У системах опалення, вентиляції та кондиціонування адіабатичне випаровування зазвичай асоціюється зі зволоженням повітря, однак у Останнім часомданий процес набуває зростаючої популярності в самих різних країнахсвіту і дедалі частіше застосовується для «природного» охолодження повітря.
ЩО ТАКЕ ІСПАРУВАЛЬНЕ ОХОЛОДЖЕННЯ?
Випарне охолодження лежить в основі однієї з перших придуманих людиною систем охолодження простору, де охолодження повітря відбувається за рахунок природного випаровування води. Дане явище дуже поширене і зустрічається повсюдно: одним із прикладів може бути відчуття холоду, яке ви відчуваєте, коли вода випаровується з поверхні вашого тіла під впливом вітру. Те саме відбувається і з повітрям, в якому розпорошується вода: оскільки цей процес відбувається без зовнішнього джерелаенергії (саме це означає слово «адіабатичний»), тепло, необхідне випаровування води, береться з повітря, яке, відповідно, стає холодніше.
Використання такого способу охолодження в сучасних системах кондиціонування забезпечує високу холодопродуктивність при низькому споживанні електроенергії, оскільки в цьому випадку електрика витрачається тільки для підтримки процесу випаровування води. У той же час як охолоджувач замість хімічних складіввикористовується звичайна вода, що робить випарне охолодження вигіднішим економічно і не завдає шкоди екології.
ВИДИ ІСПАРНОГО ОХОЛОДЖЕННЯ
Існує два основних способи випарного охолодження- пряме та непряме.
Пряме випарне охолодження
Пряме випарне охолодження - це процес зниження температури повітря в приміщенні за допомогою безпосереднього зволоження. Іншими словами, за рахунок випаровування розпорошеної води відбувається охолодження навколишнього повітря. При цьому роздача вологи здійснюється або безпосередньо в приміщенні за допомогою промислових зволожувачів і форсунок, або за рахунок насичення вологою припливного повітря і його охолодження в секції вентиляційної установки.
Слід зазначити, що за умов прямого випарного охолодження неминуче значне підвищення вологості припливного повітря всередині приміщення, тому оцінки застосовності даного способурекомендується брати за основу формулу, відому як показник температури і дискомфорту. За формулою обчислюється комфортна температура в градусах Цельсія з урахуванням вологості та показань температури сухого термометра (таблиця 1). Забігаючи вперед, відзначимо, що система прямого випарного охолодження застосовується тільки в тих випадках, коли вуличне повітря в літній періодмає високі значення температури по сухому термометру та низький абсолютний рівень вологості.
Непряме випарне охолодження
Для підвищення ефективності випарного охолодження за високої вологості вуличного повітря рекомендується поєднувати випарне охолодження з рекуперацією тепла. Дана технологіявідома як "непряме випарне охолодження" і підходить практично для будь-якої країни світу, включаючи країни з дуже вологим кліматом.
Загальна схемароботи припливно-вентиляційної системи з рекуперацією полягає в тому, що гаряче припливне повітря, проходячи через спеціальну теплообмінну касету, охолоджується за рахунок холодного повітря, що видаляється з приміщення. Принцип роботи непрямого випарного охолодження полягає в установці системи адіабатичного зволоження у витяжному каналі припливно-витяжних центральних кондиціонерів з подальшою передачею холоду через рекуператор припливного повітря.
Як показано на прикладі, за рахунок використання пластинчастого рекуператора, вуличне повітря в системі вентиляції охолоджується на 6 °С. Застосування випарного охолодження витяжного повітря збільшить різницю температур з 6°C до 10°C без збільшення споживання електроенергії та рівня вологості у приміщенні. Застосування непрямого випарного охолодження ефективно при високих теплопритоках, наприклад в офісних та торгових центрах, ЦОДах, виробничих приміщенняхі т.д.
Система непрямого охолодження із застосуванням адіабатичного зволожувача CAREL серії humiFog:
Кейс: Оцінка витрат непрямої системи адіабатичного охолодження проти охолодженням з використанням чиллерів.
На прикладі офісного центру із постійним перебуванням 2000 осіб.
| Умови розрахунку | |
| Вулична температура та вологовміст: | +32ºС, 10,12 г/кг (показники взяті для Москви) |
| Температура повітря у приміщенні: | +20 ºС |
| Вентиляційна система: | 4 припливно-витяжні установки продуктивністю 30 000 м3/год (подача повітря за санітарними нормами) |
| Потужність системи охолодження з урахуванням вентиляції: | 2500 кВт |
| Температура повітря: | +20 ºС |
| Температура витяжного повітря: | +23 ºС |
| Ефективність рекуперації за явним теплом: | 65% |
| Централізована система охолодження: | Система чиллер-фанкойл із температурою води 7/12ºС |
Розрахунок
- Для розрахунку обчислюємо відносну вологість повітря на витяжці.
- За температури в системі охолодження 7/12 °С точка роси витяжного повітря з урахуванням внутрішніх вологовиділень становитиме +8 °С.
- Відносна вологість повітря на витяжці становитиме 38%.
*Необхідно враховувати, що вартість монтажу системи холодопостачання з урахуванням усіх витрат суттєво вища порівняно із системами непрямого охолодження.
Капітальні витрати
Для аналізу беремо вартість обладнання – чилерів для системи холодопостачання та системи зволоження для непрямого випарного охолодження.
- Капітальні витрати на охолодження повітря для системи з непрямим охолодженням.
Вартість однієї стійки зволоження Optimist виробництва Carel (Італія) у припливно-витяжній установці складає 7570€.
- Капітальні витрати на охолодження повітря без системи непрямого охолодження.
Вартість чиллера потужністю охолодження 62,3 кВт становить приблизно 12460 €, виходячи з вартості 200 € за 1 кВт холодильної потужності. Необхідно враховувати, що вартість монтажу системи холодопостачання з урахуванням усіх витрат значно вища порівняно з системами непрямого охолодження.
Експлуатаційні витрати
Для аналізу приймаємо вартість водопровідної води 0,4 € за 1 м3 та вартість електроенергії 0,09 € за 1 кВт/год.
- Експлуатаційні витрати на охолодження припливного повітря для системи з непрямим охолодженням.
Витрата води на непряме охолодження становить 117 кг/год для однієї припливно-витяжної установки, з урахуванням втрат 10% приймемо її як 130 кг/год.
Потужність потужності системи зволоження становить 0,375 кВт для однієї припливно-витяжної установки.
Підсумкові витрати на годину становлять 0,343 € за 1 годину експлуатації системи.
- Експлуатаційні витрати на охолодження повітря без системи непрямого охолодження.
Холодильний коефіцієнт беремо рівним 3 (співвідношення потужності охолодження до споживаної потужності).
Підсумкові витрати на годину становлять 7,48 € за 1 годину експлуатації.
Висновок
Використання непрямого випарного охолодження дозволяє:
Зменшити капітальні витрати на охолодження припливного повітря на 39%.
Зменшити енергоспоживання на системи кондиціонування будівлі з 729 кВт до 647 кВт, або на 11,3%.
Зменшити експлуатаційні витрати на системи кондиціонування будівлі з 65,61 €/годину до 58,47 €/годину, або на 10,9%.
Таким чином, незважаючи на те, що охолодження свіжого повітря становить приблизно 10–20% загальної потреби в охолодженні офісних та торгових центрів, саме тут є найбільші резерви у підвищенні енергоефективності будівлі без істотного зростання капітальних витрат.
Стаття підготовлена фахівцями компанії ТЕРМОКОМ для публікації у журналі ON №6-7 (5) червень-липень 2014 (стор.30-35)
Система, що розглядається, складається з двох кондиціонерів"
основного, в якому проводиться обробка повітря для приміщення, що обслуговується, і допоміжного - градирні. Основне призначення градирні - повітряно-випарне охолодження води, що живить перший ступінь основного кондиціонера в теплий період року (поверхневий теплообмінник ПТ). Другий ступінь основного кондиціонера – зрошувальна камера ОК, що працює в режимі адіабатичного зволоження, має обвідний канал – байпас Б для регулювання вологості повітря в приміщенні.
Крім кондиціонерів - градирень для охолодження води можуть бути використані промислові градирні, фонтани, бризкальні басейни тощо.
системи багатоступінчастоївипарного охолодження. Теоретичною межею охолодження повітря з використанням таких систем є температура точки роси.
Системи кондиціонування повітря із застосуванням прямого та непрямого випарного охолодження мають більше широку областьзастосування) у порівнянні з системами, в яких використовується тільки пряме (адіабатичне) випарне охолодження повітря.
Двоступінчасте випарне охолодження, як відомо, найбільш прийнятно
районах із сухим та жарким кліматом. При двоступінчастому охолодженні можна досягти більше низьких температур, менших повітрообмінів та меншої відносної вологостіповітря у приміщеннях, ніж при одноступінчастому охолодженні. Ця властивість двоступінчастого охолодженнявикликало пропозицію про перехід цілком на непряме охолодження та низку інших пропозицій. Однак за всіх інших рівних умов ефект дії можливих системвипарного охолодження прямо залежить від змін стану зовнішнього повітря. Тому такі системи не завжди протягом сезону і навіть однієї доби забезпечують підтримання необхідних параметрів повітря в приміщеннях, що кондиціонуються. Уявлення про умови та межі доцільного застосуваннядвоступінчастого випарного охолодження можна отримати при зіставленні нормованих параметрів внутрішнього повітря з можливими змінами параметрів зовнішнього повітря в районах із сухим та жарким кліматом.
розрахунок таких систем слід виконувати з використанням J-dдіаграми у наступній послідовності.
На J-d діаграмі наносять точки з розрахунковими параметрами зовнішнього (Н) та внутрішнього (В) повітря. У прикладі, що розглядається, за завданням на проектування прийняті значення: tн = 30 °С; tв = 24 ° С; fв = 50%.
Для точок Н та В визначаємо значення температури мокрого термометра:
tмн = 19,72 ° С; tмв = 17,0 °С.
Як видно, значення tмн майже на 3 °С вище, ніж tмв, отже, для більшого охолодження води, а потім зовнішнього припливного повітря, доцільно подавати в градирню повітря, що видаляється витяжними системамиіз офісних приміщень.
Зауважимо, що при розрахунку градирні необхідна витрата повітря може виявитися більше приміщень, що видаляється з кондиціонерів. У цьому випадку в градирню треба подавати суміш зовнішнього повітря, що видаляється, і в якості розрахункової приймати температуру мокрого термометра суміші.
З розрахункових комп'ютерних програмпровідних фірм – виробників градирень знаходимо, що мінімальний перепад між кінцевою температурою води на виході з градирні tw1 і температурою мокрого термометра tвм повітря, що подається в градирню, слід приймати не менше 2 °С, тобто:
tw2 = tw1 + (2,5 ... 3) ° С. (1)
Для досягнення глибшого охолодження повітря в центральному кондиціонері приймають кінцеву температуру води на виході з охолоджувача повітря і на вході в градирню tw2 не більше ніж на 2,5 вище, ніж на виході з градирні, тобто:
tвк ≥ tw2 +(1...2) °С. (2)
Звернемо увагу, що від температури tw2 залежить кінцева температура повітря, що охолоджується, і поверхня повітроохолоджувача, так як при поперечному перебігу повітря і води кінцева температура повітря, що охолоджується, не може бути нижче tw2.
Зазвичай кінцеву температуру повітря, що охолоджується, рекомендується приймати на 1–2 °С вище кінцевої температури води на виході з повітроохолоджувача:
tвк ≥ tw2 +(1...2) °С. (3)
Таким чином, при виконанні вимог (1, 2, 3) можна отримати залежність, що зв'язує температуру мокрого термометра повітря, що подається в градирню, та кінцеву температуру повітря на виході з охолоджувача:
tвк = tвм +6 °С. (4)
Зауважимо, що у прикладі на рис. 7.14 прийнято значення tвм = 19 °С і tw2 – tw1 = 4 °С. Але за таких вихідних даних, замість зазначеного в прикладі значення tвк = 23 °С, можна отримати кінцеву температуру повітря на виході з охолоджувача повітря не нижче 26–27 °С, що робить всю схему безглуздою при tн = 28,5 °С.
2018-08-15Використання систем кондиціонування повітря (ВКВ) з випарним охолодженням як одне з енергоефективних рішень при проектуванні сучасних будівельта споруд.
На сьогоднішній день найбільш поширеними споживачами теплової та електричної енергіїу сучасних адміністративних та громадських будівляхє системи вентиляції та кондиціювання повітря. При проектуванні сучасних будівель громадського та адміністративного призначення для зниження енергоспоживання в системах вентиляції та кондиціювання повітря має сенс особлива перевага приділяти зниженню потужності на стадії отримання технічних умовта зменшення експлуатаційних витрат. Скорочення експлуатаційних витрат найважливіше для власників об'єктів чи орендарів. Відомо багато готових способів та різних заходів — щодо зниження енерговитрат у системах кондиціювання повітря, але на практиці вибір енергоефективних рішень є дуже складним.
Одні з багатьох систем вентиляції та кондиціонування повітря, які можна віднести до енергоефективних систем, - це розглянуті у цій статті системи кондиціювання повітря з випарним охолодженням.
Вони застосовуються у житлових, громадських, виробничих приміщеннях. Процес випарного охолодження в системах кондиціювання забезпечують форсуночні камери, плівкові, насадкові та пінні апарати. Розглянуті системи можуть мати пряме, непряме, а також двоступінчасте випарне охолодження.
З наведених варіантів найбільш економічним обладнанням для охолодження повітря є системи прямого охолодження. Для них передбачається використання стандартної технікибез застосування додаткових джерел штучного холоду та холодильного обладнання.
Принципова схемаСистема кондиціонування повітря з прямим випарним охолодженням представлена на рис. 1.
До переваг таких систем можна віднести мінімальні витратина обслуговування систем під час експлуатації, а також надійність та конструктивну простоту. Їхні основні недоліки - неможливість підтримки параметрів припливного повітря, виключення рециркуляції в приміщенні, що обслуговується, і залежність від зовнішніх кліматичних умов.
Енерговитрати в таких системах зводяться до переміщення повітря та рециркуляційної води в адіабатичних зволожувачах, встановлених у центральному кондиціонері. При використанні адіабатичного зволоження (охолодження) у центральних кондиціонерах потрібно використовувати воду питної якості. Застосування таких систем може обмежуватися кліматичних зонахз переважним сухим кліматом.
Областями застосування систем кондиціонування повітря з випарним охолодженням є об'єкти, які не вимагають точної підтримки вологого режиму. Зазвичай вони знаходяться у віданні підприємств різних галузей промисловості, де необхідний дешевий спосібохолодження внутрішнього повітря при високій теплонапруженості приміщень.
Наступний варіант економічного охолодження повітря в системах кондиціювання - використання непрямого випарного охолодження.
Система з таким охолодженням найчастіше застосовується в тих випадках, коли параметри внутрішнього повітря неможливо отримати, використовуючи пряме випарне охолодження, що збільшує вміст вологи припливного повітря. У «непрямій» схемі припливне повітря охолоджується в теплообмінному апараті рекуперативного або регенеративного типу, що контактує з допоміжним потоком повітря, випарним охолодженням, що охолоджується.
Варіант схеми системи кондиціювання повітря з непрямим випарним охолодженням та використанням роторного теплообмінника представлений на рис. 2. Схема ВКВ з непрямим випарним охолодженням та застосуванням теплообмінників рекуперативного типу показана на рис. 3.
Системи кондиціонування повітря з непрямим випарним охолодженням застосовуються, коли потрібно подавати повітря без осушення. Потрібні параметри повітряного середовищапідтримують місцеві доводчики, встановлені у приміщенні. Визначення витрати припливного повітря здійснюється в санітарними нормами, або за повітряним балансом у приміщенні.
У системах кондиціонування повітря з непрямим випарним охолодженням як допоміжне використовується або зовнішнє, або витяжне повітря. За наявності місцевих доводчиків останньому надається перевага, оскільки він підвищує енергетичну ефективність процесу. Необхідно відзначити, що використання витяжного повітря як допоміжне не допускається за наявності отруйних, вибухонебезпечних домішок, а також високого вмісту завислих частинок, що забруднюють поверхню теплообміну.
Зовнішнє повітря як допоміжний поток використовується в тому випадку, коли неприпустиме перетікання витяжного повітря в приплив через нещільності теплообмінника (тобто теплоутилізатора).
Допоміжний потік повітря перед подачею на зволоження очищають у повітряних фільтрах. Схема системи кондиціювання повітря з регенеративними теплообмінниками має більшу енергетичну ефективність та меншу вартість обладнання.
При проектуванні та виборі схем систем кондиціонування повітря з непрямим випарним охолодженням потрібно враховувати заходи щодо регулювання процесів утилізації теплоти в холодну пору року з метою виключення обмерзання теплообмінників. Слід передбачати догрівання витяжного повітря перед утилізатором, обведення частини припливного повітря в пластинчастий теплообмінникта регулювання частоти обертання у роторному утилізаторі.
Використання цих заходів дозволить виключити обмерзання теплообмінників. Також у розрахунках при використанні витяжного повітря як допоміжний поток необхідно перевіряти систему на працездатність у холодний період року.
Ще одна з енергоефективних систем кондиціонування повітря – система з двоступінчастим випарним охолодженням. Охолодження повітря в даній схемі передбачається у два етапи: прямим випарним та непрямо-випарним методами.
"Двоступінчасті" системи передбачають більш точне регулювання параметрів повітря при виході з центрального кондиціонера. Такі системи кондиціювання повітря застосовуються у випадках, коли потрібне глибше охолодження припливного повітря порівняно з охолодженням у прямому або непрямому випарному охолодженні.
Охолодження повітря у двоступінчастих системах передбачають у регенеративних, пластинчастих утилізаторах або ж у поверхневих теплообмінниках проміжним теплоносієм за допомогою допоміжного потоку повітря – у першому ступені. Охолодження повітря в адіабатичних зволожувачах – у другому ступені. Основні вимоги до допоміжного потоку повітря, а також перевірки роботи ВКВ в холодний період року аналогічні застосовуваним до схем ВКВ з непрямим випарним охолодженням.
Застосування систем кондиціювання повітря з випарним охолодженням дозволяє досягти найкращих результатів, які неможливо отримати під час використання холодильних машин.
Застосування схем ВКВ з випарним, непрямим та двоступінчастим випарним охолодженням дозволяє в деяких випадках відмовитися від використання холодильних машин та штучного холоду, а також значно знизити холодильне навантаження.
За рахунок використання цих трьох схем часто досягається енергоефективність обробки повітря, що дуже важливо при проектуванні сучасних будівель.
Історія систем випарного охолодження повітря
Протягом століть цивілізації знаходили оригінальні методи боротьби зі спекою на своїх теренах. Рання форма системи охолодження — «ловець вітру» — була винайдена багато тисяч років тому в Персії (Іран). Це була система вітряних валів на даху, які вловлювали вітер, пропускали його через воду і задували охолоджене повітря. внутрішні приміщення. Примітно, що багато цих будівель також мали двори з великими запасами води, тому, якщо не було вітру, то в результаті природного процесу випаровування води гаряче повітря, піднімаючись вгору, випаровував воду у дворі, після чого вже охолоджене повітря проходив через будівлю. У наші дні Іран замінив «ловців вітру» на випарні охолоджувачі і широко їх використовує, а іранський ринок за рахунок сухого клімату сягає 150 тис. випарників на рік.
У випарний охолоджувач у XX столітті був об'єктом численних патентів. Багато хто з них, починаючи ще з 1906 року, пропонували використовувати дерев'яну стружку як прокладку, що переносить велика кількістьводи при контакті з повітрям, що рухається, і підтримує інтенсивне випаровування. Стандартна конструкціяз патенту 1945 включає водяний резервуар (звичайно оснащений поплавковим клапаном для регулювання рівня), насос для циркуляції води через прокладки з деревних стружокта вентилятор для подачі повітря через прокладки у житлові приміщення. Ця конструкція та матеріали залишаються основними у технології випарних охолоджувачів на південному заході США. У цьому регіоні вони використовуються для збільшення вологості.
Випарне охолодження було поширене в авіаційних двигунах 1930-х років, наприклад у двигуні для дирижабля Beardmore Tornado. Ця система була використана для зменшення або повного виключення радіатора, який в іншому випадку міг би створити суттєвий аеродинамічний опір. Зовнішні прилади випарного охолодження встановлювалися деякі автомобілі для охолодження салону. Найчастіше вони продавалися як додаткові аксесуари. Використання приладів випарного охолодження в автомобілях тривало доти, доки не набуло широкого поширення парокомпресійного кондиціювання повітря.
Принцип випарного охолодження відрізняється від того, на якому працюють апарати парокомпресійного охолодження, хоча вони також вимагають випаровування (випаровування є частиною системи). У парокомпресійному циклі після випаровування холодоагенту всередині випарного змійовика, що охолоджує газ, стискається та охолоджується, під тиском конденсуючись у рідкий стан. На відміну від цього циклу, у випарному охолоджувачі вода випаровується лише один раз. Випарена вода в охолодному приладі виводиться в простір з охолодженим повітрям. У градирні вода, що випарувалася, відноситься потоком повітря.
- Богословський В.М., Кокорін О.Я., Петров Л.В. Кондиціювання повітря та холодопостачання. - М.: Будвидав, 1985. 367 с.
- Баркалов Б.В., Карпіс Є.Є. Кондиціювання повітря у промислових, громадських та житлових будинках. - М.: Будвидав, 1982. 312 с.
- Корольова Н.А., Тарабанов М.Г., Копишков А.В. Енергоефективні системи вентиляції та кондиціювання повітря великого торгового центру// АВОК, 2013. №1. С. 24-29.
- Хомутський Ю.М. Застосування адіабатного зволоження для охолодження повітря // Світ клімату, 2012. №73. С. 104-112.
- Ділянкін П.В. Вентиляція, кондиціювання повітря та опалення на підприємствах легкої промисловості: Навч. посіб. для вузів. - М: Легка індустрія, 1980. 343 с.
- Хомутський Ю.М. Розрахунок непрямо-випарної системи охолодження // Світ клімату, 2012. №71. С. 174-182.
- Тарабанов М.Г. Непряме випарне охолодження припливного зовнішнього повітря на ВКВ з доводчиками // АВОК, 2009. №3. С. 20-32.
- Кокорін О.Я. Сучасні системикондиціювання повітря. - М: Фізматліт, 2003. 272 с.
Завантаження...