Лекция № 5 Системы контроля микроклимата
5.1. Назначение и принцип работы систем кондиционирования воздуха
5.2. Классификация систем кондиционирования воздуха
5.3. Способы охлаждения, нагревания, осушения и увлажнения воздуха, используемые в практике кондиционирования
5.1. Назначение и принцип работы систем кондиционирования воздуха
Кондиционирование воздуха — это автоматическое поддержание в закрытых помещениях всех или отдельных его параметров (температуры, относительной влажности, чистоты, скорости движения) с целью обеспечения оптимальных метеорологических условий, наиболее благоприятных для самочувствия людей, ведения технологических процессов и сохранения ценностей культуры.
Система кондиционирования воздуха (СКВ) — это техническая установка, предназначенная для создания и поддержания в помещении или отдельной зоне заданных параметров микроклимата и чистоты воздуха. При этом заданные параметры поддерживаются в течение всех периодов года. Системы кондиционирования воздуха обычно работают в автоматическом режиме, обеспечиваемом специальной системой автоматического регулирования. В некоторых случаях при кондиционировании воздуха требуется обеспечить также высокую чистоту притока, т. е. полное отсутствие пыли.
Система кондиционирования конструктивно состоит из воздухоприготовительного устройства (кондиционера), сети воздуховодов, сетевого оборудования (доводчиков, воздухораспределителей, средств автоматического регулирования и шумоглушителей).
5.2. Классификация систем кондиционирования воздуха
По назначению системы кондиционирования подразделяют на комфортные и технологические.
Комфортное кондиционирование воздуха используют для создания микроклимата, оптимального для жизнедеятельности людей.
Технологическое кондиционирование воздуха предназначено для обеспечения необходимых его параметров для оптимизации технологических процессов.
Системы кондиционирования воздуха классифицируют:
по характеру связи с обслуживаемым помещением — на местные и центральные;
по схеме обработки воздуха — на прямоточные и рециркуляционные;
по конструктивным признакам — на автономные и неавтономные.
В центральных системах кондиционирования источники теплоты и холода (ИТХ) централизованы. Распределение воздуха по отдельным помещениям обеспечивается распределительной сетью воздуховодов.
В местных неавтономных системах ИТХ централизованы, но обработка воздуха производится в местных кондиционерах, которые размещаются в обслуживаемых ими помещениях. При таких системах распределительные воздуховоды отсутствуют. Питание местных неавтономных кондиционеров теплоносителем и хладоносителем осуществляется по трубопроводам, соединяющим эти кондиционеры с центральными ИТХ.
Автономные системы кондиционирования представляют собой индивидуальные кондиционеры со встроенными холодильными машинами. Их устанавливают в отдельных помещениях и подключают к электросети.
Системы климатического контроля, применяемые за рубежом, подразделяют на четыре основных типа:
воздушные,
воздушно-водяные,
водяные
и системы непосредственного охлаждения.
При выборе типа системы для различных зданий руководствуются следующими основными правилами: воздушные системы более пригодны для зданий с относительно низкой тепловой нагрузкой; водяные системы более эффективны для высоких зданий с большой площадью остекленных поверхностей (60...80%) и высокой световой нагрузкой. Одноканальные воздушные системы охлаждения с повторным подогревом воздуха повсеместно признаны лучшими с функциональной точки зрения.
Воздушные системы. В этих системах климатического контроля агрегаты для очистки и охлаждения воздуха могут быть расположены на некотором удалении от кондиционируемого помещения — в помещении центральной станции. В подобных системах центральной обработки воздух не только подогревается или охлаждается, но очищается и увлажняется или осушается.
Воздушно-водяные системы. В этих системах, как и в воздушных, устройства обработки и охлаждения воздуха удалены от кондиционируемых помещений. Однако охлаждение или нагревание этих помещений лишь в незначительной степени обусловлены воздействием воздушного потока, поступающего с центральной станции обработки. Основная часть теплообмена в помещениях приходится на долю теплой или охлажденной воды, циркулирующей либо в змеевике всасывающего устройства, либо в излучающей панели.
Водяные системы. Эти системы представляют собой системы с вентиляторно-змеевиковыми оконечными устройствами в каждом помещении. Данные устройства соединены с одним или двумя контурами циркуляции воды.
Системы непосредственного охлаждения. В этих системах применяются автономные (оконные, стенные, потолочные или напольные) установки, расположенные, как правило, в пределах кондиционируемого пространства. Нагревание может быть осуществлено за счет реверсивного цикла или с помощью дополнительных нагревательных элементов.
Анализируя зарубежный опыт внедрения СКВ, следует отметить, что в жилых и общественных (офисных) помещениях наибольшее распространение получили кондиционеры сплит-систем. В качестве примера на рис. 2 изображена СКВ на базе кондиционера сплит-системы с приточной вентиляцией и системы естественной вытяжной вентиляции коттеджа.
Кондиционер сплит-системы с приточной вентиляцией состоит из внутреннего (испарительного) и наружного (компрессорно-конденсаторного) блоков. В данном примере показан компрессорно-конденсаторный блок с центробежным вентилятором. Он размещен на техническом этаже. Для его охлаждения воздух забирается с улицы. Внутренний блок установлен на техническом этаже и работает на смеси наружного и рециркуляционного воздуха. Охлаждение воздуха летом осуществляется с помощью фреонового воздухоохладителя, а подогрев воздуха зимой — с помощью водяного (или электрического) калорифера. В данном примере используется водяной калорифер, работающий в период отопления от газового котла. Забор наружного воздуха в кондиционер и раздача его по помещениям осуществляются по сети воздуховодов. Воздух для охлаждения конденсатора подается центробежным вентилятором по системе воздуховодов. Для компенсации приточного воздуха из помещений санузлов и кухни предусмотрена вытяжная вентиляция.
Разнообразное конструктивное исполнение внешних блоков сплит-систем позволяет решать задачи кондиционирования воздуха в помещениях площадью 15... 140 м2. Для кондиционирования воздуха в зданиях, имеющих большое количество помещений с разными тепловыми нагрузками, изменяющимися в течение суток, разработаны многозональные системы с изменяющимся расходом хладагента. Такие системы позволяют к одному наружному блоку присоединять до 17 внутренних блоков различных мощности и конструктивного исполнения.
Рис. 2. Система кондиционирования воздуха на базе кондиционера сплит-системы с приточной вентиляцией:
1 — компрессорно-конденсаторный блок с центробежным вентилятором; 2 — внутренний блок; 3 — воздуховоды
Системы с чиллерами и фанкойлами (рис. 3) позволяют обеспечить независимое регулирование температуры одновременно в большом количестве помещений, например в гостиницах, офисах и т.п.
Потребители-кондиционеры-доводчики (фанкойлы) могут произвольно включаться и выключаться, изменять свою хладо- или теплопроизводительность. Чиллеры имеют большой диапазон мощностей — от нескольких единиц до нескольких тысяч киловатт. Они отличаются по конструктивному исполнению (со встроенными или выносными конденсаторами), типу охлаждения конденсаторов (воздушное или водяное), схемам подключения и т.п. Чиллер представляет собой законченную холодильную машину, предназначенную для охлаждения жидкости (антифриз или вода). Некоторые модели чиллеров могут работать в режиме теплового насоса. В этом случае возможен подогрев помещения.
В качестве примера на рис. 3 показана СКВ на базе чиллера и фанкойлов, а также приточно-вытяжной установки с утилизацией теплоты вытяжного воздуха, широко применяемая в зарубежной и отечественной практике при оборудовании крупных коттеджей.
Оборудование систем кондиционирования и вентиляции расположено на техническом этаже.
В системе кондиционирования используется чиллер с воздушным охлаждением конденсатора. Охлаждающий воздух подается в конденсатор центробежным вентилятором по системе воздуховодов.
В жилых помещениях расположены вентиляторные доводчики (фанкойлы) напольного типа вертикального исполнения. Они осуществляют индивидуальную регулировку температуры в каждом помещении. Система обвязки фанкойлов двухтрубная, но в зимний (отопительный) период предусмотрено их переключение от чиллера на индивидуальный газовый котел, установленный в отдельном помещении. Зимой фанкойлы работают как радиаторы отопления.
Приточная и вытяжная вентиляция коттеджа обеспечивается приточно-вытяжной установкой. Для тештоутилизации вытяжного воздуха в установке используется воздухо-воздушный рекуператор. Установка также расположена на техническом этаже, а обработанный воздух поступает и забирается из помещения по системе воздуховодов.
Рис. 3. Система кондиционирования воздуха на базе
чиллера и фанкойлов:
1 — чиллер с воздушным охлаждением конденсатора и центробежным вентилятором; 2 — приточно-вытяжная установка с теплоутилизатором;3 — фанкойлы
5.3. Способы охлаждения, нагревания, осушения и увлажнения воздуха, используемые в практике кондиционирования
Охлаждение воздуха при кондиционировании осуществляют с помощью специальных теплообменных аппаратов — воздухоохладителей, которые изготовляют двух типов: поверхностные «сухие» и «мокрые». В поверхностных «сухих» охладителях воздух вступает в контакт с охлаждающей поверхностью ребристых или гладких труб, в которых циркулирует холодная вода, рассол или специальный холодильный агент. В воздухоохладителях «мокрого» типа воздух охлаждается в результате непосредственного его соприкосновения с капельками холодной воды в оросительной камере или со смоченной поверхностью, образованной металлическими или фарфоровыми кольцами, постоянно орошаемыми холодной водой или рассолом. Встречаются конструкции охладителей, в которых воздух охлаждается при прохождении через натуральный дробленый лед.
Охлаждаться воздух может только в том случае, если у охлаждающей поверхности температура ниже температуры охлаждаемого воздуха. В воздухоохладителях «сухого» типа при температуре охлаждающей поверхности ниже температуры охлаждаемого воздуха по сухому термометру, но выше точки росы процесс охлаждения происходит при постоянном влагосодержании — от воздуха отводится только явная теплота, в результате чего его температура понижается. В тех случаях, когда температура поверхности «сухого» воздухоохладителя ниже точки росы, процесс охлаждения сопровождается конденсацией водяных паров из воздуха. При этом воздух охлаждается и одновременно осушается.
В охладителях «мокрого» типа при температуре разбрызгиваемой воды, равной температуре мокрого термометра, воздух в процессе охлаждения отдает явную теплоту и его температура понижается. Температура воды, несмотря на теплообмен, не повышается, так как теплота, отдаваемая ей воздухом, идет полностью на испарение. Следовательно, в этом случае температура воздуха понижается, а влагосодержание несколько возрастает, т.е. воздух увлажняется.
Иногда для увлажнения воздуха используют водяной пар, но применяют этот способ редко, так как пар обладает неприятным специфическим запахом.
Охлаждение и увлажнение воздуха можно также производить с помощью перегретой воды. Принцип охлаждения воздуха в данном случае основан на использовании эффекта испарения при вскипании распыляемой перегретой воды. Расход теплоты на парообразование при этом превышает теплосодержание разбрызгиваемой воды, а недостающее количество ее отбирается от воздуха, в результате чего температура воздуха понижается. Испаряющаяся вода поступает в воздушно-паровую смесь и повышает ее влагосодержание.
Для нагревания воздуха используют калориферы — нагревательные аппараты гладкотрубной или оребренной конструкции. Термодинамический процесс нагревания воздуха в калорифере протекает при постоянном влагосодержании, но с повышением температуры воздуха его относительная влажность падает.
В тех случаях, когда для осушения воздуха применяют жидкие или твердые влагопоглощающие вещества, процесс осушения сопровождается повышением температуры осушаемого воздуха в результате перехода скрытой теплоты (при конденсации водяных паров) в явную.