Кондиционирование воздуха
Система кондиционирования воздуха является наиболее сложным звеном, включающим большое количество элементов. Одна система кондиционирования воздуха может быть предназначена для нескольких сот помещений.
При этом в промышленном здании существует множество разнообразных требований к различным зонам. Может одновременно возникнуть необходимость в нагреве и охлаждении, связанная с недостатками проекта либо с требованиями эксплуатации определенного типа аппаратуры, расположенного в здании, например электронно-вычислительных машин и т. д.Поскольку системы кондиционирования воздуха в большистве случаев потребляют электрическую энергию, компании, производящие ее, проявили интерес к повышению эффективности использования энергии в зданиях с кондиционированием воздуха. В двух публикациях, одна из которых была издана в Великобритании Комитетом Electricity Council 16.1], а другая — в США объединением Electric Energy Assosiation [6.2], представлен наиболее полный отчет по способам регенерации энергии, которые могут применяться в зданиях, с обоснованием экономической эффективности различных технических решений.
Источники поступления теплоты и ее потери в здании. Для эффективного использования системы кондиционирования воздуха и 104
Рис. 6.1. Тепловой баланс здание в зависимости от температуры окружающего воздуха
разработки технических решении по регенерации энергии необходим точный тепловой баланс здания. Потери теплоты в здании состоят из:
потерь, которые зависят от конструкции здания и которые обычно составляют половину теплоты, поступающей в здание;
потерь с воздушной вентиляцией— теплоты, затрачиваемой на нагрев воздуха, поступающего в здание для создания комфортных условий.
Источников поступления теплоты внутри здания множество: осветительные приборы. Они могут рассматриваться как источники теплоты, хотя для получения конкретных данных необходимо провести точный статистический анализ системы освещения;люди. Все находящиеся в здании люди выделяют метаболическую теплоту (около 100 Вт на человека);
электронно-вычислительные машины. Большая ЭВМ может быть источником значительного количества теплоты;
воздух, выбрасываемый из здания. Теплота его может быть утилизирована;
двигатели, приводящие в движение вентиляторы и насосы системы кондиционирования воздуха;
прочие виды оборудования, не связанные с системой кондиционирования воздуха.
Потери теплоты в здании зависят от температуры наружного воздуха и могут быть представлены на графике в виде прямой линии, при этом, естественно, потери теплоты возрастают с понижением температуры наружного воздуха В принципе можно считать, что поступление теплоты не зависит от окружающей температуры (прямая линия, параллельная оси абсцисс на рис. 6.1). Пересечение двух линий дает точку теоретического баланса, в которой потери равны поступлению теплоты. Без перераспределения теплоты в отдельных частях здания практически невозможно достигнуть теоретического теплового баланса.
Тепловой баланс для здания в Великобритании при температуре наружного воздуха —4 °С и температуре внутри здания 21 °С [6.1] приведен ниже:
Источник потерь Поступление тепло- Потери теплоте
(поступлення) теплоты ты, кВт кВт
Конструкция здания ...... — 378
Вентиляция — 490
Осветительные приборы 550 —
Люди 100 —
Вентиляторы, насосы, компрессоры . 218 —
Методы утилизации теплоты. Утилизация теплоты в зданиях с кондиционированием воздуха может быть разделена на три категории: утилизация теплоты вентиляционных выбросов, утилизация теплоты систем освещения и утилизация сбросной теплоты холодильных машин.
Утилизация теплоты вентиляционных выбросов. Утилизация сбросной теплоты для нагрева свежего воздуха (или охлаждение поступающего свежего воздуха сбросным воздухом после системы кондиционирования летом) является простейшей формой утилизации.
При этом можно отметить четыре типа систем утилизации: вращающиеся регенераторы;
теплообменники с промежуточным теплоносителем; простые воздушные теплообменники; трубчатые теплообменники.
Работа вращающегося регенератора в системе кондиционирования воздуха показана на рис. 6.2. Этот регенератор может повышать температуру приточного воздуха зимой на 15 °С, а летом он может снижать температуру поступающего воздуха на 4—8 °С {6.3). Как и в других системах утилизации, за исключением теплообменника с промежуточным теплоносителем, вращающийся регенератор может функционировать только в том случае, если вытяжной и всасывающий каналы прилегают друг к другу в какой-то точке системы.
Теплообменник е промежуточным теплоносителем менее эффективен, чем вращающийся регенератор, что подтверждается сравнением рис. 6.2 и 6.3. В представленной системе вода циркулирует через два теплообменных змеевика, и так как применяется насос, то два змеевика могут быть расположены на некотором расстоянии друг от друга. И в этом теплообменнике, и во вращающемся регенераторе имеются подвижные части (насос и электродвигатель приводятся в движение и это отличает их от воздушного и трубчатого теплообменников. Одним из недостатков регенератора является то, что в каналах может происходить загрязнение. Грязь может осаждаться на колесе, которое затем переносит его во всасывающий канал. В большинстве колес в настоящее время предусмотрена продувка, которая сводит перенос загрязнений до минимума.
Простой воздушный теплообменник, схематически показанный на рис. 6.4, представляет собой стационарное устройство для теплообмена между отработанным и поступающим потоками воздуха, проходящими через него противотоком. Этот теплообменник напоминает прямоугольную стальную коробку с открытыми концами, разделенную на множество узких каналов типа камер.
По чередующимся каналам идет отработанный и свежий воздух, и теплота передается от одного потока воздуха к другому просто через стенки каналов. Перенос загрязнений в теплообменнике не происходит, и поскольку значительная площадь поверхности заключена в компактном пространстве, достигается относительно высокая эффективность,Теплообменник с тепловой трубой можно рассматривать как логическое развитие конструкции вышеописанного теплообменника, в котором два потока воздуха в камеры остаются абсолютно раздельными, связанными пучком ребристых тепловых труб, которые переносят теп- 106
¦Рис. 6.2. Показатели работы вращающегося регенератора, применяемого для нагрева или охлаждения воздуха, поступающего в здание:
а — схема регенератора; б— график температур, / «-вращающееся колесо 
Рис. 6.3. Теплообменник с промежуточным теплоносителем. Показатели хуже, чем для регенератора, показанного на рис. 6.2:
•а — схема установки; б — график температур, / — охладитель забрасываемого воздуха; 3 — нагреватель поступающего воздуха 
Рис. 6.4. Схематическое изображение стационарного воздушного теплообменника
Лоту от одного канала к другому. Хотя стенка трубы может рассматриваться как дополнительное термическое сопротивление, эффективность теплопередачи внутри самой трубы, в которой происходит цикл испарения-конденсации, настолько велика, что в этих теплообменниках можно утилизировать до 70% сбросной теплоты. Одно из основных преимуществ этих теплообменников по сравнению с теплообменником с промежуточным теплоносителем и вращающимся регенератором — их надежность.
Выход из строя нескольких труб лишь незначительно снизит эффективность работы теплообменника, но не остановит полностью систему утилизации.Все приведенные системы утилизации отличаются высокой экономической эффективностью, в особенности для тех стран, в которых пределы измерения температуры наружного воздуха выше, чем в Великобритании и в некоторых европейских странах.
Что касается систем с тепловыми насосами, то их широкое применение желательно летом, а также во время зимнего отопительного сезона. Для завода, на котором условия специфичны, приведенные аргументы могут быть неприемлемы, так как может иметь место большая разница между температурами внутри здания и снаружи. В этих случаях безусловно выгодно применять теплообменники того или другого типа.
Системы утилизации теплоты освещения. В здании с кондиционированием воздуха можно наилучшим образом использовать теплоту, излучаемую лампами, которые являются основным источником поступления теплоты. Для достижения этого необходима осветительная арматура специального типа или светильники формы, показанной на рис. 6.5.
Рис. 6.5. Воздушное охлаждение люминесцентных ламп:
1 — распределительный механизм; .2 — прокладка 
Рве. 6.6. Одноканальная система утилизации теплоты светильников:
1 — коллектор; 2 — светильники; 3 — коридор
В этом светильнике отработанный воздух отводят в камеру приточной вентиляции в потолке. Таким образом можно использовать до 50— 65% энергии, затрачиваемой на освещение (с учетом всевозможных потерь в процессе утилизации).
На рис. 6.6 показана часть одноканальной системы утилизации теплоты, применяемой во внутренней зоне здания, в которой зимой может потребоваться одновременно и обогрев, и охлаждение.
Коллектор с термостатически регулируемой заслонкой является наиболее важным элементом в этой системе. Если требуется полное охлаждение, то 100% холодного воздуха поступает в это пространство. Если требуется нагрев, то теплый воздух из потолочной камеры постепенно подается в это пространство и смешивается с частью холодного воздуха. Теплый воздух приточной вентиляции может быть использован также для обогрева зон, расположенных по параметру здания.Летом особенно желательно применение светильников, охлаждаемых воздухом, что приведет к снижению нагрузки системы кондицио-
Рис. 6.7. Световые и тепловые характеристики светильников 2X1,8 м; 85 Вт
нирования воздуха. Преимущество применения таких светильников состоит также в повышении эффективности освещения. Работая при более низкой температуре, лампа может дать на 13% больше света при той же самой мощности. Однако переохлажденная лампа будет иметь более низкую мощность. Для люминесцентной лампы максимальная освещенность достигается при температуре стенки 40° С.
Характеристики светильника, изготовленного фирмой Osram—QEC, показаны на рис. 6.7. Они были получены с помощью специально соз-
Рйс. 6.8. Водяное охлаждение светильников, включенное в систему утилизации теплоты холодильных машин:
/ — светильники, охлаждаемые водой; 2 — теплообменник; Я — холодильник с двухпучковым конденсатором; 4 — градирня; 5 — компрессор; 5 —испаритель
данного калориметра в исследовательских лабораториях фирмы GEC 16.4]. Температура в помещении была 22° С, падение давления измерялось вдать светильника.
Досихпор рассматривались светильники, охлаждаемые воздухом. Можно также утилизировать теплоту от осветительных приборов, .используя охлаждающую воду [6.2,6.31 Один из способов показан на рис. 6.8. Применяемые светильники имеют специальные алюминиевые кожухи отражателя с каналами для прохождения воды. Благодаря применению этого способа может быть утилизировано до 70% выделяющейся теплоты.
В одной конструкции жидкость из светильников перекачивается через испарительный теплообменник, сводя до минимума внутренний прирост -теплоты. Если за счет освещения получают 50% поступления теплоты в здание, то отвод 70% теплоты непосредственно от осветительной арматуры может привести к сокращению на 35% общей нагрузки системы кондиционирования воздуха, а это немало. Зимой эту 110
Рис. 6.10. Тепловой иасос, применяемый одновременно для обогрева н охлаждения в одном здании; 1 — компрессор; 2 — конденсатор; 3 — внешний источник или поглотитель теплоты; 4 — испаритель
Рис. 6.9. Простой тепловой насос воздух — воздух, в котором наружный воздух используется в качестве источника теплоты зимой и поглотителя теплоты летом;
/ — конденсатор; 2 — компрессор; 3 — испаритель
систему можно отключать, чтобы иметь возможность использовать теплоту для создания при необходимости более комфортных условий.
Утилизация сбросной теплоты холодильных машин (тепловые насосы). Принцип работы теплового насоса и возможности его применения в промышленных областях детально рассмотрены в гл. 7. Однако, как подчеркивается в этой главе, тепловой насос будет внедрен в промышленность в течение нескольких лет, в то время как он уже успешно применяется в широких масштабах для кондиционирования воздуха в промышленных зданиях.
Типичные схемы применения тепловых насосов в системах кондиционирования показаны на рис. 6.9 и 6.10.
В схеме, приведенной на рис. 6.9, используется низкопотенциальная теплота воздуха для обогрева зимой, и тот же самый воздух используется как поглотитель теплоты летом.
На рис. 6.10 показан тепловой насос системы воздух-воздух для •утилизации теплоты в двухканальной системе кондиционирования воз-
Рис. 6.12. Вариант системы, показанной на рис. 6.11, с использованием двухпучкового конденсатора
Рис. 6.11. Система утилизации теплоты с воздушной градирней;
1 — нагреватель; 2 — конденсатор; 3 — насос; 4 — градирня; 5 — охладитель; 6 — испаритель; 7 — холодильная машина
духа, с помощью которого одновременно осуществляется нагрев и охлаждение. Если в здании нет теплоты, которая должна быть утилизирована, например в периоды, когда здание пустует, источником теплоты может быть наружный воздух, и так же, как показано на рис. 6.9, наружный воздух может быть использован как поглотитель теплоты.
Источником низкопотенциальной теплоты может быть вода. При этом могут быть применены две схемы, показанные на рис. 6.11 и 6.12 и отличающиеся тем, что водной из них (рис. 6.12) применяется двухпучковый конденсатор с двумя отдельными водяными контурами, заключенными в общий кожух. Теплота, выделяемая при конденсации рабочей жидкости теплового насоса, может быть направлена в каждый из контуров, а также в оба сразу в зависимости от потребностей. Кроме того, при разделении конденсатора устраняется возможность загрязнения воды в здании из-за применения открытой системы охлаждения.
Теплоту, полученную в течение дня от освещения, работающего оборудования и присутствия людей, можно аккумулировать и сохранить для использования в течение ночи. Она может быть использована для компенсации потерь теплоты в здании через стены и окна. Это может быть осуществлено путем сбора воды в качестве источника теплоты для теплового насоса. Система этого типа с аапасом воды 90 тыс. л., хранящейся при температуре 52°С, способна обеспечить 2,2 ГДж/ч теплоты в течение 7 ч, при этом вода подается к испарителю теплового насоса с температурой 15°С [56.51. Использование дополнительного обогрева в аккумуляторе может_удовлетворить потребность в теплоте 112
в течение более длительного периода времени или в периодические пики. Для дополнительного нагрева может использоваться электроэнергия непикового периода графика нагрузки, и если температура воды будет достаточно высокой, то из аккумулятора можно непосредственно направлять теплоту в здание.