СПОСОБ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА (ВАРИАНТЫ)
PROCEDURE FOR AIR VENTILATION AND CONDITIONING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Технические решения относятся к способам и устройствам для вентиляции помещений и кондиционирования воздуха, подаваемого в помещения, в которых преимущественно находятся крупногабаритные панели управления или серверы электронно-вычислительных машин.
Технические решения могут быть реализованы в области эксплуатации электронно-вычислительной техники, а также в области строительства, в конструкциях зданий и сооружений, в которых имеются помещения с расположенными в них блоками управления, интенсивно выделяющие тепло.
Технические решения могут быть использованы также в области гражданского строительства в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, к которым предъявляются требования интенсивного охлаждения помещений воздухом с большим его расходом.
Известно устройство для тепловой и влажностной обработки воздуха, содержащее узлы приточной системы воздуха, включающей последовательно соединенные воздуховодами воздушный фильтр, вентилятор для забора наружного воздуха, осушитель воздуха, а также узлы вытяжной системы, включающей последовательно соединенные воздуховодами воздушный фильтр, нагреватель воздуха, сектор регенерации во вращающемся осушителе воздуха и вентилятор для внутреннего воздуха, причем особенностью этого устройства является то, что в приточной системе установлен байпасный воздуховод для наружного воздуха, расположенный за вентилятором для наружного воздуха до и после осушителя воздуха, и поверхностный воздухоохладитель, соединенный с системой получения холодной воды на основе многоступенчатого косвенного и прямого охлаждения воздуха (RU 2292518 C2, 27.01.2007, АВЕРКИН А.Г.).
Известно устройство для быстрого отвода тепла от свежего условно холодного воздуха, включающее средство подачи холодного воздуха, средство подачи отработанного теплого воздуха и контроллер, при этом устройство обеспечивает рассеивание тепла теплого воздуха на выходе и входе, которые общаются с проходящим через отводящую трубу холодным воздухом, при этом на выходе устройства отработанный воздух проходит через внешние стенки моторного отсека и выходит за пределы, воздух на входе воздухозаборника взаимодействует с воздухом атмосферы и окружающей средой, воздух на выходе устройства через воздухозаборник подается в помещения, кроме того устройство имеет датчики температуры и влажности соответственно (CN 200989643 Y, 12.12.2007).
Полезная модель использует прохладный воздух из природной среды и может использоваться для отвода тепла от двигателя в комнате при соответствующей температуре с целью снижения энергопотребления (в случае использования кондиционера), экономии электроэнергии и сокращения инвестиций в оборудование для кондиционирования воздуха в компьютерном зале.
Известна система воздушного охлаждения компьютерного оборудования, размещенного в компьютерных стойках, установленных в замкнутом помещении на расстоянии от его боковых стенок, содержащая экран, делящий объем на условно холодный и горячий коридоры и установленные в нем вентиляторные модули охлаждения, при этом отличительными особенностями системы является то, что система снабжена по крайней мере одним клапаном избыточного давления, установленным между горячим и холодным коридорами в пространстве, свободном от компьютерного оборудования и ограничивающим перепад давления между холодным и горячим коридорами заданной величиной, причем клапан представляет собой жалюзийную решетку, а экран размещен в потолочной части замкнутого объема (RU 79366 U1, 27.12.2008, ОАО «СТРОНИКС» (RU).
Известна система охлаждения приборных и сетевых шкафов, имеющая замкнутый контур охлаждающего воздуха для отвода тепловых потерь электронных модулей, приточный канал и вытяжной канал, который содержит участок для восходящего потока вытяжного воздуха и второй участок для нисходящего потока вытяжного воздуха (RU 2318299, 27.02.2008), а также известна установка, в которой силовые модули, средства управления и средства принудительного охлаждения установлены внутри контейнера, разделенного на два объема - объем высокого давления и объем низкого давления, и дополнительный приподнятый фальшпол, при этом контейнер имеет боковые нижнюю и верхнюю стенки (RU 2207746, 27.06.2003).
Известные технические решения не в полной мере отвечают условиям вентиляции и кондиционирования воздуха, подаваемого в охлаждаемое помещение, например в помещение, в котором расположены сильно нагревающиеся охлаждаемые по установленным режимам охлаждения объекты, требующие большого расхода охлаждающего воздуха, при этом известные устройства не в полной мере отвечают техническим требования, предъявляемым к режимам охлаждения высокочувствительных объектов, находящихся в постоянных условиях крайне опасного перегрева, требующего большой точности регулирования режимов охлаждения.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности вентиляции и кондиционирования воздуха, подаваемого в охлаждаемое помещение, и точности регулирования режимов охлаждения.
Технический результат получен способом вентиляции и кондиционирования воздуха, характеризующимся тем, что сначала осуществляют забор снаружи охлаждаемого помещения холодного воздуха и подают его под давлением по холодному воздуховоду в зону теплообмена, затем одновременно при проведении указанных операций или последовательно после подачи холодного воздуха в зону теплообмена осуществляют забор из помещения теплого воздуха и подают его под давлением по теплому воздуховоду в зону теплообмена, далее осуществляют в зоне теплообмена регенеративный теплообмен между теплым и холодным воздухом, например, посредством регенератора, и проводят охлаждение теплого воздуха и нагрев холодного воздуха, затем из зоны теплообмена в нагретом состоянии холодный воздух выводят наружу по другому холодному воздуховоду, а охлажденный теплый воздух подают по другому теплому воздуховоду обратно в помещение, причем в зоне теплообмена выходящие из воздуховодов потоки холодного и теплого воздуха перемещают во взаимно противоположных направлениях без перемешивания потоков теплого и холодного воздуха, передачу количества тепла от теплого воздуха холодному воздуху до заданного уровня охлаждения теплого воздуха осуществляют путем изменения скорости перемещения теплого воздуха, например, изменением скорости прохождения теплого воздуха через рабочую полость регенератора, изменением скорости прохождения теплого воздуха в другом теплом воздуховоде и изменением расхода холодного воздуха, а после охлаждения теплого воздуха до требуемой температуры подают охлажденный воздух в охлаждаемое помещение.
Технический результат получен также устройством вентиляции и кондиционирования воздуха для реализации способа, характеризующимся тем, что оно содержит первое средство для забора наружного холодного воздуха, воздуховод для перемещения холодного воздуха под давлением в зону теплообмена, воздуховод для отвода холодного воздуха от зоны теплообмена, второе средство для забора теплого воздуха из помещения, воздуховод для перемещения теплого воздуха из помещения в зону теплообмена и воздуховод для возврата охлажденного теплого воздуха из зоны теплообмена в помещение, при этом устройство содержит вращающийся регенератор в вертикальном или в горизонтальном исполнениях, одна рабочая полость которого сообщена с воздуховодами для холодного воздуха, которые сообщены между собой через рабочую полость регенератора, вторая рабочая полость регенератора сообщена с воздуховодами для теплого воздуха, которые сообщены между собой через другую рабочую полость регенератора, воздуховоды для теплого воздуха сообщены с пространством закрытого охлаждаемого помещения, в котором расположены, например, охлаждаемые элементы сервера электронно-вычислительной машины, сообщенные между собой воздуховоды для теплого воздуха, рабочая полость регенератора и пространство помещения образуют замкнутый контур циркуляции охлаждаемого теплого воздуха, а сообщенные между собой воздуховоды для холодного воздуха, другая рабочая полость регенератора образуют разомкнутый на атмосферу контур циркуляции холодного воздуха.
Устройство для вентиляции и кондиционирования воздуха характеризуется также тем, что оно содержит воздуховод для подачи из атмосферы наружного холодного воздуха в зону теплообмена и воздуховод для подачи теплого воздуха из помещения в зону теплообмена, воздуховоды для отвода холодного воздуха и теплого воздуха от зоны теплообмена, установленный в зоне теплообмена вращающийся регенератор, рабочие полости которого сообщены с упомянутыми воздуховодами, каждый воздуховод выполнен из полых соединенных секций, образующих нижний ярус и верхний ярус воздуховодов, при этом крайние секции нижнего яруса, сообщенные с пространством охлаждаемого помещения, образуют замкнутый контур циркуляции через регенератор теплого воздуха, крайние секции верхнего яруса, сообщенные с байпасным воздуховодом, образуют разомкнутый на атмосферу контур циркуляции холодного воздуха, а воздуховоды для холодного воздуха сообщены байпасным воздуховодом.
Замкнутый контур циркуляции воздуха содержит последовательно соединенные секцию фильтрации с клапаном, опорную секцию, первую вертикальную секцию смешения, секцию регенератора, вторую вертикальную секцию смешения, вентиляторную секцию и секцию воздухоохладителя, при этом секция регенератора расположена между первой и второй вертикальными секциями первого яруса.
В секции фильтрации замкнутого контура расположен фильтр, к наружной стороне этой секции прикреплена гибкая вставка, служащая для соединения секции с воздуховодом, и клапан, опорная секция выполнена полой и является частью воздуховода, а также опорой для расположенной над ней секции, в секции смешения нижнего яруса расположен в вертикальном положении клапан, а в секции регенератора расположен регенератор, во второй секции смешения нижнего яруса расположен в горизонтальном положении клапан, в вентиляторной секции первого яруса расположено первое средство для забора наружного условно холодного воздуха - воздушный вентилятор, осуществляющий подачу холодного воздуха под давлением к регенератору, а в крайней секции нижнего яруса расположен воздухоохладитель.
Соединенные между собой одни секции и другие секции первого яруса образуют воздуховоды, сообщенные с рабочими полостями регенератора, при этом секции воздуховодов сообщены с пространством вентилируемого помещения и образуют замкнутый контур циркуляции воздуха в устройстве, которое соединено с помещением.
Разомкнутый на атмосферу контур циркуляции холодного воздуха содержит соединенные между собой секции, образующие воздуховоды второго яруса, в который входят последовательно соединенные друг с другом и расположенные справа налево соединенная с байпасным воздуховодом первая секция смешения второго яруса, секция фильтрации, первая вертикальная секция смешения, вторая вертикальная секция смешения, секция регенератора, вентиляторная секция второго яруса, секция фильтрации с клапаном, соединенная с байпасным воздуховодом.
Каждая секция имеет продольно расположенные по отношению к оси воздуховода боковые стенки, нижнюю стенку и верхнюю стенку, стенки секции образуют короб, имеющий на торцах обвязку (раму), посредством которой одна секция соединена с обвязкой другой, смежной секции, при этом секции, соединенные между собой, образуют упомянутые воздуховоды, соединенные в единую несущую нагрузку крупногабаритную строительную конструкцию, на которой смонтированы вышеназванные узлы устройства.
На фиг.1 показана поясняющая способ принципиальная схема устройства вентиляции и кондиционирования воздуха;
на фиг.2 показана рабочая схема устройства (первый вариант);
на фиг.3 показано устройство, узлы которого смонтированы на несущей нагрузку строительной конструкции (вид спереди, второй вариант устройства);
на фиг.4 - монтажная схема устройства в пространственном изображении;
на фиг.5 - монтажная схема устройства, вид спереди;
на фиг.6 - монтажная схема устройства, вид сверху.
Устройство вентиляции и кондиционирования воздуха (фиг.1) характеризуется тем, что оно содержит первое средство 1 для забора наружного условно холодного воздуха, воздуховод 2 для перемещения холодного воздуха под давлением в зону его теплообмена и воздуховод 3 для отвода холодного воздуха от зоны теплообмена. Устройство содержит средство 4 для забора нагретого воздуха из помещения, воздуховод 5 для перемещения нагретого воздуха из помещения в зону его охлаждения и воздуховод 6 для отвода или возврата нагретого воздуха из зоны его охлаждения обратно в помещение. Нагретым воздухом является воздух, температура которого больше температуры воздуха в вентилируемом помещении до включения в работу тепловыделяющих элементов и больше температуры холодного воздуха, находящегося снаружи вентилируемого помещения.
Устройство содержит вращающийся регенератор 7, одна рабочая полость 8 которого сообщена с воздуховодами 2 и 3, которые сообщены между собой через рабочую полость 8 регенератора, а вторая рабочая полость 9 регенератора 7 сообщена с воздуховодами 5 и 6, которые сообщены между собой через рабочую полость 9 регенератора, причем воздуховоды 5 и 6 сообщены с пространством 10 закрытого помещения 11. Средство 1 забора холодного воздуха может быть установлено в холодном воздуховоде 2 до регенератора 7, как это показано на фиг.1, так и после регенератора 7 в воздуховоде 3 (не показано) по ходу движения холодного воздуха.
В помещении расположены, например, выделяющие тепло элементы 12 сервера мощной электронно-вычислительной машины или какие-либо другие объекты, выделяющие при работе большое количество тепла и требующие особенных режимов охлаждения с использованием большого расхода воздуха в единицу времени.
Сообщенные между собой воздуховоды 5 и 6, рабочая полость 9 регенератора 7 и пространство 10 помещения образуют замкнутый контур циркуляции воздуха, находящегося в помещении 11. Сообщенные между собой воздуховоды 2, 3 и рабочая полость 8 регенератора представляют собой разомкнутый контур циркуляции холодного воздуха, который подводят в устройство из атмосферы или из наружного (по отношению к помещению) пространства и затем отводят в наружное пространство. Воздуховоды 2 и 3 сообщены байпасным воздуховодом 13.
Под холодным воздухом понимается воздух окружающей среды, температура которого ниже температуры нагретого воздуха, находящегося в помещении 11. Случай, если температура воздуха окружающей среды выше температуры воздуха помещения, в данном техническом решении не рассматривается.
Регенератор 7 применен в роторном вертикальном или горизонтальном исполнениях с целью полезной энергоутилизации: для охлаждения потока нагретого воздуха, проходящего через воздуховод 5 из помещения 10 в регенератор. При этом передача тепла от нагретого воздуха холодному воздуху осуществляется в регенераторе в процессе вращения рабочего колеса регенератора, когда через его рабочее колесо и разделенное перегородкой рабочее пространство протекают движущиеся в противоположном направлении холодный и нагретый воздух.
Энергоутилизация данным регенератором осуществляется с разделением потоков холодного и нагретого воздуха с незначительным перетоком одного потока в другой поток, например, холодного потока в горячий поток, или без разделения потоков. В случае применения регенератора другого исполнения устройство не исключает переток одного потока в другой поток и их перемешивание между собой в рабочих камерах регенератора.
Указанные узлы устройства соединены друг с другом так, как это условно показано на монтажных схемах (фиг.3-6), причем на этих схемах устройство представлено панельными блоками металлоконструкции, представляющими собой сообщенные между собой секции. Особенностью этих секций является то, что они в соединенном положении образуют собой вышеупомянутые воздуховоды 2, 3, 4 и 6. В этом секционном исполнении устройство характеризуется тем, что оно содержит нижний и верхний ярусы секций, над которыми расположен байпасный воздуховод 13.
Секционное исполнение устройства (фиг.3-6) предусматривает секции нижнего яруса, к которым относятся последовательно соединенные и расположенные слева направо (фиг.3) секция 14 фильтрации с клапаном, опорная секция 15, первая вертикальная секция 16 смешения, секция 17 регенератора, вторая вертикальная секция 18 смешения, вентиляторная секция 19 первого яруса и секция 20 воздухоохладителя. Секция 17 регенератора расположена между первой и второй вертикальными секциями 16 и 18 первого яруса.
Верхний ярус устройства характеризуется тем, что в него входят последовательно соединенные друг с другом и расположенные справа налево соединенная с байпасным воздуховодом 13 первая секция 21 смешения второго яруса, секция 22 фильтрации, первая вертикальная секция 23 смешения, вторая вертикальная секция 24 смешения, секция 17 регенератора, вентиляторная секция 25 второго яруса, секция 26 фильтрации с клапаном, соединенная с байпасным воздуховодом 13. Секция 17 регенератора расположена между первой вертикальной секцией 23 смешения и второй вертикальной секцией 24 смешения второго яруса. Таким образом секция 17 сообщает воздуховод первого яруса с воздуховодом второго яруса через рабочие полости регенератора 7.
Каждая секция имеет продольно расположенные по отношению к оси воздуховода боковые стенки 27 (фиг.5), нижнюю стенку 28 и верхнюю стенку 29, стенки секции образуют короб, имеющий на торцах обвязку (раму), посредством которой одна секция соединена с обвязкой другой смежной секции. Секции, соединенные между собой, образуют упомянутые воздуховоды, они образуют также несущую нагрузку - крупногабаритную строительную конструкцию, на которой смонтированы вышеназванные узлы устройства. Элементы такой строительной конструкции, секции, конструктивно и функционально взаимосвязаны с узлами устройства. В собранном положении несущая конструкция и узлы устройства образуют стационарное или передвижное устройство (установку) вентиляции и кондиционирования воздуха для его подачи в вентилируемое и охлаждаемое помещение.
В секции 14 фильтрации, которая относится к нижнему ярусу (фиг.3), расположен фильтр 30, к наружной стороне секции 14 прикреплена гибкая вставка 31, служащая для соединения секции 14 с воздуховодом. К наружной стороне секции 14 присоединен клапан 32. Секция 15 нижнего яруса выполняет функцию воздуховода, проходящего под секцией 25, при этом секция 15 служит опорой для секции 25. В секции 16 смешения нижнего яруса, под секцией 24 расположен в вертикальном положении клапан 32. В секции 17 расположен регенератор 7, во второй секции 18 смешения нижнего яруса расположен в горизонтальном положении клапан 32. В вентиляторной секции 19 первого яруса расположено первое средство 1 для забора наружного условно холодного воздуха - воздушный вентилятор, осуществляющий подачу холодного воздуха под давлением к регенератору 7. В секции 20 расположен воздухоохладитель 33.
Соединенные между собой секции 14-16 образуют условно показанный на фиг.1 воздуховод 5 первого яруса. Соединенные между собой секции 18-20 образуют воздуховод 6, сообщенный с воздуховодом 5 через рабочую полость 9 регенератора, при этом указанные секции воздуховодов 5 и 6 сообщены с пространством 10 вентилируемого помещения 11, и таким образом секции первого яруса образуют замкнутый контур циркуляции воздуха в устройстве, которое соединено с помещением.
Соединенные между собой секции 21-23 (фиг.3) образуют условно показанный на фиг.1 воздуховод 2 второго яруса. Соединенные между собой секции 24-26 образуют воздуховод 3 второго яруса. Воздуховоды 2 и 3 образуют разомкнутый на атмосферу контур циркуляции воздуха, причем воздуховоды 2 и 3 сообщены байпасным воздуховодом 13.
Условно на фиг.1 показаны рабочее колесо 34 регенератора и перегородка 35, разделяющая рабочие полости 8 и 9, расположенные в корпусе 36.
Каждая секция имеет продольно расположенные по отношению к оси воздуховода боковые стенки 37, нижнюю стенку 38 и верхнюю стенку 39, стенки секции образуют короб, имеющий на торцах обвязку 40 (раму), посредством которой одна секция соединена с обвязкой другой, смежной секции. Секции, соединенные между собой, образуют упомянутые воздуховоды, соединенные в единую несущую нагрузку -  крупногабаритную строительную конструкцию, на которой смонтированы вышеназванные узлы устройства.
Способ поясняется работой устройства, которая осуществляется следующим образом. Подают холодный воздух вентилятором или первым средством 1 (фиг.1, 2) для забора наружного условно холодного воздуха в воздуховод 2 и перемещают холодный воздух под давлением в зону его теплообмена, в частности в рабочую полость 8 регенератора, ограниченную корпусом 36 регенератора. После указанной подачи холодного воздуха подают в зону теплообмена, в частности в рабочую полость 9 регенератора нагретый воздух вентилятором или средством 4 для забора из помещения 10, где воздух постоянно нагревается выделяющими тепло элементами 12. Или одновременно подают в зону теплообмена теплый нагретый воздух и холодный воздух.
При подаче воздуха вращают рабочее колесо 34 регенератора 7. При этом холодный воздух проходит по холодному воздуховоду 2 в рабочую полость 8 регенератора, отделенную перегородкой от рабочей полости 9 регенератора, в которой холодный воздух нагревается и затем выходит в атмосферу по холодному воздуховоду 3. Нагретый элементами 12 в помещении 11 теплый воздух из пространства 10 помещения 11 проходит по теплому воздуховоду 5 в рабочую полость 9 регенератора, где он охлаждается и в охлажденном состоянии теплый воздух проходит по теплому воздуховоду 6 в пространство 10 охлаждаемого помещения 11. Поскольку теплый воздух постоянно циркулирует по замкнутому контуру 10-5-9-6-10 (фиг.1), то происходит вентиляция пространства 10 помещения и его охлаждение, а также охлаждение элементов 12, например элементов сервера мощной ЭВМ. В случае избытка холодного воздуха в воздуховоде он сбрасывается через байпасный воздуховод 13 в холодный воздуховод 3, откуда выводится в атмосферу.
Описанный процесс охлаждения нагретого теплого воздуха осуществляется рабочей металлоконструкцией, показанной на фиг.3, которая соответствует схемам расположения секций устройства (фиг.4-6). При этом нагретый теплый воздух проходит через секции нижнего яруса, в частности через секцию 14 фильтрации с клапаном (фиг.3), опорную секцию 15, первую вертикальную секцию 16 смешения, секцию 17 регенератора, вторую вертикальную секцию 18 смешения, вентиляторную секцию 19 первого яруса и секцию 20 воздухоохладителя.
Холодный воздух проходит через секции верхнего яруса, в частности он проходит из атмосферы в первую секцию 21 смешения второго яруса, секцию 22 фильтрации, первую вертикальную секцию 23 смешения, вторую вертикальную секцию 24 смешения, секцию 17 регенератора, вентиляторную секцию 25 второго яруса, секцию 26 фильтрации с клапаном, а избыток холодного воздуха проходит через байпасный воздуховод 13 в секцию 26 и далее в атмосферу.
Поскольку секция 17 регенератора расположена между первой вертикальной секцией 23 смешения и второй вертикальной секцией 24 смешения второго яруса, то секция 17 механически и термодинамически связывает воздуховод первого яруса с воздуховодом второго яруса через рабочие полости регенератора 7, где происходит интенсивный теплообмен.
При этом секции, образующие воздуховоды, воспринимают несущую нагрузку крупногабаритной строительной конструкции, на которой смонтированы вышеназванные узлы устройства, поскольку все секции смонтированы преимущественно на охлаждаемом помещении (не показано), то в первый ярус, в частности в секцию 14 снизу из охлаждаемого помещения поступает нагретый теплый воздух, а во второй ярус, в частности в секцию 21, расположенную над первым ярусом, поступает из атмосферы холодный воздух, что существенно повышает эффективность процесса охлаждения нагретого теплого воздуха в устройстве.
При прохождении воздуха в воздуховодах воздух фильтруется фильтрами 30, что исключает воздействие абразивной пыли на элементы устройства и охлаждаемые элементы 12 (фиг.1), при этом гибкие вставки 31, выполняющие, по существу, роль уплотнителей и компенсаторов несоосностей секций при их монтаже, исключают утечки воздуха. Клапаны 32 при работе устройства пропускают воздух в одном рабочем направлении и исключают просачивание воздуха в обратном направлении. Все это повышает эффективность работы устройства.
В случае если требуемый режим охлаждения воздуха не соответствует рабочему режиму устройства, то в работу включают воздухоохладитель 33, который дополнительно охлаждает охлажденный теплый воздух, выходящий из секции 20 и входящий по соединительному воздуховоду (не показан) в пространство 10 охлаждаемого помещения.
Весь описанный процесс вентиляции и кондиционирования воздуха, его подача в охлаждаемое пространство помещения осуществляется в автоматическом режиме посредством системы автоматического управления и регулирования работы устройства. Указанная система управления является отдельным самостоятельным техническим решением, задачей которой является эффективное и точное управление электроприводами регенератора 7 (фиг.3), средствами 1 и 4 подачи воздуха, приводимыми в действие датчиками температуры, элементами электропривода и управления. Система управления в настоящем в описании не раскрывается.