Сегодня для кондиционирования воздуха применяются системы охлаждения двух типов: с непосредственным охлаждением и промежуточным хладоносителем. Система охлаждения с непосредственным испарением Системы с непосредственным охлаждением прекрасно удовлетворяют условию полной интеграции с центральными кондиционерами. Тем более что спектр производительности компрессоров, представленных на рынке, чрезвычайно широк. Отличительная черта систем охлаждения с непосредственным испарением — обеспечение непосредственного контакта теплообменника, в котором испаряется хладагент, с кондиционируемой средой (в кондиционировании это, в основном, наружный или рециркуляционный воздух) (рис. 1). У этих систем следующие особенности: ❏ холодопроизводительность и температура воздуха регулируются в зависимости от потребности; ❏ небольшие капитальные затраты благодаря отсутствию необходимости распределения и накопления холода; ❏ снижение эксплуатационных затрат благодаря отсутствию потерь на распределение или из-за остановок оборудования; ❏ нет необходимости в предварительном нагревателе, т.к. отсутствует водяной контур, нуждающийся в защите от замораживания; ❏ благодаря компактности, системы занимают меньшее пространство; ❏ возможность использования холодильной установки для утилизации теплоты зимой (в режиме теплового насоса). В реверсивном режиме теплообменник, соприкасаясь с потоком наружного воздуха, может работать непосредственно как испаритель (охладитель воздуха), а в потоке приточного воздуха — как конденсатор (нагреватель воздуха). Благодаря этим характеристикам система с непосредственным охлаждением отвечает всем требованиям интеграции в центральную систему кондиционирования. При этом используются преимущественно агрегатированные установки с полностью герметичными поршневыми или винтовыми компрессорами. Регулирование производительности осуществляется (в зависимости от требований) ступенчато и плавно (при помощи преобразователя частоты). В настоящее время в кондиционерах с непосредственным охлаждением чаще всего используется хладагент R407C. Система охлаждения с промежуточным хладоносителем Отличие системы этого типа — охлаждение жидкости или воздуха в испарителе холодильного контура. Затем по распределительной сети хладоноситель поступает в промежуточные контуры различных потребителей (рис. 2). Основные особенности этих систем: ❏ возможность аккумуляции холода (жидкости, льда) для регулирования нагрузки; ❏ постоянная входная температура; ❏ отделение потребителей от холодовырабатывающего оборудования; ❏ снижение затрат на наладку системы; ❏ в процессе монтажа оборудования потребуются дополнительные затраты, связанные с организацией переноса и распределения холода; ❏оптимальное использование множества охладителей в отдельных зонах, подключенных к центральному кондиционеру. Традиционные устройства и установки для кондиционирования воздуха состоят из множества отдельных компонентов: холодильной, гидравлической, увлажнительной, сорбционной систем, горелки, системы управления и т.д. Для комплектации и установки этого оборудования привлекается множество отдельных предприятий и организаций — производители компонентов, монтажники электрооборудования, систем отопления, охлаждения, кондиционирования и вентиляции. Из-за большого числа участников процесс согласования всех характеристик системы отдельными фирмами может быть весьма длительным и дорогостоящим, а условия поставок и гарантийных обязательств не всегда прописываются достаточно четко. Как и для водонагревательных котлов, которые в настоящее время почти всегда укомплектованы встроенной системой управления и устройствами горения, для систем кондиционирования характерна тенденция использования интегрированных готовых к эксплуатации систем. У такого подхода есть ряд преимуществ. При этом благодаря непосредственному взаимодействию с обрабатываемой средой холодильной технике в системах кондиционирования отводится важная роль. Только спроектированная специально для этих целей подсистема управления может обеспечить надежную работу всей системы с оптимальным потреблением энергии. Преимущества готовых к эксплуатации CK с непосредственным охлаждением Различные производители предлагают системы кондиционирования, оснащенные всеми необходимыми модулями и функциями, в частности, интегрированными системами непосредственного охлаждения. Основное преимущество этого— возможность работы только с одним партнером, благодаря чему значительно снижаются затраты на планирование и согласование между производителями компонентов и узлов установки, устройству правления и специальных блоков холодильной системы. Кроме того, отпадает необходимость в переходных устройствах и координации различных интерфейсов. Уже на этапе планирования может быть предложена оптимальная схема прокладки трубопроводов и кабелей для обеспечения распределения холода и подвода электроэнергии, воды и топлива. Также может быть заранее предусмотрено пространство для монтажа, технического обслуживания и эксплуатации компонентов оборудования. При разработке общей концепции учитывается наработанный производителем системы опыт, благодаря оптимальной настройке компонентов обеспечивается экономичная и согласованная концепция всей установки. Устройства собираются из стандартизированных модулей по индивидуальным потребностям клиентов, подобно тому, как это происходит в автомобильной промышленности. Благодаря этому, система может поставляться на место монтажа и эксплуатации полностью укомплектованной и готовой к подключению. К ней достаточно подвести электропитание, коммуникации для воздуха, воды и топлива и организовать дренажные системы. Тем самым значительно сокращается время и стоимость монтажа. При этом появляется возможность четко определить условия поставки и гарантии. Такие услуги как пуско-наладка или техническое обслуживание уже эксплуатируемой системы, могут производиться централизованно, одним сервисным центром. Отпадает необходимость в обслуживании каждой части установки и привлечении отдельных сервисных служб. При планировании и реализации общей концепции (когда отдельные компоненты рассматриваются в рамках единой системы) достигается значительная экономия капитальных вложений, эксплуатационных расходов, а также затрат на техническое обслуживание. Определение тепловой нагрузки Этот процесс опирается на двух основных позициях в зависимости от конкретной задачи: ❏ приблизительное определение общей тепловой нагрузки в помещении при фиксированных, заданных заранее условиях, например, при постоянной температуре в помещении; ❏ подробный— с использованием программных средств, учитывающий целый ряд условий и несколько возможных вариантов. Правда стоит учитывать, что система рассматривается в статическом режиме, что может вызвать определенные погрешности решения. Значительно большая точность обеспечивается если при определении холодопроизводительности учитываются источники выделения тепла, как внутренние — люди, осветительные приборы, оборудование и т.д., так и внешние— теплообмен через окна, стены, потолки, пол и т.п. Учет влажности воздуха При расчете системы охлаждения обычно используются такие показатели комфорта, как поддержание температуры воздуха в помещении в диапазоне от 20 до 26°С и относительной влажности в пределах 30–65% (максимальная концентрация водяного пара 11,5 г/кг).При этом считается, что температура поступающего наружного воздуха должна быть приблизительно 15–20°С, а влажность его часто не учитывается совсем. Для обеспечения комфортной влажности воздуха в помещении содержание влаги в наружном воздухе должно составлять приблизительно 0,7–2,1 г/кг при интенсивности испарения с поверхности тела не занимающегося физической деятельностью человека, эквивалентной 50 г/ч (согласно VDI 2078),и при расходе наружного воздуха на одного человека (по DIN 1946, часть 2) от 20 м3/ч (в конференцзалах) до 60 м3/ч (в больших офисных помещениях), рис. 3. С учетом этих данных получается, что для обеспечения комфортных условий в помещении максимальное абсолютное влагосодержание воздуха должно составлять от 9 до 11 г/кг. Но поскольку, согласно метеорологическим данным, абсолютная влажность наружного воздуха, как правило, больше указанных значений, то при кондиционировании наружного воздуха необходимо удалять из него влагу. Оптимизация системы охлаждения При определении параметров системы охлаждения встает вопрос о выборе оптимального режима ее работы. Взять ли за основу высокую температуру испарения — при этом получим высокие значения холодильного коэффициента COP и меньшую электрическую мощность привода компрессора, но, в тоже время, большое количество труб в системе охлаждения,— или предпочесть небольшое падение давления в системе охлаждения и, соответственно, меньше труб и более низкую электрическую мощность двигателей вентиляторов? Определяющим значением считается годовое потребление электроэнергии. При расчете количества отработанных часов в режиме охлаждения, видно, начиная с какого момента холодильная машина потребляет электроэнергии больше, чем приточный вентилятор. Например, это происходит, начиная с 2459 ч работы в режиме охлаждения. Если теперь определить необходимое количество часов, затрачиваемых на охлаждение с учетом среднестатистических значений температуры наружного воздуха в месте эксплуатации установки, то выясним, что, например, во Франкфурте внешняя температура больше или равна 17°С примерно 1256 ч в году, поэтому там необходимо механическое охлаждение (при температуре наружного воздуха ниже этого значения применяется, в основном, естественное охлаждение).Из этого следует вывод, что с точки зрения затрат энергии малый перепад давления в системе охлаждения предпочтительнее высокой температуры испарения. Определение параметров системы охлаждения Задав наиболее важные расчетные параметры испарителя, компрессора и конденсатора (коэффициент теплопередачи, эффективную площадь теплообмена, средний перепад температур рабочих сред, массовый расход на стороне воздуха и на стороне хладагента), определим рабочие параметры системы, в частности, температурные значения конденсации и испарения. Эти параметры зависят от условий окружающей среды. Поэтому важно, чтобы на основании метеорологических данных учитывалась максимальная энтальпия воздуха на входе в систему. Затем определяем максимальные значения для: температуры испарения, давления, требуемой холодопроизводительности, производительности конденсатора и т.д.На основании полученных результатов корректируем исходные (заданные) параметры и повторяем расчет до тех пор, пока результаты его не будут соответствовать исходным параметрам. Регулирование В готовых к эксплуатации системах кондиционирования с непосредственным охлаждением используются следующие варианты регулирования: ❏ многоступенчатое регулирование с включением и отключением отдельных компрессоров; ❏ регулирование частоты вращения компрессоров при помощи преобразователей частоты; ❏ комбинация двух вышеупомянутых способов регулирования; ❏ комбинация одинаковых или различных типоразмеров компрессоров. Эти довольно сложные процессы в настоящее время могут быть оптимально решены при помощи высокоэффективного программного обеспечения в сочетании с удобными пультами управления. Концепция установки Для включения функции непосредственного охлаждения в центральную систему кондиционирования в настоящее время разработано несколько проверенных концепций: ❏ с конденсатором, охлаждаемым наружным воздухом (рис. 4); ❏ с конденсатором, охлаждаемым отводимым воздухом с дополнительным охлаждением наружным воздухом или без него, с использованием (или без) рециркуляционного воздуха для охлаждения (рис. 5); ❏ с режимом теплового насоса (рис. 6, 7); ❏ с дополнительным нагревателем конденсатора. Готовые к эксплуатации центральные кондиционеры используются в настоящее время во всех сферах центрального кондиционирования с холодопроизводительностью от нескольких кВт до МВт. Например, в торговом центре в Лейпциге в системе кондиционирования задействован 21 центральный кондиционер с общим расходом приточного воздуха 1 300 000 м3/ч общей производительностью 8МВт. Краткие итоги В центральных системах кондиционирования наметилась тенденция, крайне выгодная для заказчиков и эксплуатирующих организации — применение холодильных систем непосредственного охлаждения, целиком интегрированных в центральный кондиционер. Но при любом способе выработки холода (как непосредственного охлаждения, так и с промежуточным хладоносителем) особое внимание должно быть уделено точному определению тепловой нагрузки и параметров системы, и прежде всего, оптимизации компонентов холодильной системы. Это позволит избежать дефицита мощности и отказов оборудования.
1. VDI 2078: Berechnung der Kuhllast klimatisierter Raume (VDI — Kuhllastregeln). Ausgabe: 1996-07. Beuth-Verlag 2. DIN 1946, Teil 2.: Raumlufttechnik; Gesundheitstechnische Anforderungen (VDI— Luftungsregeln). Ausgabe: 1994 — 01. BeuthVerlag 3. DIN 4710: Statistken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz-und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland. Ausgabe: 2003 — 01. BeuthVerlag 4. www.robatherm.de
