В системах отопления, вентиляции и кондиционирования адиабатическое испарение обычно ассоциируется с увлажнением воздуха, однако в последнее время данный процесс приобретает растущую популярность в самых разных странах мира и все чаще применяется для «естественного» охлаждения воздуха.
ЧТО ТАКОЕ ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ?
Испарительное охлаждение лежит в основе одной из самых первых придуманных человеком систем охлаждения пространства, где охлаждение воздуха происходит за счет естественного испарения воды. Данное явление очень распространено и встречается повсеместно: одним из примеров может быть ощущение холода, которое вы испытываете, когда вода испаряется с поверхности вашего тела под воздействием ветра. То же самое происходит и с воздухом, в котором распыляется вода: поскольку данный процесс происходит без внешнего источника энергии (именно это и означает слово «адиабатический»), тепло, необходимое для испарения воды, берется из воздуха, который, соответственно, становится холоднее.
Использование такого способа охлаждения в современных системах кондиционирования обеспечивает высокую холодопроизводительность при низком электропотреблении, поскольку в этом случае электричество расходуется только для поддержания процесса испарения воды. В то же время в качестве охладителя вместо химических составов используется обычная вода, что делает испарительное охлаждение более выгодным экономически и не наносит вреда экологии.
ВИДЫ ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Существует два основных способа испарительного охлаждения - прямое и косвенное.
Прямое испарительное охлаждение
Прямое испарительное охлаждение – это процесс снижения температуры воздуха в помещении с помощью его непосредственного увлажнения. Другими словами, за счет испарения распыленной воды происходит охлаждение окружающего воздуха. При этом раздача влаги осуществляется либо непосредственно в помещении с помощью промышленных увлажнителей и форсунок, либо за счет насыщения приточного воздуха влагой и его охлаждения в секции вентиляционной установки.
Следует заметить, что в условиях прямого испарительного охлаждения неизбежно значительное повышение влажности приточного воздуха внутри помещения, поэтому для оценки применимости данного способа рекомендуется брать за основу формулу, известную как «показатель температуры и дискомфорта». По формуле вычисляется комфортная температура в градусах Цельсия с учетом влажности и показаний температуры по сухому термометру (таблица 1). Забегая вперед, отметим, что система прямого испарительного охлаждения применяется только в тех случаях, когда уличный воздух в летний период имеет высокие значения температуры по сухому термометру и низкий абсолютный уровень влажности.
Косвенное испарительное охлаждение
Для повышения эффективности испарительного охлаждения при высокой влажности уличного воздуха рекомендуется сочетать испарительное охлаждение с рекуперацией тепла. Данная технология известна как «косвенное испарительное охлаждение» и подходит практически для любой страны мира, включая страны с очень влажным климатом.
Общая схема работы приточно-вентиляционной системы с рекуперацией заключается в том, что горячий приточный воздух, проходя через специальную теплообменную кассету, охлаждается за счет прохладного воздуха, удаляемого из помещения. Принцип работы косвенного испарительного охлаждения заключается в установке системы адиабатического увлажнения в вытяжном канале приточно-вытяжных центральных кондиционеров, с последующей передачей холода через рекуператор приточному воздуху.
Как показано на примере, за счет использования пластинчатого рекуператора уличный воздух в системе вентиляции охлаждается на 6 °С. Применение испарительного охлаждения вытяжного воздуха увеличит разность температур с 6°C до 10°C без роста потребления электроэнергии и уровня влажности в помещении. Применение косвенного испарительного охлаждения эффективно при высоких теплопритоках, например в офисных и торговых центрах, ЦОДах, производственных помещениях и т.д.
Система косвенного охлаждения с применением адиабатического увлажнителя CAREL серии humiFog:
Кейс: Оценка затрат косвенной системы адиабатического охлаждения по сравнению с охлаждением с использованием чиллеров.
На примере офисного центра с постоянным пребыванием 2000 человек.
| Условия расчета | |
| Уличная температура и влагосодержание: | +32ºС, 10,12 г/кг (показатели взяты для г. Москвы) |
| Температура воздуха в помещении: | +20 ºС |
| Вентиляционная система: | 4 приточно-вытяжные установки производительностью 30 000 м3/ч (подача воздуха по санитарным нормам) |
| Мощность системы охлаждения с учетом вентиляции: | 2500 кВт |
| Температура приточного воздуха: | +20 ºС |
| Температура вытяжного воздуха: | +23 ºС |
| Эффективность рекуперации по явному теплу: | 65% |
| Централизованная система охлаждения: | Система чиллер-фанкойл с температурой воды 7/12ºС |
Расчет
- Для расчета вычисляем относительную влажность воздуха на вытяжке.
- При температуре в системе охлаждения 7/12 °С точка росы вытяжного воздуха с учетом внутренних влаговыделений составит +8 °С.
- Относительная влажность воздуха на вытяжке составит 38%.
*Необходимо учитывать, что стоимость монтажа системы холодоснабжения с учетом всех затрат существенно выше по сравнению с системами косвенного охлаждения.
Капитальные затраты
Для анализа берем стоимость оборудования – чиллеров для системы холодоснабжения и системы увлажнения для косвенного испарительного охлаждения.
- Капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха для системы с косвенным охлаждением.
Стоимость одной стойки увлажнения Optimist производства Carel (Италия) в приточно-вытяжной установке составляет 7570 €.
- Капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха без системы косвенного охлаждения.
Стоимость чиллера мощностью охлаждения 62,3 кВт составляет примерно 12 460 €, исходя из стоимости 200 € за 1 кВт холодильной мощности. Необходимо учитывать, что стоимость монтажа системы холодоснабжения с учетом всех затрат существенно выше по сравнению с системами косвенного охлаждения.
Эксплуатационные затраты
Для анализа принимаем стоимость водопроводной воды 0,4 € за 1 м3 и стоимость электроэнергии 0,09 € за 1 кВт/ч.
- Эксплуатационные расходы на охлаждение приточного воздуха для системы с косвенным охлаждением.
Расход воды на косвенное охлаждение составляет 117 кг/ч для одной приточно-вытяжной установки, с учетом потерь 10% примем ее как 130 кг/ч.
Потребляемая мощность системы увлажнения составляет 0,375 кВт для одной приточно-вытяжной установки.
Итоговые затраты в час составляют 0,343 € за 1 час эксплуатации системы.
- Эксплуатационные расходы на охлаждение приточного воздуха без системы косвенного охлаждения.
Холодильный коэффициент берем равным 3 (соотношение мощности охлаждения к потребляемой мощности).
Итоговые затраты в час составляют 7,48 € за 1 час эксплуатации.
Вывод
Использование косвенного испарительного охлаждения позволяет:
Снизить капитальные затраты на охлаждение приточного воздуха на 39%.
Снизить энергопотребление на системы кондиционирования здания с 729 кВт до 647 кВт, или на 11,3%.
Снизить эксплуатационные расходы на системы кондиционирования здания с 65,61 €/час до 58,47 €/час, или на 10,9%.
Таким образом, несмотря на то, что охлаждение свежего воздуха составляет примерно 10–20% от общей потребности в охлаждении офисных и торговых центров, именно здесь имеются наибольшие резервы в повышении энергоэффективности здания без существенного роста капитальных затрат.
Статья подготовлена специалистами компании ТЕРМОКОМ для публикации в журнале ON №6-7 (5) июнь-июль 2014 (стр.30-35)
Рассматриваемая система состоит из двух кондиционеров"
основного, в котором производится обработка воздуха для обслуживаемого помещения, и вспомогательного - градирни. Основное назначение градирни - воздушно-испарительное охлаждение воды, питающей первую ступень основного кондиционера в теплый период года (поверхностный теплообменник ПТ). Вторая ступень основного кондиционера - оросительная камера ОК, работающая в режиме адиабатического увлажнения, имеет обводной канал - байпас Б для регулирования влажности воздуха в помещении.
Кроме кондиционеров - градирен для охлаждения воды могут быть использованы промышленные градирни, фонтаны, брызгальные бассейны и т. п. В районах с жарким и влажным климатом в ряде случаев в дополнение к косвенному испарительному охлаждению используют машинное охлаждение.
системы многоступенчатого испарительного охлаждения. Теоретическим пределом охлаждения воздуха с использованием таких систем является температура точки росы.
Системы кондиционирования воздуха с применением прямого и косвенного испарительного охлаждения имеют более широкую область применения) по сравнению с системами, в которых используется только прямое (адиабатическое) испарительное охлаждение воздуха.
Двухступенчатое испарительное охлаждение, как известно, наиболее приемлемо в
районах с сухим и жарким климатом. При двухступенчатом охлаждении можно достигнуть более низких температур, меньших воздухообменов и меньшей относительной влажности воздуха в помещениях, чем при одноступенчатом охлаждении. Это свойство двухступенчатого охлаждения вызвало предложение о переходе целиком на косвенное охлаждение и ряд других предложений. Однако при всех прочих равных условиях эффект действия возможных систем испарительного охлаждения прямо зависит от изменений состояния наружного воздуха. Поэтому такие системы не всегда в течение сезона и даже одних суток обеспечивают поддержание требуемых параметров воздуха в кондиционируемых помещениях. Представление об условиях и границах целесообразного применения двухступенчатого испарительного охлаждения можно получить при сопоставлении нормируемых параметров внутреннего воздуха с возможными изменениями параметров наружного воздуха в районах с сухим и жарким климатом.
расчет таких систем следует выполнять с использованием J-d диаграммы в следующей последовательности.
На J-d диаграмме наносят точки с расчетными параметрами наружного (Н) и внутреннего (В) воздуха. В рассматриваемом примере по заданию на проектирование приняты значения: tн = 30 °С; tв = 24 °С; fв = 50 %.
Для точек Н и В определяем значение температуры мокрого термометра:
tмн = 19,72 °С; tмв = 17,0 °С.
Как видно, значение tмн почти на 3 °С выше, чем tмв, следовательно, для большего охлаждения воды, а затем наружного приточного воздуха, целесообразно подавать в градирню воздух, удаляемый вытяжными системами из офисных помещений.
Заметим, что при расчете градирни требуемый расход воздуха может оказаться больше удаляемого из кондиционируемых помещений. В этом случае в градирню надо подавать смесь наружного и удаляемого воздуха и в качестве расчетной принимать температуру мокрого термометра смеси.
Из расчетных компьютерных программ ведущих фирм – производителей градирен находим, что минимальный перепад между конечной температурой воды на выходе из градирни tw1 и температурой мокрого термометра tвм подаваемого в градирню воздуха следует принимать не менее 2 °С, то есть:
tw2 =tw1 +(2,5...3) °С. (1)
Для достижения более глубокого охлаждения воздуха в центральном кондиционере принимают конечную температуру воды на выходе из воздухоохладителя и на входе в градирню tw2 не более чем на 2,5 выше, чем на выходе из градирни, то есть:
tвк ≥ tw2 +(1...2) °С. (2)
Обратим внимание, что от температуры tw2 зависит конечная температура охлаждаемого воздуха и поверхность воздухоохладителя, так как при поперечном течении воздуха и воды конечная температура охлаждаемого воздуха не может быть ниже tw2.
Обычно конечную температуру охлаждаемого воздуха рекомендуется принимать на 1–2 °С выше конечной температуры воды на выходе из воздухоохладителя:
tвк ≥ tw2 +(1...2) °С. (3)
Таким образом, при выполнении требований (1, 2, 3) можно получить зависимость, связывающую температуру мокрого термометра воздуха, подаваемого в градирню, и конечную температуру воздуха на выходе из охладителя:
tвк =tвм +6 °С. (4)
Заметим, что в примере на рис. 7.14 приняты значения tвм = 19 °С и tw2 – tw1 = 4 °С. Но при таких исходных данных, вместо указанного в примере значения tвк = 23 °С, можно получить конечную температуру воздуха на выходе из воздухоохладителя не ниже 26–27 °С, что делает всю схему бессмысленной при tн = 28,5 °С.
2018-08-15Использование систем кондиционирования воздуха (СКВ) с испарительным охлаждением, как одно из энергоэффективных решений при проектировании современных зданий и сооружений.
На сегодняшний день наиболее распространёнными потребителями тепловой и электрической энергии в современных административных и общественных зданиях являются системы вентиляции и кондиционирования воздуха. При проектировании современных зданий общественного и административного назначения для снижения энергопотребления в системах вентиляции и кондиционирования воздуха имеет смысл особое предпочтение уделять снижению мощности на стадии получения технических условий и уменьшению эксплуатационных затрат. Сокращение эксплуатационных затрат наиболее важно для собственников объектов или арендаторов. Известно много готовых способов и различных мероприятий — по снижению энергозатрат в системах кондиционирования воздуха , но на практике выбор энергоэффективных решений очень сложен.
Одни из многих систем вентиляции и кондиционирования воздуха, которые можно отнести к энергоэффективным системам, — это рассмотренные в данной статье системы кондиционирования воздуха с испарительным охлаждением.
Они применяются в жилых, общественных, производственных помещениях. Процесс испарительного охлаждения в системах кондиционирования обеспечивают форсуночные камеры, плёночные, насадочные и пенные аппараты. Рассматриваемые системы могут иметь прямое, косвенное, а также двухступенчатое испарительное охлаждение.
Из приведённых вариантов наиболее экономичным оборудованием для охлаждения воздуха являются системы с прямым охлаждением. Для них предполагается использование стандартной техники без применения дополнительных источников искусственного холода и холодильного оборудования.
Принципиальная схема системы кондиционирования воздуха с прямым испарительным охлаждением представлена на рис. 1.
К преимуществам таких систем можно отнести минимальные затраты на обслуживание систем при эксплуатации, а также надёжность и конструктивную простоту. Их основные недостатки — невозможность поддержания параметров приточного воздуха, исключение рециркуляции в обслуживаемом помещении и зависимость от внешних климатических условий.
Энергозатраты в таких системах сводятся к перемещению воздуха и рециркуляционной воды в адиабатических увлажнителях, установленных в центральном кондиционере . При использовании адиабатического увлажнения (охлаждения) в центральных кондиционерах требуется использовать воду питьевого качества. Применение таких систем может ограничиваться в климатических зонах с преобладающим сухим климатом.
Областями применения систем кондиционирования воздуха с испарительным охлаждением являются объекты, которые не требуют точного поддержания тепловлажностного режима. Обычно они находятся в ведении предприятий различных отраслей промышленности, где необходим дешёвый способ охлаждения внутреннего воздуха при высокой теплонапряжённости помещений .
Следующий вариант экономичного охлаждения воздуха в системах кондиционирования — использование косвенного испарительного охлаждения.
Система с таким охлаждением чаще всего применяется в тех случаях, когда параметры внутреннего воздуха невозможно получить используя прямое испарительное охлаждение, увеличивающее влагосодержание приточного воздуха. В «косвенной» схеме приточный воздух охлаждается в теплообменном аппарате рекуперативного или регенеративного типа, контактирующего со вспомогательным потоком воздуха, охлаждаемым испарительным охлаждением.
Вариант схемы системы кондиционирования воздуха с косвенным испарительным охлаждением и использованием роторного теплообменника представлен на рис. 2. Схема СКВ с косвенным испарительным охлаждением и применением теплообменников рекуперативного типа показана на рис. 3.
Системы кондиционирования воздуха с косвенным испарительным охлаждением применяются, когда требуется подавать приточный воздух без осушения. Требуемые параметры воздушной среды поддерживают местные доводчики, установленные в помещении. Определение расхода приточного воздуха осуществляется в санитарными нормами, либо по воздушному балансу в помещении.
В системах кондиционирования воздуха с косвенным испарительным охлаждением в качестве вспомогательного используется либо наружный, либо вытяжной воздух. При наличии местных доводчиков последнему отдаётся предпочтение, так как он повышает энергетическую эффективность процесса. Необходимо отметить, что использование вытяжного воздуха в качестве вспомогательного не допускается при наличии ядовитых, взрывоопасных примесей, а также высокого содержания взвешенных частиц, загрязняющих поверхность теплообмена.
Наружный воздух в качестве вспомогательного потока используется в том случае, когда недопустимо перетекание вытяжного воздуха в приточный через неплотности теплообменника (то есть теплоутилизатора).
Вспомогательный поток воздуха перед подачей на увлажнение очищают в воздушных фильтрах. Схема системы кондиционирования воздуха с регенеративными теплообменниками обладает большей энергетической эффективностью и меньшей стоимостью оборудования.
При проектировании и выборе схем систем кондиционирования воздуха с косвенным испарительным охлаждением требуется учитывать мероприятия по регулированию процессов утилизации теплоты в холодный период года с целью исключения обмерзания теплообменников . Следует предусматривать догрев вытяжного воздуха перед утилизатором, обвод части приточного воздуха в пластинчатом теплообменнике и регулирование частоты вращения в роторном утилизаторе.
Использование данных мероприятий позволит исключить обмерзание теплообменников. Также в расчётах при использовании вытяжного воздуха в качестве вспомогательного потока необходимо проверять систему на работоспособность в холодный период года.
Ещё одна из энергоэффективных систем кондиционирования воздуха — система с двухступенчатым испарительным охлаждением. Охлаждение воздуха в данной схеме предусматривается в два этапа: прямым испарительным и косвенно-испарительным методами.
«Двухступенчатые» системы предусматривают более точную регулировку параметров воздуха при выходе из центрального кондиционера. Такие системы кондициониования воздуха применяются в случаях, когда требуется более глубокое охлаждение приточного воздуха по сравнению с охлаждением в прямом или косвенном испарительном охлаждении.
Охлаждение воздуха в двухступенчатых системах предусматривают в регенеративных, пластинчатых утилизаторах или же в поверхностных теплообменниках промежуточным теплоносителем с помощью вспомогательного потока воздуха — в первой ступени. Охлаждение воздуха в адиабатических увлажнителях — во второй ступени. Основные требования к вспомогательному потоку воздуха, а также к проверке работы СКВ в холодный период года аналогичны применяемым к схемам СКВ с косвенным испарительным охлаждением.
Применение систем кондиционирования воздуха с испарительным охлаждением позволяет достичь лучших результатов, которые невозможно получить при использовании холодильных машин.
Применение схем СКВ с испарительным, косвенным и двухступенчатым испарительным охлаждением позволяет в некоторых случаях отказаться от использования холодильных машин и искусственного холода, а также значительно снизить холодильную нагрузку.
За счёт использования трёх этих схем часто достигается энергоэффективность обработки воздуха, что очень важно при проектировании современных зданий.
История систем испарительного охлаждения воздуха
На протяжении веков цивилизации находили оригинальные методы борьбы со зноем на своих территориях. Ранняя форма охлаждающей системы — «ловец ветра» — была изобретена много тысяч лет назад в Персии (Иран). Это была система ветряных валов на крыше, которые улавливали ветер, пропускали его через воду и задували охлаждённый воздух во внутренние помещения. Примечательно, что многие из этих зданий также имели дворы с большими запасами воды, поэтому, если не было ветра, то в результате естественного процесса испарения воды горячий воздух, поднимаясь вверх, испарял воду во дворе, после чего уже охлаждённый воздух проходил через здание. В наши дни Иран заменил «ловцов ветра» на испарительные охладители и широко их использует, а иранский рынок за счёт сухого климата достигает оборота в 150 тыс. испарителей в год.
В США испарительный охладитель в XX веке был объектом многочисленных патентов. Многие из них, начиная ещё с 1906 года, предлагали использовать древесную стружку как прокладку, переносящую большое количество воды при контакте с движущимся воздухом и поддерживающую интенсивное испарение. Стандартная конструкция из патента 1945 года включает водяной резервуар (обычно оснащённый поплавковым клапаном для регулировки уровня), насос для циркуляции воды через прокладки из древесных стружек и вентилятор для подачи воздуха через прокладки в жилые помещения. Эта конструкция и материалы остаются основными в технологии испарительных охладителей на юго-западе США. В этом регионе они дополнительно используются для увеличения влажности.
Испарительное охлаждение было распространено в авиационных двигателях 1930-х годов, например, в двигателе для дирижабля Beardmore Tornado. Эта система была использована для уменьшения или полного исключения радиатора, который в ином случае мог бы создать существенное аэродинамическое сопротивление. Внешние приборы испарительного охлаждения устанавливались на некоторые автомобили для охлаждения салона. Зачастую они продавались как дополнительные аксессуары. Использование приборов испарительного охлаждения в автомобилях продолжалось до тех пор, пока не приобрело широкое распространение парокомпрессионное кондиционирование воздуха.
Принцип испарительного охлаждения отличается от того, на котором работают аппараты парокомпрессионного охлаждения, хотя они также требуют испарения (испарение является частью системы). В парокомпрессионном цикле после испарения хладагента внутри испарительного змеевика, охлаждающий газ, сжимается и охлаждается, под давлением конденсируясь в жидкое состояние. В отличие от этого цикла, в испарительном охладителе вода испаряется только один раз. Испарённая вода в охладительном приборе выводится в пространство с охлаждённым воздухом. В градирне испарившаяся вода уносится потоком воздуха.
- Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. - М.: Стройиздат, 1985. 367 с.
- Баркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. - М.: Стройиздат, 1982. 312 с.
- Королева Н.А., Тарабанов М.Г., Копышков А.В. Энергоэффективные системы вентиляции и кондиционирования воздуха крупного торгового центра // АВОК, 2013. №1. С. 24–29.
- Хомутский Ю.Н. Применение адиабатного увлажнение для охлаждения воздуха // Мир климата, 2012. №73. С. 104–112.
- Участкин П.В. Вентиляция, кондиционирование воздуха и отопление на предприятиях лёгкой промышленности: Учеб. пособ. для вузов. - М.: Лёгкая индустрия, 1980. 343 с.
- Хомутский Ю.Н. Расчёт косвенно-испарительной системы охлаждения // Мир климата, 2012. №71. С. 174–182.
- Тарабанов М.Г. Косвенное испарительное охлаждение приточного наружного воздуха в СКВ с доводчиками // АВОК, 2009. №3. С. 20–32.
- Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. - М.: Физматлит, 2003. 272 с.
Загрузка...