в зональных ВПЦ, что позволяет значительно снизить

расход теплоты и холода на обработку приточного воздуха и повысить эффективность работы СКВ [7].

Рассмотрим особенности обработки приточного воздуха в многозональной СКВ в теплый и холодный периоды года, обеспечивающие возможность регулирования его влагосодержания.

В холодный период года, как известно, наружный воздух необходимо нагревать и увлажнять [8]. Для увлажнения воздуха в центральных кондиционерах СКВ применяют устройства различных модификаций, в частности, секции с оросительными (форсуночными) камерами, с паровым увлажнением и др.

Для нагрева воздуха используются воздухонагреватели с возможностью качественно-количественного регулирования процессов теплоотдачи.

Наиболее широкое применение получило увлажнение воздуха в холодный период года на основе реализации изоэнтальпийных процессов в оросительных (форсуночных) камерах.

В этом случае регулирование режимов работы воздухонагревателей (3, 5) и камеры орошения (4) в зонах 1, 2, 3 (рис.2) осуществляется по методу температуры «точки росы» приточного воздуха [9].

Как видно из рис.2, получение требуемого значения влагосодержания приточного воздуха (линии Сп1, Сп2 и Сп3) достигается за счет различной степени нагрева наружного воздуха (т.Н) в воздухонагревателе (3) (процессы Н-К1, Н-К2 и Н-К3) и последующей его изоэнтальпийной обработкой в камере орошения (4) (процессы К1-О1, К2-О2, К3-О3). При использовании рециркуляции (процесс Н-В), степень нагрева в воздухонагревателе (3) уменьшается (процессы С-К1с, С-К2с и С-К3с).

В последнее время для увлажнения воздуха получили применение специальные устройства, так называемые паровые увлажнители [3].

/

\

\

ф > е  —

Рис.2. - Регулирование влагосодержания приточного воздуха по методу температуры «точки росы»: 1 - воздухоприемная секция с жалюзийным клапаном; 2 - смесительная секция; 3 -воздухонагреватель (1 ступень), 4 -оросительная (форсуночная) камера, 5 - воздухонагреватель (2 ступень), 6 -

приточный вентилятор.

Увлажнение воздуха паром позволяет достаточно точно контролировать его влагосодержание, однако в то же время возникают трудности, связанные с осаждением солей, засорением электродов и трубопроводов, что требует постоянного обслуживания парогенераторов и снижает надежность СКВ в целом [3].

Таким образом, известные способы регулирования влагосодержания в СКВ в холодный период года позволяют достаточно стабильно поддерживать требуемые параметры приточного воздуха.

Отличительной особенностью регулирования влагосодержания приточного воздуха в теплый период года является то, что наружный воздух необходимо охлаждать и осушать. Для этого в центральных кондиционерах в настоящее время используются поверхностные воздухоохладители.

Схема процесса регулирования влагосодержания приточного воздуха

Рис.3. - Регулирование влагосодержания приточного воздуха в теплый период года: 1 - воздухоприемная секция с жалюзийным клапан, 2 -поверхностный воздухоохладитель, 3 - воздухоподогреватель, 4 - приточный

вентилятор.

Регулируя направление процесса обработки воздуха в поверхностном воздухоохладителе (2) (линии Н-О1, Н-О2, Н-О3) за счет изменения начальной температуры холодной воды и ее расхода, подаваемой в трубное пространство ^^ достигается требуемое значение влагосодержания

приточного воздуха (¿п1, ^п2, ¿п3), подаваемого в помещение.

Однако, использование поверхностных воздухоохладителей не позволяет стабильно поддерживать влагосодержание приточного воздуха (¿Л), поскольку не учитывается динамика хода процессов тепло- и влагообмена и условия достижения предельного равновесного состояния параметров воздуха и воды, особенно в условиях развитой турбулентности [10].

1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/5007

Таким образом, регулирование влагосодержания приточного воздуха в теплый период года имеет значительные трудности и требует разработки новых методов, учитывающих термодинамические закономерности протекания процессов тепло- и влагообмена в контактных устройствах [11].

Принимая во внимание сказанное выше, был разработан способ обработки приточного воздуха в теплый период года, позволяющий регулировать и поддерживать требуемые значения его влагосодержания при изменении тепловлажностных нагрузок в обслуживаемом помещении.

На /-^-диаграмме (рис. 4) представлен способ регулирования влагосодержания приточного воздуха.

н

Рис.4. - Изображение на М-диаграмме процесса регулирования влагосодержания приточного воздуха: ¿вн, фвн- начальные параметры воздуха, обрабатываемого в оросительной камере; ¿п1, ^п2, ¿п3 - конечные параметры воздуха после обработки в оросительной камере; П1, П2, П3 - параметры

приточного воздуха.

Получение параметров приточного воздуха в точке П1 обеспечивается достижением требуемого влагосодержания d1=const по кривой 1 при значении коэффициента орошения В1 и соотношении начальных параметров

/ н И\ / И\

воздуха (и , фв ) и воды (tж1 ).

При увеличении коэффициента орошения до величины В2 при тех же начальных параметрах контактирующих сред, будет иметь место направленность процесса по кривой 2', а параметры воздуха, обработанного в оросительной камере, достигнут значений в точке fv2. Состояние приточного воздуха будет соответствовать точке П2. В конечном итоге наблюдается отклонение получаемых параметров воздуха в области значений П1 - П2.

Если одновременно с увеличением коэффициента орошения до В2 увеличить начальную температуру воды до некоторого значения tж2l, то в результате направленность процесса будет по кривой 2, что обеспечит достижение требуемых параметров воздуха в точке ^ при d1=const. Таким образом, управляя процессом обработки за счет пропорционального повышения температуры при увеличении коэффициента орошения, исключается изменение конечного влагосодержания приточного воздуха, что позволяет повысить точность поддержания параметров воздуха в рабочей зоне.

Аналогичным образом, при уменьшении коэффициента орошения до В3 получение требуемых параметров воздуха (т.П1) достигается за счет понижения начальной температуры воды до ^3н. Этим обеспечивается требуемая направленность протекания процесса тепловлагообмена и достижение значения влагосодержания d1=const.

На рис. 5 представлена принципиальная схема регулирования влагосодержания приточного воздуха в зональном воздухоприготовительном центре.

1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/5007

\и

Рис. 5. - Принципиальная схема регулирования влагосодержания приточного воздуха в зональном воздухоприготовительном центре: 1 -оросительная камера; 2 - трубопровод отработанной воды; 3 - поддон; 4 -регулирующий клапан; 5 - подающий трубопровод; 6 - датчик температуры воздуха; 7 - стояк с форсунками орошения; 8 - циркуляционный насос; 9 -датчик влажности воздуха; 10 - регулирующий клапан; 11 - трубопровод холодной воды; 12 - регулирующий клапан.

Температура воздуха в помещении (зона 1) поддерживается регулирующим клапаном 4 (рис.5) по сигналу устройства 6, а относительная влажность клапанами 10 и 12 в соответствии с сигналами устройства 9.

При увеличении тепло- и влаговыделений в обслуживаемом помещении и повышении температуры в рабочей зоне (¿р.зоны) по сигналам устройства 6 увеличивается расход воды, распыляемой в форсуночной камере, с помощью открытия регулирующего клапана 4.

Если при этом произойдет отклонение величины влагосодержания воздуха в рабочей зоне помещения, то по сигналу устройства 9, одновременно с увеличением коэффициента орошения повышается температура воды, подаваемой на распыление, посредством увеличения

1К1 Инженерный вестник Дона. №2 (2018) Н| ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/5007

расхода нагретой воды с помощью открытия регулирующего клапана 12 и уменьшения расхода охлажденной воды с помощью регулирующего клапана 10. При этом воздух после оросительной камеры 1 принимает состояние в точке ^ при более низкой температуре, чем в точке ^ при сохранении постоянного влагосодержания приточного воздуха. Таким образом обеспечивается поддержание влагосодержания воздуха d1=const в рабочей зоне помещения (т. П1).

При уменьшении тепло- и влагопоступлений в обслуживаемом помещении с помощью указанной схемы регулирования уменьшается расход распыляемой воды при одновременном понижении ее начальной температуры. Параметры воздуха в рабочей зоне помещения (т. П1) поддерживаются при новой, более высокой температуре воздуха, обработанного в оросительной камере (т. ^3).

Следует отметить, что изменением коэффициента орошения и начальной температуры воды достигается требуемая направленность процесса обработки воздуха, что обеспечивает точность поддержания параметров воздуха в помещении.

Данный способ регулирования был апробирован при проведении испытаний зонального воздухоприготовительного центра, в частности, при регулировании режимов работы оросительной камеры. Результаты одной из серий опытов представлены в таблице 1.

Таблица №1

№ Параметры воздуха, °С Параметры воды, °С В, kg/kg Конечное влагосодер-жание воздуха, d, г/кг

начальные конечные начальные конечные

^1' t2

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 26,1 19,4 15,1 14,0 6,9 11,0 1 9,5

2 26,0 19,4 12,8 12,3 6,8 10,5 1,5 8,7

3 26,1 19,4 14,0 13,5 8,9 11,8 1,5 9,5

Результаты экспериментов показывают, что для поддержания требуемого влагосодержания приточного воздуха d=9,5 г/кг (опыт 1) при постоянных начальных параметрах воздуха (температура по сухому термометру t^= 26,1оС, температура по "мокрому" термометру ¿м1=19,4 оС) и увеличении коэффициента орошения до В=1,5 кг/кг (опыт 2) потребовалось повышение начальной температуры воды до значения t2=8,9 оС (опыт 3), что обеспечило достижение требуемого влагосодержания, равного 9,5 г/кг.

Таким образом, при постоянных начальных параметрах воздуха, пропорциональное изменение начальной температуры воды и коэффициента орошения, обеспечивает возможность регулирования влагосодержания приточного воздуха, подаваемого в обслуживаемое помещение.

Литература

1. Essam E.Khalil. Air Distribution Air in Buildings. New York: CRC Press, 2014. 268 p.

2. Белова Е.М. Системы кондиционирования воздуха с чиллерами и фэнкойлами. М.: Евроклимат, 2003. 398 с.

3. Мурашко В.П. Системы кондиционирования воздуха. Теория и практика. М.: Евроклимат, 2017. 627 с.

4. Robert McDowall. Fundamentals of HVAC Systems. London: Elsevier, 2006. 217 p.

5. Кокорин О.Я. Энергосбережение в системах отопления, вентиляции, кондиционирования. М.: Издательство АСВ, 2013. 256 с.

6. А.Н. Гвоздков, О.Ю. Суслова, А.В. Авдонин, А.А. Викстрем Разработка современных энергоэффективных воздухоприготовительных центров систем кондиционирования воздуха и вентиляции // Инженерный вестник Дона, 2017, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4195/.

7. Галкина Н.И. КПД систем вентиляции // Инженерный вестник Дона, 2017, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4106/.

8. Гвоздков А.Н., Суслова О.Ю. К вопросу повышения энергетической эффективности систем кондиционирования воздуха и вентиляции на основе регулирования режимов обработки воздуха в контактных аппаратах // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2014. Вып. 3(34). Ст. 3. URL: vestnik.vgasu.ru/

9. Креслинь А.Я. Автоматическое регулирование систем кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1972. 97 с.

10. Богословский В.Н., Поз М.Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1983. 319 с.

11. Гвоздков А.Н. Процесс тепло- и влагообмена в системе «воздух-вода» с позиции теории потенциала влажности. Известия Вузов. Строительство. 2015. №11-12(683-684). С. 31-41.

References

1. Essam E.Khalil. Air Distribution Air in Buildings. New York: CRC Press, 2014. 268 p.

2. Belova E.M. Sistemy konditsionirovaniya vozdukha s chillerami i fenkoylami [Air conditioning systems with chillers and fan coils]. M.: Evroklimat, 2003. 398 p.

3. Murashko V.P. Sistemy konditsionirovaniya vozdukha. Teoriya i praktika [Air conditioning systems. Theory and practice]. M.: Evroklimat, 2017. 627 p.

4. Robert McDowall. Fundamentals of HVAC Systems. ASHRAE. London: Elsevier, 2006. 217 p.

5. Kokorin O.Ya. Energosberezhenie v sistemakh otopleniya, ventilyatsii, konditsionirovaniya [Energy saving in heating, ventilation, air-conditioning systems]. M.: Izdatel'stvo ASV, 2013. 256 p.

6. A.N. Gvozdkov, O.Yu. Suslova, A.V. Avdonin, A.A.Vikstrem Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4195/.

7. Galkina N.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2017. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4106/.

8. Gvozdkov A.N., Suslova O.Yu. Internet-vestnik VolgGASU. Ser.: Politematicheskaya. 2014. Vyp. 3(34). St. 3. URL: vestnik.vgasu.ru/

9. Kreslin' A.Ya. Avtomaticheskoe regulirovanie sistem konditsionirovaniya vozdukha [Automatic regulation of air conditioning systems]. M.: Stroyizdat, 1972. 97 p.

10. Bogoslovskiy, V.N., Poz, M.Ya. Teplofizika apparatov utilizatsii tepla sistem otopleniya, ventilyatsii i konditsionirovaniya vozdukha [Thermophysics of units waste heat recovery systems heating, ventilation and air-conditioning]. M.:Stroyizdat, 1983. 319 p.

11. Gvozdkov A.N. Izvestija Vuzov. Stroitel'stvo. 2015. №11-12(683-684).