Система кондиционирования воздуха
AIR CONDITIONING SYSTEM

Изобретение относится к системам создания микроклимата в помещениях, включая вентиляцию, отопление и охлаждение воздуха с обеспечением комфортных условий, причем преимущественно за счет использования природных потенциалов окружающей среды. Предлагаемая система кондиционирования воздуха (СКВ) позволяет создавать комфортные условия в регионах сурового климата при минимальных затратах энергии, соответствующих условиям умеренного климата, причем с возможностью экономичного применения тепловых насосов, котлов и солнечных коллекторов.
Известны СКВ, использующие тепловые насосы (ТН). ТН имеют компрессор, испаритель, конденсатор и другие элементы, связанные между собой контуром хладагента [1. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат. 1982, рис. 5.1]. При отоплении тепло воспринимается от низкопотенциального источника тепла (наружного воздуха, грунта, воды) в испарителе и передается к воздуху в помещении от конденсатора в устройстве, называемом доводчиком (фэнкойлом) вентиляторного или эжекторного типа [2. Белова Е.М. Системы кондиционирования воздуха с чиллерами и фэнкойлами. М.: Евроклимат. 2003, рис. 4.1]. В ТН количество переданного тепла, равное сумме воспринятого тепла испарителем и затраченной энергии на привод компрессора, типично превосходит последнюю в несколько раз и, соответственно, ТН высокоэффективны и экономичны. Кроме того, при использовании реверсивной схемы ТН могут переключаться как на обогрев, так и на охлаждение помещения [1, рис. 4.12].
ТН экономичны, но не могут обеспечить отопление при большой разности между внутренней и внешней температурами. Холодной зимой при низкой отрицательной температуре воздуха [1, рис. 5.3], ниже примерно минус 15°С, ТН не применяются. При этом в качестве дополнительного источника тепла параллельно с ТН используются котлы и/или солнечные коллекторы, которые из-за большой суточной неравномерности работы нашли наиболее широкое применение совместно с аккумуляторами тепла [1, стр. 106-109, рис. 5.8 и 5.9]. В целом это позволило широко использовать различные типы ТН при горячем водоснабжении, отоплении и охлаждении помещений. С другой стороны ТН не обеспечивают воздухообмен и поддержание требуемой влажности в помещении, и это их недостаток.
В настоящее время развитие СКВ привело к широкому применению для отопления и охлаждения помещений систем вентиляции с использованием в них тепловых насосов в варианте чиллеров (водоохлаждающих машин) и систем чиллер - фэнкойлы [2, рис. 2.1], в том числе совместно с котлами, [2, рис. 2.1] и аккумуляторами теплоты (холода) [2, рис. 2.7]. Помимо чиллеров и фэнкойлов СКВ включают кондиционер (центральный кондиционер) с приточным вентилятором, вытяжной вентилятор, воздушные тракты, систему управления и другое оборудование, обеспечивающее вентиляцию помещений и автоматическое поддержание в них комфортных условий.
Недостатками этих СКВ являются неприспособленность к низким температурам и неэкономичность. Низкая экономичность вызвана высоким потреблением электрической и тепловой энергии ТН, особенно при большой разности между внутренней и внешней температурами, например, в период холодных зим или жаркого лета.
В качестве прототипа принята СКВ на основе кондиционеров с косвенным охлаждением [3. Дорошенко А.В. и др. Испарительные охладители комбинированного типа для систем кондиционирования воздуха. АВОК №6, 2005, стр. 58-63, рис 1 и 3], которые имеют блок испарительного охлаждения (теплообменник косвенного охлаждения). Этот блок составлен из продуваемых двумя направленными перекрестно - горизонтально и вертикально потоками воздуха чередующихся сухих и мокрых каналов. Например, блок может быть выполнен установленными с небольшим зазором листами из сотового поликарбоната с горизонтально ориентированными внутренними сухими каналами и мокрыми каналами, которые сформированы в виде щели между листами. Воздух, поступающий на охлаждение, нагнетается приточным вентилятором и делится на две части [3, рис. 1а]: вспомогательный и основной (продуктовый) воздушные потоки. Вспомогательный восходящий поток воздуха поступает в «мокрую» часть теплообменника косвенного охлаждения, где контактирует с водой, стекающей по поверхностям канала (вода циркулирует через аппарат), обеспечивает испарительное (прямое) охлаждение стекающей воды и поднимающегося вверх потока воздуха. Охлажденная вода и вспомогательный воздух, в свою очередь, охлаждают бесконтактно (косвенное охлаждение), через стенку, основной воздух.
Максимально потоки можно охладить до температуры мокрого термометра tм исходного воздуха, причем независимо от его исходной температуры, так как температура tм воздуха определяется только его влагосодержанием. Соответственно, здесь нет максимума по разности температур между внешним и внутренним воздухом, ограничивающего эффективность ТН.
Тепло из аппарата выносит в связанном виде вспомогательным воздухом, как теплота дополнительно испаренной в поток влаги. При этом производительность кондиционера по холоду (отведенное тепло) возрастает при увеличении подогрева мокрых каналов, и это важный эффект, так как охлаждение не сопровождается увеличением потребления электроэнергии, просто растет влагосодержание потока вспомогательного воздуха и расход испаренной воды. Поэтому при предварительном охлаждении всего потока воздуха в сухих каналах с последующей подачей его части на испарительное охлаждение в качестве вспомогательного в охлажденном виде заметно снижает уровень температуры. Это регенеративная, наиболее эффективная схема теплообменника косвенного охлаждения [4. Дорошенко А.В. и др. Многоступенчатые испарительные охладители для холодильных и кондиционирующих систем. Холодильная техника и технология, №1, 2013, стр. 24-34, рис. 1А и 1В].
Охлажденная в блоке теплообменника косвенного охлаждения вода собирается внизу на поддоне и насосом подается сверху в мокрые каналы по распределителям воды. Эффект увеличения производительности данных кондиционеров по холоду может использоваться и для охлаждения подогретой, например, в фэнкойлах воды [3, рис 1г и 3в]: охлаждаются и воздух и вода. Кроме того, в качестве вспомогательного можно использовать вытяжной воздух, причем охлажденным вспомогательным воздухом можно охлаждать в предвключенных теплообменниках входящий поток воздуха [3].
В итоге принятая в качестве прототипа СКВ на основе кондиционеров с косвенным охлаждением [3] может иметь ряд дополнительных элементов (теплообменники, ТН, градирни, фэнкойлы, подключение к трактам рециркуляции и вытяжного воздуха), которые улучшают характеристики СКВ:
- предвключенные теплообменники для предварительного охлаждения входящего потока воздуха влажным охлажденным вспомогательным воздухом [3, рис. 1б и 1г];
- испарительный охладитель [3, рис. 1в] и градирню [3, рис. 1г и 3в] для охлаждения и увлажнения основного воздушного потока до комфортного;
- контуры подачи холодной воды через фэнкойлы [3, рис 1г и 3в];
- ТН (комбинированный кондиционер) с охлаждением испарителя ТН потоком влажного охлажденного вспомогательного воздуха [3, рис. 3];
- использование в качестве вспомогательного воздуха потока воздуха из помещения (рециркуляция) или вытяжного воздуха [3, рис. 3].
Для комбинированных кондиционеров принципиально важна возможность возврата влаги (конденсата из испарителя ТН) в контур СКВ. По оценкам [3] при относительной влажности воздуха выше 35-40% может иметь место полный возврат жидкости, затраченной на процесс испарительного охлаждения, и это дает возможность создания замкнутого по воде цикла.
Однако даже с учетом этих дополнительных преимуществ прототип [3] имеет ряд принципиальных недостатков. Эти СКВ не являются универсальными, так как основаны на вентиляции с испарительным охлаждением и не могут использоваться в период холодных зим и в регионах с суровым и континентальным климатом. Здесь необходима установка дополнительной отопительной системы, и это предопределяет их низкую экономичность.
Задачей предлагаемого изобретения является создание универсальной СКВ, круглогодично обеспечивающей комфортные условия, в том числе в регионах с суровым климатом, при повышенной экономичности за счет минимизации потребления электрической и тепловой энергии.
Поставленные задачи решаются тем, что в СКВ, которая содержит вытяжной вентилятор с его трактом и кондиционер с теплообменником косвенного охлаждения, включающий насос с поддоном и распределителем воды, приточный вентилятор с трактами приточного, вспомогательного воздуха и предвключенными теплообменниками, по изобретению предлагается установить контуры теплоносителя с фэнкойлами и источниками тепла, систему управления с переключателями потоков в режимы "зима", "лето", "вентиляция" и снеговую камеру с разбрызгивателями воды, дренажами, устройствами улавливания и сбора льда, снега и воды со встроенными в их емкости теплообменниками.
В основе предлагаемого изобретения лежит идея использования для компенсации больших отклонений температуры наружного воздуха от комфортных значений природной энергии теплоты фазовых переходов воды, альтернативных, экологически чистых и неисчерпаемых источников энергии:
- замерзания (превращения воды в лед и снег с выделением теплоты замерзания) зимой, работа СКВ в режиме "зима";
- испарения (превращения воды в пар с поглощением теплоты испарения) летом, работа СКВ в режиме и "лето".
Зимой подогрев внешнего приточного воздуха до -5-0°С осуществляется с использованием теплоты замерзания в снеговой камере, подключенной к системе в режиме "зима", а летом применяется испарительное охлаждение до tм, и оно производится в кондиционере с теплообменником косвенного охлаждения и дополнительно в снеговой камере, работающей как градирня с включением СКВ в режим "лето", здесь сами наименования режимов могут быть произвольными: "тепло", "холод" и другие.
Остающиеся небольшие разницы температур предлагается компенсировать с минимальными затратами энергии и преимущественно также из альтернативных источников энергии. Зимой подогрев приточного воздуха до 14-18°С осуществляется за счет регенерации тепла из тракта с вытяжным вентилятором через имеющиеся теплообменники (косвенного охлаждения и предвключенные) в режиме "зима". В жаркий период значительную часть времени возможно использовать зимний холод, накопленный в емкостях устройств улавливания и сбора льда, снега и воды снеговой камеры с отводом холода из встроенных теплообменников в фэнкойлы по контурам теплоносителя. Кроме того, и после расплавления льда эти емкости благодаря действию системы управления в режиме "вентиляция" позволят аккумулировать имеющейся в них водой ночной холод за счет работы снеговой камеры в режиме градирни и компенсировать дневные максимумы притока тепла. Оставшиеся не скомпенсированными потери тепла зимой и притоки тепла летом покрываются работой котла и ТН с прямыми затратами топлива и электроэнергии.
Кроме этого, основного, в изобретении приведены конкретизирующие технические решения, отраженные в дополнительных пунктах формулы.
В дополнительных п.ф.и. 2 и 3 предлагается конкретизировать применение в качестве источника тепла котла или солнечных коллекторов. Их включение в контуры теплоносителя с фэнкойлами в режиме "зима" обеспечит воздушное отопление помещений за счет типовой схемы циркуляции с насосами в контурах котел и солнечные коллекторы - фэнкойлы.
В дополнительных п.ф.и. 4-6 уточняется схема регенерации тепла из тракта с вытяжным воздухом через имеющиеся теплообменники в поток приточного воздуха. Из теплотехники известно [5. Промышленные тепломассообменные процессы и установки. Под ред. Бакластова А.М. - М.: Энергоатомиздат, 1986, стр. 31-39], что в одном и том же теплообменнике или их группе можно передать больше тепла при подаче потоков по противоточной схеме, а многократно перекрестная схема приближается к противоточной. Регенерация тепла необходима только зимой и, соответственно, используется в режиме "зима" с подачей теплого вытяжного воздуха через предвключенные теплообменники и мокрые (естественно без их смачивания) рабочие каналы теплообменника косвенного охлаждения противоточно приточному воздуху. Кроме того, предложено изменить конструкцию теплообменника косвенного охлаждения и выполнить его противоточным, п. 5, или многократно перекрестным, п. 6. Эти технические решения позволят повысить степень регенерации тепла и экономичность СКВ.
В дополнительном п.ф.и. 7 предлагается использовать в СКВ комбинированный кондиционер, содержащий также и ТН с испарителем и конденсатором, которые могут включаться по реверсивной схеме и использоваться в качестве источников тепла зимой и холода летом. В режиме "лето", как и в прототипе [3, рис. 3], испаритель ТН отбирает тепло из потока приточного воздуха и через конденсатор ТН сбрасывает его в поток уходящего охлажденного влажного вспомогательного воздуха. В режиме "зима" конденсатор ТН и испаритель ТН включаются по реверсивной схеме. При этом наоборот тепло подводится в поток приточного воздуха через конденсатор ТН, а испаритель ТН воспринимает тепло (обогревается) потоками вытяжного воздуха и/или воздуха, подогретого в снеговой камере. При этом в режиме "зима" испаритель подключен к тракту, и ТН отбирает тепло из этих потоков воздуха. Выше отмечалось, что [1, рис. 5.3] ТН может обеспечить отопление при температуре воздуха до минус 15°С. Соответственно, использование в качестве источника тепла наружного воздуха, подогретого до 0°С ÷ минус 5°С в снеговой камере, и тем более вытяжного воздуха будет эффективным.
В дополнительных п.ф.и. 8-13 уточняются технические решения по элементам конструкции снеговой камеры, повышающие ее эффективность.
- Выполнение, п. 8, ее в виде осадительной камеры - простого устройства улавливания льда, снега или капель позволяет не только улавливать путем осаждения из восходящего потока воздуха за счет гравитации более плотные частицы, но и организовать при этом межфазный тепло- и массообмен по наиболее эффективной противоточной схеме при минимуме аэродинамического сопротивления. Соответственно уменьшается потребление воды, электроэнергии, и дополнительно повышается экономичность.
- Выполнение, п. 9, стен снеговой камеры гибкими, с гидрофобным покрытием и оснащение их встряхивающими устройствами обеспечивают очистку снеговой камеры от отложений льда и снега.
- Выполнение, п. 10, устройства удаления льда и снега из подвижной перфорированной ленты с гидрофобным покрытием, в виде воздухораспределителя приточного воздуха обеспечивает удаление льда и снега, чистоту устройства удаления, а также равномерное распределение потока воздуха.
- Включение, п. 11, в режиме "лето" теплообменников, встроенных в емкости сбора льда, снега и воды, в контуры теплоносителя с фэнкойлами позволяет летом использовать в СКВ накопленный зимой холод.
- Подключение, п. 12, снеговой камеры в режиме "зима" к тракту подогретого вытяжного воздуха позволяет рекуперировать уходящее тепло, а ее подключение в режиме "лето" к трактам уже охлажденного вспомогательного и/или вытяжного воздуха позволяет применить ее в качестве градирни для охлаждения воды в фэнкойлах. Кроме того, п. 13, летом в ночное более холодное время это позволяет охладить помещение холодным воздухом при работе СКВ в режиме вентиляции и накапливать холод в емкостях сбора для дневного использования в фэнкойлах за счет применения снеговой камеры в качестве градирни. Эти меры дополнительно повышают экономичность работы СКВ.
Таким образом, в сравнении с прототипом предлагаемым изобретением решаются задачи создания экономичной универсальной, круглогодично обеспечивающей комфортные условия СКВ. Предлагаемая СКВ пригодна к использованию в регионах с суровым климатом, при повышенной экономичности за счет минимизации потребления электрической, тепловой энергии путем использования теплоты фазовых переходов воды (испарения и замерзания) и аккумуляции тепла - альтернативных, экологически чистых и неисчерпаемых природных источников энергии.
На фигуре 1 показана схема предлагаемой универсальной, экономичной и экологически чистой СКВ, а на фигурах 2 и 3 - варианты конструкции теплообменника косвенного охлаждения. Причем на фигуре 2 теплообменник работает в режиме "лето", а на фигуре 3 вариант исполнения теплообменника 2 по многократно перекрестной противоточной схеме при работе в режиме "зима" в качестве рекуператора тепла из вытяжного воздуха.
СКВ, фигура 1, имеет кондиционер 1, который включает теплообменник 2 косвенного охлаждения, насос 3, поддон 4, распределитель 5 воды, приточный вентилятор 6 с трактами приточного 7 и вспомогательного 8 воздуха и предвключенный теплообменник 9. В состав кондиционера 1 также может входить ТН реверсивного типа с компрессором 10, конденсатором 11 и испарителем 12, а также калорифер 13, причем теплообменник 2 может выполняться по противоточной, фиг. 2, или по многократно перекрестной противоточной, фиг. 3, схеме.
Кроме того, СКВ имеет распределенные элементы в помещениях 14 здания: вытяжной вентилятор 15 с трактом 16 вытяжного воздуха, систему управления с блоком управления 17, а также фэнкойлы 18 с индивидуальным вентилятором и калорифером, солнечные коллекторы, котел 19 и встроенный теплообменник 20, связанные совместно с насосом 3 контурами 21 циркуляции теплоносителя (воды). При этом в трактах 7, 8 и 16 воздуха установлены переключатели потоков, соответственно 22 приточного, 23 вспомогательного и 24 вытяжного воздуха, подключенные совместно с системой датчиков и приводов вентиляторов 6, 15 и 18 к блоку управления 17. В контурах 21 циркуляции теплоносителя также установлены переключатели 25 потока теплоносителя, подключенные совместно с насосом 3 к блоку управления 17.
Важным элементом СКВ является снеговая камера 26, которая выполнена в виде осадительной камеры с расположенными в ней сверху разбрызгивателями 27 воды с насосом 28 и снизу устройством 29 удаления льда, снега и воды, подключенным к емкости 30 сбора льда, снега и воды или складу 31. Стены камеры 26 выполнены гибкими, имеют гидрофобное покрытие и оснащены встряхивающими устройствами. Это облегчает обращение со льдом и снегом. С этой же целью предлагается выполнить устройство 29 из подвижной перфорированной ленты с гидрофобным покрытием, причем в виде воздухораспределителя приточного воздуха.
Особенностью теплообменника 2 косвенного охлаждения является его универсальность, использование в режиме "зима" совместно с теплообменником 9 в качестве рекуператора тепла вытяжного воздуха. Здесь, как и в обычных теплообменниках, наиболее эффективна противоточная схема исполнения и включения нескольких аппаратов, а также близкая к ней схема с многократно перекрестным противоточным движением теплоносителей.
На фигуре 2 показан вариант выполнения теплообменника 2 по противоточной схеме при его работе в режиме "лето" в качестве теплообменника косвенного охлаждения, состоящего из чередующихся мокрых 32 и сухих 33 каналов. Теплообменник 2 может быть выполнен, например, установленными с небольшим зазором листами из сотового поликарбоната с вертикально ориентированными внутренними сухими каналами и мокрыми каналами, которые сформированы в виде щели между листами. На концах вертикальные каналы 33 по линии наклонного среза подклеены к входному и выходному участкам сухих каналов. Снизу мокрые каналы могут быть подключены к тракту 16 вытяжного воздуха и/или через переключатель потока 23 к тракту приточного воздуха, причем охлажденного в теплообменнике 2.
На фигуре 3 дан вариант исполнения теплообменника 2 по многократно перекрестной противоточной схеме, включенным совместно с теплообменником 9 также по противоточной схеме при работе в режиме "зима" в качестве рекуператора тепла из вытяжного воздуха. При этом теплообменник 2 также может быть выполнен из пакета листов с каналами, которые сформированы в виде щели между листами сотового поликарбоната и с горизонтально ориентированными внутренними, сухими каналами, которые группами включены перекрестно с помощью боковых каналов 34.
При описании действия СКВ рассмотрим основные режимы ее работы.
Режим "лето". Кондиционер 1 обеспечивает охлаждение потока приточного воздуха, подаваемого по тракту 7 вентилятором 6 в теплообменнике 2 косвенного охлаждения. При этом весь поступающий воздух охлаждается в сухих каналах 33 за счет передачи тепла через стенку испаряющейся в мокрых каналах 32 воде. Вода в свою очередь поднимается насосом 3 из поддона 4, раздается распределителем 5, испаряется при движении вниз в восходящем потоке вспомогательного воздуха, поступающего встречно по тракту 8 и охлаждается до температуры мокрого термометра tм. В качестве вспомогательного воздуха в теплообменнике 2 может использоваться часть охлажденного приточного воздуха, поступающего через переключатель 23 вспомогательного воздуха, или вытяжной воздух, подаваемый по тракту 16 вентилятором 15, и это более экономично.
Затем приточный воздух дополнительно может охлаждаться отработанным влажным вспомогательным воздухом: в предвключенном теплообменнике 9 и/или в испарителе 12 ТН при работе компрессора 10 со сбросом тепла через конденсатор 11. Охлажденная в теплообменнике 2 вода подается насосом 3 по контурам 21 теплоносителя в калорифер 13, а также в калориферы фэнкойлов 18, охлаждает приточный воздух и воздух непосредственно в помещениях здания 14.
Летом снеговая камера 26 с разбрызгивателями 27 воды, насосом 28 и емкостью 30 может подключаться к СКВ и использоваться как градирня: для охлаждения воды в контурах 21 теплоносителя, циркулирующего через встроенный теплообменник 20, а также для предварительного охлаждения и увлажнения приточного воздуха. Летом СКВ может получать холод наиболее экономично за счет плавления запасенного зимой в емкости 30 и на складе 31 льда и снега.
В итоге СКВ использует преимущественно экономичное испарительное охлаждение, ТН включается только в редкие периоды, когда наружный воздух горячий и имеет высокую влажность.
Режим "вентиляция". Вода, образующаяся летом в емкости 30, может использоваться в разбрызгивателях 27, в том числе и для компенсации суточных колебаний наружной температуры. В ночное летнее время СКВ работает в экономичном режиме "вентиляция". При этом кондиционер 1 отключен, а вытяжной вентилятор 15 просасывает холодный наружный воздух, охлаждает им помещения здания 14 и по тракту 16 подает его в снеговую камеру 26, где охлаждает путем испарительного охлаждения воду в емкости 30, запасая холод для дневного охлаждения помещений фэнкойлами 18.
Режим "зима". Приточный воздух поступает через снеговую камеру 26, в которой увлажняется, подогревается до 0÷-5°С замерзающей водой, подаваемой насосом 28 через разбрызгиватели 27 за счет фазового перехода. Увлажнение воздуха, даже при 0÷-5°С, заметно улучшит комфорт в помещениях 14 в морозные дни. Образующаяся твердая фаза выводится устройством 29 удаления льда, снега и воды в емкость 30 сбора льда, снега и воды или на склад 31. Далее приточный воздух вентилятором 6 подается в теплообменники 2 и 9, подогревается в них движущимся противоточно потоком вытяжного воздуха. Эта рекуперация тепла из вытяжного воздуха наиболее эффективна при выполнении теплообменника 2 косвенного охлаждения противоточным или многоходовым, включенным по противоточной схеме, фигуры 2 и 3. Многоходовое перекрестное движение приточного воздуха в теплообменнике 2 организуется с помощью боковых каналов 34.
Дополнительно приточный воздух подогревается ТН в калорифере 13 кондиционера и фэнкойлах 18 с обогревом воздуха и отоплением помещений за счет тепла, получаемого в котле 19. При этом вода не подается в распределители 5, а насос 3 обеспечивает циркуляцию теплоносителя по контуру 21 через котел 19, калорифер 13 и фэнкойлы 18. Вода подогревается в котле 19, и тепло на отопление помещений 14 подается через фэнкойлы 18. Для подогрева воды могут использоваться также солнечные коллекторы.
В итоге зимой значительная часть тепла на вентиляцию вырабатывается экономично за счет теплоты замерзания и регенерации, а СКВ является универсальной и работает круглогодично. Кроме того, использование солнечных коллекторов и ТН обеспечивает экономичное отопление.
Описанные режимы работы устанавливаются вручную или автоматически блоком управления 17 с соответствующим направлением потоков воздуха и теплоносителя с помощью переключателей потоков 22, 23, 24 и 25. Например, в режиме "зима" калорифер 13 и фэнкойлы 18 с помощью переключателей 25 подключаются к котлу 19, а в режиме "лето" насос 3 обеспечивает подачу воды в теплообменник 2 через распределитель 5, циркуляцию теплоносителя через поддон 4 и встроенный теплообменник 20. Аналогично переключатель 22 позволяет в качестве приточного использовать внешний воздух или его после обработки в снеговой камере 26, а переключатели 23 и 24 позволяют использовать в качестве вспомогательного часть приточного или вытяжной воздух и так далее.
Таким образом, применение предлагаемого изобретения обеспечивает решение поставленной задачи: создание экономичной СКВ, обеспечивающей комфортные условия, в том числе в регионах с суровым климатом, при минимальном потреблении электрической и тепловой энергии.