Топливо-энергетический комплекс (ТЭК) в нашей стране обеспечивает почти четверть её ВВП, привлекает порядка трети инвестиций и формирует около 40% доходной части федерального бюджета. Поэтому необходимо уделять серьёзное внимание инфраструктуре топливно-энергетического комплекса, который, в свою очередь, должен гарантировать всем предприятиям и каждому гражданину нашей страны надёжный и качественный доступ к энергоресурсам. В этой связи 2 апреля 2020 года на заседании Правительства РФ был рассмотрен и одобрен проект «Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года». В разделе данного документа, касающемся энергосбережения и энергоэффективности, констатируется снижение энергоёмкости ВВП на 9,3% с 2008 по 2018 годы. Однако вместе с тем отмечается, что в нашей стране ещё имеется большой потенциал энергосбережения, способный привести к значительному повышению экономической эффективности проектов. Кроме того, развитие энергосбережения будет содействовать дальнейшему уменьшению энергоёмкости ВВП, что, в свою очередь, ведёт к росту уровня качества жизни населения [1–6]. Аналогичные данные приводятся также в ряде зарубежных публикаций, например, [7–8].

В то же время капитальные затраты на реализацию инженерных систем кондиционирования воздуха в зданиях составляют порядка 15–20%, а эксплуатационные затраты достигают 60–80% от общих расходов на энергообеспечение здания [9]. В связи с этим в работе [10] авторами предложена конструкция энергосберегающей установки кондиционирования воздуха с применением косвенного испарительного охлаждения. Идея данной конструкции заключается в том, что приточный воздух, проходя через пластинчатый рекуператор, испытывает в тёплый период года «сухое» охлаждение без увеличения влагосодержания, что существенно расширяет границы применения данной схемы в системах кондиционирования воздуха.

Однако некоторым недостатком такого способа обработки воздуха является то обстоятельство, что состояние притока на выходе из установки в значительной степени зависит от климатических параметров в районе строительства, в первую очередь от температуры, относительной влажности и энтальпии наружного воздуха. Авторами в работе [11] был рассмотрен вопрос о возможности применения косвенного испарительного охлаждения для систем кондиционирования воздуха в пределах Российской Федерации в зависимости от климатических условий различных регионов, и по результатам данного исследования был сделан вывод о том, что схема, описанная в [10], пригодна для реализации на подавляющей части территории нашей страны. Кроме того, нужно учитывать, что в новых зданиях и сооружениях применяются, как правило, более современные технологические и технические решения, а также к подобным зданиям предъявляются ещё и более высокие санитарно-эпидемиологические требования. При этом процессы обработки (перенос теплоты и массы) воздуха в контактных аппаратах являются достаточно сложными, многоступенчатыми, и необходимость их исследования и расчёта сильно затрудняет, а порой делает и невозможным реальное проектирование систем кондиционирования воздуха с учётом ограниченных сроков работ. Следовательно, при разработке таких систем необходимо иметь широкий диапазон конструктивных решений и иметь возможность рассчитывать многовариантные процессы изменения тепловлажностного состояния воздуха аналитическими и численными методами.

Поэтому авторами предлагается аналитическое решение задачи определения положения на I-d-диаграмме основных точек, характеризующих процессы обработки воздуха в предложенной ими схеме, при этом сам процесс обработки воздуха показан на рис. 1 [10].

Аналитический расчёт параметров состояния влажного воздуха в специальной схеме обработки притока. 7/2020. Фото 1

Параметры основных точек на рис. 1: НБ — состояние наружного воздуха (параметры «Б» по СП 131.13330.2018 «Строительная климатология», далее — СП 131); П´= О — точка после пластинчатого теплообменника перед вентилятором; П — состояние притока в помещение с учё- том подогрева в секции вентилятора на 0,5°C; В — внутренний воздух [температура максимальная, относительная влажность близкая к максимальной из оптимальных в тёплый период года (ТП) по ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях»]; У — уходящий (вытяжной) воздух из помещения; W — предельно возможное состояние уходящего (вытяжного) воздуха после адиабатного увлажнения; О2 — точка реального положения уходящего воздуха после секции адиабатного охлаждения перед пластинчатым теплообменником; УТ — состояние уходящего воздуха после пластинчатого теплообменника.

Используя коэффициент температурной эффективности пластинчатого теплообменника kэф, можно найти выражение для температуры притока tп, °C:

tп = tНБ — kэф(tНБ — tо2) + 0,5, (1)

где tНБ — расчётная температура наружного воздуха в ТП для рассматриваемого района строительства по параметрам «Б» в соответствии с табл. 4.1 СП 131, °C; tо2 — температура вытяжного воздуха перед поступлением в рекуператор после секции адиабатного охлаждения, °C; добавка 0,5°C учитывает среднюю величину подогрева притока в вентиляторе перед подачей в помещение.

Из выражения для энтальпии влажного воздуха определяем влагосодержание притока dп, г/кг:

dп = dНБ = (IНБ — 1,005tНБ)/2,49, (2)

где IНБ — расчётная энтальпия наружного воздуха в ТП по параметрам «Б» из СП 131, кДж/кг; dНБ — его влагосодержание, вычисляемое, исходя из значений tНБ и IНБ, г/кг; параметр 2,49 представляет собой удельную теплоту испарения воды [кДж/г], а 1,005 — удельную теплоёмкость сухого воздуха, кДж/(кг·К).

Имея в виду, что охлаждение притока в рекуператоре идёт по d = const, и учитывая (1), находим энтальпию притока Iп и уходящего из помещения воздуха Iу, кДж/кг:

Iп = IНБ — 1,005[kэф(tНБ to2) + 0,5]; (3)

Iу = 1,005tу + 2,49dу, (4)

где dу — влагосодержание уходящего воздуха, г/кг; tу — его температура [°C], которая для кондиционируемых помещений в первом приближении обычно принимается на 1°C выше температуры в рабочей зоне помещения tв.

По определению углового коэффициента луча процесса в помещении εпом с учетом (4):

Аналитический расчёт параметров состояния влажного воздуха в специальной схеме обработки притока. 7/2020. Фото 2

Отсюда, очевидно:

Аналитический расчёт параметров состояния влажного воздуха в специальной схеме обработки притока. 7/2020. Фото 3

Используя выражение для температуры мокрого термометра через энтальпию влажного воздуха [12], находим:

Аналитический расчёт параметров состояния влажного воздуха в специальной схеме обработки притока. 7/2020. Фото 4

Тогда, с учётом (4) и (6) и возводя обе части получаемого выражения в квадрат, после некоторых преобразований получаем искомое соотношение для to2:

t2 o2 + bto2 + c = 0, (8)

где коэффициенты b и c вычисляются по формулам:

Аналитический расчёт параметров состояния влажного воздуха в специальной схеме обработки притока. 7/2020. Фото 5

(здесь 0,402 = 1/2,49; 26,66 = 13,33×2; 177 = 13,332; 20 = 4,472).

Отсюда, очевидно,

Аналитический расчёт параметров состояния влажного воздуха в специальной схеме обработки притока. 7/2020. Фото 6 

после чего, при необходимости, величину tп можно найти по выражению (1). Данный алгоритм достаточно просто реализуется с помощью электронных таблиц Excel.

В качестве примера приведём результаты многовариантных расчётов по полученной методике для климатических условий Москвы: НБ (наружный воздух по параметрам «Б»): температура tНБ = +26°C, энтальпия IНБ = 54,4 кДж/кг по СП 131; при значении εпом = 10000 кДж/кг и среднем коэффициенте температурной эффективности пластинчатого теплообменника kэф = 0,67 находим b = 31,12. После этого, задаваясь величиной tу в диапазоне от +23 до +26°C в соответствии с возможным уровнем tв в пределах от +22 до +25°C, получаем значения остальных интересующих нас параметров, приведённые в табл. 1.

Аналитический расчёт параметров состояния влажного воздуха в специальной схеме обработки притока. 7/2020. Фото 7

Очевидно, что, чем выше выбранная величина tв и чем она ближе к верхнему пределу оптимального диапазона для ТП в соответствии с требованиями ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», тем больше получается достигаемая разность температур притока и уходящего воздуха tу tп и, следовательно, тем меньше будет требуемый воздухообмен в помещении для ассимиляции тепловлагопоступлений. Поэтому при использовании предлагаемой схемы обработки воздуха в ТП параметры внутреннего микроклимата следует принимать на максимально возможном уровне, допускаемом условиями комфортности.

Таким образом, разработанная методика действительно позволяет проводить аналитическую оценку состояния воздуха в основных точках процесса обработки притока с косвенным испарительным охлаждением в пластинчатом рекуператоре в ТП и проводить многовариантные расчёты с целью выявления оптимальных режимов функционирования схемы и возможности её применения в различных климатических условиях. При этом она имеет достаточно простой вид и доступна для использования в практике проектирования климатических систем.