Расчет систем кондиционирования воздуха с центральными кондиционерами и фэнкойлами

М. Г. Тарабанов, директор НИЦ «Инвент», руководитель НП «АВОК Волгоград»

 

В последние годы в офисных и многофункциональных зданиях, в торговых центрах, гостиницах и на других объектах широко применяют системы кондиционирования воздуха с центральными кондиционерами, подающими в помещение некоторый расчетный объем наружного воздуха, и фэнкойлами в качестве охладителей-доводчиков.

Не останавливаясь подробно на достоинствах и недостатках таких систем, заметим, что в некоторых случаях подобный выбор является просто данью моде и ничем не обоснован.Например, при проектировании систем кондиционирования воздуха для торговых залов мебельного центра «Гранд-2» в Химках общей площадью 80 000 м² НИЦ «Инвент» предложил центральные системы с переменной первой рециркуляцией без каких-либо доводчиков. Такая схема для данного конкретного объекта оказалась значительно эффективнее и экономичнее как по капитальным, так и по эксплуатационным затратам, чем система кондиционирования воздуха с фэнкойлами.

Однако во многих случаях системы кондиционирования воздуха с центральными кондиционерами и доводчиками-охладителями более эффективны и бесспорно имеют право на существование, например, для развлекательной и офисной зон того же «Гранд-2» применены именно такие системы.

Цель настоящей статьи — дать методику расчета СКВ с фэнкойлами, включая построение процессов обработки воздуха на I-d диаграмме и подбор фэнкойлов, в зависимости от режима их работы.

 

Для систем кондиционирования воздуха с местными доводчиками построение процессов на I-d диаграмме принципиально отличается от построений для центральных систем, т. к. процесс в доводчиках может идти со значительной осушкой воздуха, а холодопроизводительность доводчиков зависит от неизвестной до начала расчета температуры поступающего в них воздуха по сухому и мокрому термометрам.

Поэтому для систем с доводчиками нельзя задать на I-d диаграмме точку с параметрами внутреннего воздуха, а можно указать лишь требуемое значение температуры и допустимую область значений относительной влажности или влагосодержания, что делает задачу построения процесса неопределенной.

Рассмотрим одну из наиболее распространенных схем кондиционирования воздуха, например, в офисном помещении или торговом зале (рис.1).

Рисунок 1.

На рисунке 1 приняты следующие обозначения индексов:

н — параметры приточного наружного воздуха, подаваемого от центрального кондиционера;

у — параметры воздуха, удаляемого из помещения общеобменной вытяжной системой;

ф — параметры приточного воздуха, подаваемого в помещение фэнкойлами;

уф — параметры воздуха, удаляемого из помещения фэнкойлами;

в — параметры внутреннего воздуха в обслуживаемой или рабочей зоне.

Рассматриваемая схема, безусловно, не является какой-то исключительной. Возможно размещение фэнкойлов на или в полу, на стене или под потолком, так же как и подача приточного воздуха у пола (вытесняющая вентиляция) или в рабочую зону, но это не меняет сути решаемой задачи — обеспечить требуемые параметры воздуха, включая, кроме указанных, его качество и подвижность в обслуживаемой зоне.

Составим тепловлажностный баланс для рассматриваемого помещения, который в общем случае имеет вид:

	(1)
	(2)

Количество сухой части приточного или удаляемого воздуха определяется по формуле

(3)

Поскольку значения влагосодержания обычно невелики (0,008–0,012 кг/(кг св)), то уравнения (1) и (2) можно записать в виде:

	(4)
	(5)

где G — количество воздуха, кг/ч;

I — энтальпия воздуха, кДж/(кг св);

d — влагосодержание воздуха, г/(кг св);

SQ_пол — суммарные полные теплоизбытки в помещении, кДж/ч;

W — суммарные влаговыделения в помещении, кг/ч.

Для определения энтальпии воздуха необходимо знать его температуру, поэтому формулы (4) и (5) обычно дополняют равенством:

(6)

где SQ_явн — суммарные явные теплоизбытки в помещении, кДж/ч.

Из уравнений (4) и (5) нетрудно получить формулы для расчета количества воздуха, подаваемого фэнкойлами, при условии, что G_н = G_у:

	(7)
	(8)

Аналогичную формулу можно получить и из уравнения (6), но поскольку процессы в помещении и в фэнкойлах идут с изменением влагосодержания воздуха, то дальнейший расчет следует выполнять по формуле (7).

В приведенных выше уравнениях нет двух параметров, которые интересуют нас в первую очередь и являются нормируемыми или требуемыми: температуры t_рз и относительной влажности j_рз в рабочей или обслуживаемой зоне.

Обычно для связи параметров воздуха в рабочей зоне с параметрами приточного и удаляемого воздуха используют коэффициенты воздухообмена К_t и K_d [1]:

	(9)
	(10)

Причем для рассматриваемых систем кондиционирования воздуха необходимо вводить по два разных значения: К_t и K_d (отдельно для центрального кондиционера и для фэнкойлов). В общем случае значения коэффициентов воздухообмена зависят от способа организации воздухообмена, типа воздухораспределителей, расположения приточных и вытяжных отверстий относительно друг друга и источников выделения тепла и вредностей и ряда других факторов.

Эти вопросы достаточно подробно рассмотрены Г. М. Позиным [1]. Однако для офисных и многофункциональных зданий при высоте помещений 2,8–3,5 м и при схеме организации воздухообмена сверху-вверх надо очень хорошо подобрать и расположить приточные и вытяжные плафоны, чтобы получить К_t = 1. Даже при вытесняющей вентиляции при подаче приточного воздуха непосредственно у пола значения К_t для офиса и зала заседаний, рассчитанные при высоте обслуживаемой зоны 1,8 м, не превышают 1,25 [2].

В любом случае, используя коэффициент воздухообмена или полагаясь на личный опыт, проектировщик должен принять значения температур t_у и t_уф с учетом температуры воздуха в рабочей зоне и размещения вытяжных плафонов и фэнкойлов. Расчет полных теплопоступлений от людей, освещения, оргтехники, компьютеров и солнечной радиации, а также влаговыделений не требует каких-то пояснений.

Рисунок 2.

Рисунок 3.

Расчетный объем наружного воздуха следует определять как:

• минимальный, требуемый по санитарным нормам;

• необходимый для компенсации местных отсосов и создания подпора в кондиционируемом помещении;

• необходимый для ассимиляции теплоизбытков в помещении в холодный период года.

При окончательном решении целесообразно сравнить первые два и третье значения, и если окажется, что при разумном увеличении объема наружного воздуха можно отказаться от dry-cooler, промежуточных теплообменников, этиленгликоля, насосов и другого оборудования, то разумнее выполнить технико-экономическое сравнение вариантов, предусмотрев, например, фэнкойлы только для теплого периода года.

Поскольку система кондиционирования воздуха с фэнкойлами предполагает наличие холодильных машин, то в теплый период следует охлаждать наружный воздух в центральном кондиционере до 18–22 °С. В этом случае наружный воздух ассимилирует часть теплоизбытков в помещении и, что особенно важно, не возникает дополнительных проблем с воздухораспределением.

Зная начальные параметры наружного воздуха, задав температуру, до которой воздух охлаждается в поверхностном воздухоохладителе центрального кондиционера, по компьютерной распечатке можно определить температуру, энтальпию и влагосодержание приточного воздуха с учетом его нагрева в вентиляторе и воздуховодах на 0,5–1,0 °С, в зависимости от протяженности трассы и полного давления вентилятора.

Сложнее определить параметры воздуха на выходе из фэнкойла, поскольку его холодопроизводительность, как уже отмечено выше, зависит от температуры сухого и мокрого термометра воздуха на входе в аппарат.

Однако процесс охлаждения воздуха в фэнкойлах имеет определенный нижний предел, связанный с температурой на поверхности теплообменника, которая, в свою очередь, зависит от начальной и конечной температуры холодной воды. Для предварительного расчета можно принять:

где t_wk — расчетная температура воды на выходе из фэнкойла;

j_ф — относительная влажность воздуха на выходе из фэнкойла.

Возможная небольшая ошибка (±0,5 °С; ±5 %) не имеет принципиального значения, т. к. принятые значения t_ф и j_ф будут уточнены в конце расчета.

Задавшись значениями t_wk, t_ф и j_ф, можно вычислить влагосодержание d_ф и энтальпию I_ф воздуха на выходе из фэнкойла. Таким образом, на данном этапе расчета известны:

• количество G_н, температура tн, энтальпия I_н и влагосодержание d_н приточного воздуха, подаваемого от центрального кондиционера;

• количество удаляемого из помещения воздуха G_у и его температура t_у;

• температура t_ф, энтальпия I_ф и влагосодержание d_ф приточного воздуха, подаваемого фэнкойлами;

• температура воздуха по сухому термометру на входе в фэнкойл t_уф;

• суммарные полные тепловыделения SQ_пол и влаговыделения W в помещении;

• нормируемая температура внутреннего воздуха в рабочей зоне t_рз.

Порядок дальнейшего расчета удобнее показать на конкретном примере.

Необходимо запроектировать систему кондиционирования воздуха с фэнкойлами для торгового зала магазина.

Исходные данные:

• размер помещения в плане 18 • 12 = 216 м², высота до низа подшивного потолка 3,2 м, объем V = 690 м³;

• суммарные полные тепловыделения от людей, освещения и аппаратуры Q_пол = 17 кВт;

• влаговыделения W = 4 кг/ч;

• количество посетителей и продавцов соответственно 36 и 4 чел.;

• расчетные параметры наружного воздуха: t_н = 33 °С, I_н = 60 кДж/(кг св), Р_б = 99 кПа, j_н = 33 %;

• требуемые параметры внутреннего воздуха в обслуживаемой зоне: t_рз = 24 °С, j_рз < 60 %;

• холодоноситель — вода 7–12 °С.

Предварительно принимаем:

• для уменьшения холодильной нагрузки на фэнкойлы и более равномерного распределения температуры наружный воздух охлаждается в кондиционере, нагревается в вентиляторе и воздуховодах на 1 °С и подается в помещение с температурой 22 °С;

• применяем фэнкойлы без кожуха и устанавливаем их в подшивном потолке, с приточными плафонами фэнкойлы соединены гибкими воздуховодами с тепло- и звукоизоляцией;

• удаляемый и рециркуляционный воздух забирается из помещения и объема подшивного потолка через вытяжные плафоны;

• температура удаляемого и рециркуляционного воздуха примерно равны температуре в обслуживаемой зоне, т. е. К_t ≈ 1.

Принципиальная схема организации воздухообмена и размещения фэнкойлов приведена на рисунке 1. Для расчета потребуются следующие основные формулы [3]:

	(11)
	(12)
	(13)
	(14)
	(15)

Определяем минимальный расход наружного воздуха:

Поскольку помещение не имеет наружных ограждающих конструкций, по согласованию с заказчиком увеличиваем объем:

Из компьютерной распечатки для воздухоохладителя центрального кондиционера получаем: t_ох = 21 °С, j_ох = 63 %. По приложению 1 [3] находим давление насыщенного водяного пара при t_ох = 21 °С, Р_пн = 2,4877 кПа и по формуле (14) вычисляем парциальное давление Р_ох = 2,4877 • 0,63 = 1,567 кПа.

По формуле (12) определяем влагосодержание наружного воздуха на выходе из воздухоохладителя:

Определяем основные параметры и количество приточного наружного воздуха:

Задаемся конечными параметрами воздуха на выходе из фэнкойлов:

По прил. 1 [3] находим давление насыщенного водяного пара при t = 13,5 °С и вычисляем значения I_ф и d_ф:

Итак, нам известны параметры и количество подаваемого в помещение наружного воздуха, параметры приточного воздуха от фэнкойлов, температура удаляемого и внутреннего воздуха и тепловлаговыделения в помещении.

Определим требуемое количество воздуха, подаваемого фэнкойлами. С этой целью реальный процесс, когда приточный наружный воздух и воздух от фэнкойлов «самостоятельно» ассимилируют тепло- и влаговыделения, а уже потом смешиваются в помещении, заменим условным процессом, приняв, что воздух от фэнкойлов смешивается с наружным до помещения и уже смесь ассимилирует тепло- и влаговыделения. Такое допущение не влияет на конечный результат, т. к. тепловлажностный баланс помещения не изменяется, но позволяет достаточно просто выполнять дальнейший расчет методом последовательных приближений.

Предположим, что количество наружного воздуха составляет 25 % от общего количества приточного воздуха G_cм.

Тогда:

Вычисляем расчетную разность энтальпии и влагосодержания внутреннего и приточного воздуха:

Определяем энтальпию, влагосодержание и температуру внутреннего воздуха:

Как видно, при выбранном расходе воздуха его температура значительно ниже требуемой t_рз = 24 °С. Выполним аналогичные расчеты при G_н = 30 % и G_н = 35 %. Результаты расчетов приведены ниже в таблице.

Принимаем вариант G_н = 0,3 Gсм , т. к. в этом случае температура воздуха в рабочей зоне практически равна требуемой. Тогда с некоторым запасом имеем:

Определяем плотность воздуха на входе в фэнкойлы:

Расчетный объемный расход воздуха фэнкойлов:

В помещении предполагаем установить 6 фэнкойлов. Вычисляем расход воздуха и полную холодопроизводительность одного фэнкойла:

Таким образом, необходимо подобрать фэнкойл при следующих исходных данных:

• расход воздуха при средних оборотах и статическом давлении 15 Па — 670 м³/ч;

• полная холодопроизводительность при воде 7–12 °С и начальных температурах t_с = 24 °С и t_м = 17,2 °С — 2,86 кВт.

По электронному каталогу фирмы-производителя подбираем фэнкойл: Q_пол = 2,96 кВт; Q_явн = 2,51 кВт; Р_ст = 15 Па; L_ф = 663 м³/ч. Уточняем параметры воздуха на выходе из фэнкойла, пренебрегая очень небольшим изменением плотности воздуха:

Определяем уточненные параметры воздуха в обслуживаемой зоне:

Как видно, расчетные параметры воздуха в обслуживаемой зоне очень близки к требуемым, поэтому практически расчет можно закончить, однако, с чисто теоретической целью доведем расчет до конца, т. е. проверим, установится ли в помещении тепловлажностный баланс при работе центрального кондиционера и фэнкойлов, если: t_уф = 22,8 °С; t_м = 17 °С; d_уф = 10 г/(кг cв) и I_уф = 48,37 кДж/(кг св).

По электронному каталогу для выбранного фэнкойла находим:

Наименование параметра Gн = 0,3 Gсм Gн = 0,35 Gсм Gсм , кг/ч 6580 5640 Gф , кг/ч 4606 3666 Iсм , кДж/(кг св) 39,46 40,04 dсм , г/(кг св) 9,22 9,27 ∆Iр , кДж/(кг св) 9,30 10,85 ∆dр , г/(кг св) 0,61 0,71 Iрз, кДж/(кг св) 48,76 50,89 dрз , г/(кг св) 9,83 9,98 tрз , °С 23,61 25,32

Дальнейший расчет не требует пояснений:

Если подставить полученные значения параметров в балансовые уравнения (4) и (5), то действительно получим равенства:

1 974 • 47,54 + 4 606 • 34,87 +17 • 3 600 = = 1 974 • 48 + 4 606 • 48 кДж/ч; 1 974 • 10 + 4 606 • 8,95 + 4 000 = = 1 974 • 9,88 + 4 606 • 9,88 г/ч.

Построение процессов обработки воздуха на I-d диаграмме показано на рисунке 2.

Если при подборе фэнкойлов расчетная температура воздуха в рабочей зоне значительно ниже требуемой, то следует:

• изменить количество и типоразмер фэнкойлов;

• уменьшить расход воды через фэнкойлы, т. е. увеличить конечную температуру;

• повысить начальную температуру холодной воды, если это целесообразно для большинства кондиционируемых помещений;

• уменьшить количество воздуха, подаваемого фэнкойлами;

• повысить температуру приточного наружного воздуха;

• выполнить несколько указанных рекомендаций.

В рассматриваемом примере помещение не имеет наружных ограждающих конструкций и тепловлаговыделения в нем в холодный период такие же, как и в теплый, поэтому предполагается использовать фэнкойлы круглый год.

Источником холода зимой является dry-cooler с контуром раствора этиленгликоля, и от пластинчатого теплообменника подается вода 9–14 °С. В центральном кондиционере воздух нагревается в теплообменнике первого подогрева при постоянном влагосодержании 0,4 г/(кг cв) от –25 до 28,3 °С, адиабатически увлажняется в форсуночной камере с Е_а = 0,65 и подается в помещение после второго подогрева, который в расчетном режиме не работает.

Необходимо построить процесс обработки воздуха на I-d диаграмме и определить параметры воздуха в рабочей зоне.

По I-d диаграмме находим параметры воздуха в точке «Т» (рис. 3): t_Т = 28,3 °С; d_Т = 0,4 г/(кг св); I_Т = 29,5 кДж/(кг св); t_МТ = 10 °С.

Вычисляем температуру воздуха на выходе из форсуночной камеры t_к, используя выражение

По I-d диаграмме определяем: I_к = 29,7 кДж/(кг св); d_K = 5,2 г/(кг св) и вычисляем:

Предварительно принимаем t_рз = t_у = 22 °С.

Как видно, возможная температура точки росы удаляемого воздуха ниже температуры воды, подаваемой в фэнкойлы, поэтому в них будет идти процесс сухого охлаждения. Поскольку фэнкойлы не изменяют влажностный баланс помещения, то все влаговыделения должен ассимилировать наружный воздух.

Считаем, что влаговыделения в помещении такие же, как в теплый период, и определяем влагосодержание удаляемого воздуха:

вычисляем:

По электронному каталогу находим холодопроизводительность фэнкойла при t_с = 22 °С и t_м = 14,1 °С: Q_пол = Q_явн = 1,83 кВт.

Вычисляем температуру воздуха на выходе из фэнкойла:

и по I-d диаграмме находим Iф = 31,9 кДж/(кг св).

Определяем параметры смеси:

Вычисляем параметры воздуха в рабочей зоне:

Поскольку параметры воздуха точно соответствуют исходным, расчет заканчиваем и полученные данные используем для проектирования контура сухого охладителя и пластинчатых теплообменников.

Конечно, очень важное значение при проектировании рассматриваемых систем кондиционирования воздуха имеет правильный подбор самих фэнкойлов. В примере подбор выполнен с использованием электронного каталога, что значительно упрощает задачу и дает возможность рассмотреть несколько различных вариантов. Однако гораздо чаще фирмы-производители предлагают только таблицы, номограммы и поправочные коэффициенты для пересчета характеристик аппарата, приведенных при стандартных условиях 27–19 °С и максимальных оборотах вентилятора.

Поэтому рассмотрим некоторые общие рекомендации, которые надо учитывать при подборе фэнкойлов.

Некоторые специалисты предлагают принимать более высокую температуру воды, чтобы исключить образование конденсата, однако даже при графике 10–15 °С в теплый период года при высокой относительной влажности наружного воздуха процесс в фэнкойлах будет идти с осушкой, т. е. конденсатная линия необходима, а повышение температуры воды снижает как полную, так и явную холодопроизводительность фэнкойла.

Номер линии Температура tс tм 1, 1` 27 19 2, 2` 24 17 3, 3` 24 14 4, 4` 24 8 5, 5` 22 16 6, 6` 22 13 7, 7` 22 7

Рисунок 4.

Для примера на рисунке 4 приведены графики изменения Q_пол и Q_явн от температуры воды и начальных параметров воздуха при Dt_w = 5 °С для примененных в примере фэнкойлов при средних оборотах. Фэнкойлы надо подбирать при средней частоте вращения вентилятора с учетом аэродинамического сопротивления воздуховодов и плафонов. При этом возможны два варианта:

• расход воды принимается таким же, как при максимальном режиме, но тогда Dt_w < 5 °С;

• расход воды определяется из условия Dt_w = 5 °С.

Выбор варианта необходимо учитывать при проектировании холодильного центра.

Приведенная выше методика расчета может показаться достаточно трудоемкой, особенно при отсутствии электронного каталога, но упрощенные подборы в большинстве случаев дают результаты весьма далекие от действительности.

Литература

1. Гримитлин М. И. Распределение воздуха в помещениях. Изд. третье. С-Пб.: АВОК Северо-Запад, 2004.

2. Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях. М.: АВОК-ПРЕСС, 2003.

3. Влажный воздух: Справочное пособие АВОК. М.: АВОК-ПРЕСС, 2004.

 

Тел. (8442) 27-40-58