Рис. 1. Область оптимальных значений параметров внутреннего воздуха, изображенная на i–d-диаграмме
Рис. 2. Идеальный процесс охлаждения воздуха (i–d-диаграмма)
Рис. 3. Процесс адиабатного увлажне- ния и охлаждения воздуха (1а–1б)
Рис. 4. Процессы смешения воздуха (1–3–1а, 1–2б–1в, 1–2–1б и т.д.)
Рис. 5. Кривая процесса охлаждения и осушения воздуха в местном кондиционере (1–3)
Рис. 6. Процессы охлаждения воздуха и относительная влажность в помещениях при различных характеристиках внутренних блоков
Рис. 7. Зависимость энтальпии внутреннего воздуха от его относительной влажности и температуры
Табл. 1. Характеристики внутренних блоков VRF-систем серии S GENERAL
Если процесс обогрева внутреннего воздуха с помощью местного кондиционера (внутреннего блока) VRF-систем не вызывает сложностей при расчете тепловлажностного режима кондиционируемых помещений, то процессы обработки воздуха, связанные с использованием холода, не всегда однозначны.
Наиболее удобный и наглядный метод расчета и изображения процессов обработки внутреннего воздуха основан на использовании i-d-диаграммы (энтальпия-влагосодержание) влажного воздуха. Однако существует мнение, что изображать процесс охлаждения внутреннего воздуха местным кондиционером на i-d-диаграмме не совсем правомочно по следующим причинам [1]:
- Внутренний блок поддерживает в помещении только температуру внутреннего воздуха. Влажность воздуха неизвестна и может изменяться, т.к. зависит не только от характеристик кондиционера, но самого помещения.
- При релейном управлении охлаждением полупериоды включения/выключения компрессора вовсе не равны. Из-за неравенства полупериодов среднее за цикл значение температуры в помещении переменно.
- Процесс охлаждения в испарителе протекает и направлен в зависимости от началь ного состояния входящего воздуха, текущей холодопроизводительности внутреннего блока.
- Процесс осушения воздуха, побочный при стабилизации температуры воздуха, оказывает влияние как возмущение на контур стабилизации влажности.
Не опровергая вышеприведенных утверждений, попытаемся определить с помощью i-d-диаграммы комплекс возможных значений параметров внутреннего воздуха помещений при кондиционировании местными кондиционерами в режиме охлаждения. Для этого построим область оптимальных значений внутреннего воздуха помещений (рис. 1).
Область ограничена линиями относительной влажности 30-60 % и температуры 20-25°С. Системы комфортного кондиционирования, к которым без сомнения принадлежат VRF-системы, должны поддерживать параметры внутреннего воздуха в пределах данной области. Если значения требуемой температуры внутреннего воздуха можно задавать и поддерживать с помощью внутреннего блока местного кондиционера, то значения относительной влажности нельзя задавать и поддерживать с помощью систем данного класса, хотя в процессе охлаждения воздуха будет происходить его осушение.
С другой стороны количество поступающей в помещения влаги от людей, с приточным воздухом и т.д. будет постоянно изменяться. Поэтому значение относительной влажности, которая установится в помещении, будет зависеть как от характеристик кондиционера, так и от характеристик помещения.
Чтобы определить фактическое значение относительной влажности для помещения с местным кондиционированием, рассмотрим процесс охлаждения воздуха подробно. Идеальный, а точнее квазистационарный процесс охлаждения воздуха можно изобразить на i-d-диаграмме следующим образом (рис. 2).
Охлаждение воздуха приводит сначала к понижению его температуры без изменения влагосодержания (процесс 1-2) до линии относительной влажности 100 %. Затем из воздуха выделяется конденсат, влагосодержание воздуха уменьшается по линии 100 %-й влажности (процесс 2-3) до температуры теплообменной поверхности (кипения фреона).
Но это - идеальный процесс, который должен происходить либо бесконечно долго, либо с бесконечно малыми объемами воздуха. Фактически же, движение воздуха во внутреннем блоке неравномерное и турбулентное, благодаря чему элементарный объем воздуха возле теплообменной поверхности, пройдя процесс 1-2-3, смешивается с воздухом, находящимся далеко от теплообменной поверхности.
Процесс смешивания проходит по линии 1-3 и 1а - точка смеси. Затем снова малая часть смешанного воздуха охлаждается по линии 1а-2а-3. Таким образом, процесс охлаждения воздуха в местном кондиционере проходит по линии смешивания 1-3, направленной от точки параметров внутреннеговоздуха (1) на входе во внутренний блок до точки пересечения температуры кипения фреона с линией 100 %-й влажности (3).
Очень часто эту прямую используют для построения процессов охлаждения воздуха. Однако и данный процесс отличается от реального процесса охлаждения внутреннего воздуха в местном кондиционере. Но, несмотря на некоторую идеализированность, область 1-2-3 дает 100 % охват всех возможных процессов охлаждения и осушения воздуха, происходящих в любом местном кондиционере. На процесс охлаждения по линии 1-3 влияют следующие факторы.
При охлаждении воздуха внутренним блоком только часть поверхности кондиционера достигает температуры кипения фреона +5°С (теплообменник). Внутренняя поверхность корпуса и дренажный поддон имеют температуру циркулирующего воздуха. К тому же при частичной загрузке внутреннего блока не весь теплообменник достигает температуры кипения фреона.
Поэтому некоторая часть конденсата снова испаряется по адиабате и сдвигает процесс охлаждения вправо (рис. 3, процесс 1а-1б). Другой фактор, влияющий на процесс охлаждения, - турбулентность потока внутреннего воздуха. Это приводит к тому, что не все элементарные частицы успевают охладиться до температуры теплообменника.
Поэтому процесс смешения происходит не только между точками 1-3, но и по линиям 1-2, 1-2а, 1-2б, 1-2в и т.д. (рис. 4). Это также приводит к смещению линии обработки воздуха вправо. Таким образом, реальный процесс охлаждения воздуха местными кондиционерами (внутренними блоками) всегда принадлежит области 1-2-3 и имеет вид кривой, соединяющей точки 1 и 3 (рис. 5).
Начальная точка процесса охлаждения (1) совпадает с параметрами внутреннего воздуха. Параметры воздуха на выходе из местного кондиционера в значительной степени зависят от его характеристик. Важнейшая характеристика внутреннего блока - количество отводимого явного и скрытого тепла.
Любой процесс охлаждения можно разбить на эти две составляющие. Например, процесс 1-3а условно состоит из процесса 1-2а - охлаждение внутреннего воздуха без изменения его влагосодержания (явное тепло) и процесса 2а-3а - осушение воздуха без изменения его температуры (скрытое тепло).
Поэтому у любого местного кондиционера есть явная составляющая его мощности, которая тратится на поддержание требуемой температуры внутреннего воздуха, и скрытая составляющая, которая тратится на осушение кондиционируемого воздуха. Как следует из рис. 5, угол наклона касательной к кривой процесса охлаждения и прямой постоянного влагосодержания при понижении температуры воздуха на выходе из местного кондиционера увеличивается.
Следовательно, чем меньше отношение производительности внутреннего блока по воздуху к его мощности охлаждения (удельный расход воздуха), тем большая часть мощности тратится на скрытое тепло. Этот вывод подтверждается и данными производителей VRF-систем (табл. 1) [2].
Исходя из рис. 5 и характеристик внутренних блоков можно сделать следующий вывод: чем больше величина удельного расхода воздуха внутреннего блока (м3/кВт⋅ч), тем большая составляющая тратится непосредственно на поддержание температуры внутреннего воздуха. Определимтеперь относительную влажность внутреннего воздуха в кондиционируемых помещениях.
Во-первых, если мы проведем прямую по линии постоянного влагосодержания через точку 3, то линии оптимальных температур 20°С и 25°С будут пересекать данную прямую в точках с 40%-й и 30 %-й влажностью (рис. 4). Отсюда важный вывод: внутренние блоки VRFсистем не могут понизить относительную влажность внутреннего воздуха ниже 30 %.
Это вытекает непосредственно из температуры кипения хладагента +5°С и стремления процесса охлаждения к точке 3 i-d-диаграммы. Как уже отмечалось выше, относительная влажность помещений при VRF-кондиционировании зависит не только от параметров внутреннего блока, но и от характеристик помещения, а именно луча процесса (углового коэффициента) ассимиляции теплои влагоизбытков помещения: ε= ∆I∆d� = Qизб./Мвл., где ∆I - разница энтальпий между начальным и конечным состоянием процесса, кДж/кг; ∆d - разница влагосодержаний между начальным и конечным состоянием процесса, г/кг; Qизб. - полные тепловыделения в помещении, Вт; Мвл. - влаговыделения в помещении, г/с.
Для офисных помещений, в которых наиболее часто используются VRF-системы, луч процесса принимает значения от 5000 до 15 000 кДж/кг. Причем, чем выше относительная влажность в помещении, тем больше влаги уходит с вытяжным воздухом, тем больше луч процесса и меньше нагрузка на систему кондиционирования.
В качестве примера произведен расчет относительной влажности офисного помещения с двумя внутренними блоками одинаковой номинальной холодопроизводительности 2,8 кВт и разным расходом внутреннего воздуха 600 м3/ч - первый вариант и 480 м3/ч - второй вариант (рис. 6).
Относительная влажность помещения при использовании внутреннего блока с производительностью 600 м3/ч будет всегда выше (в пределах оптимальных значений), чем при использовании внутреннего блока с производительностью 480 м3/ч. На рис. 6 относительная влажность составила соответственно 55 % и 43 %.
Расходы холода для поддержания требуемой температуры внутреннего воздуха 25°С в первом варианте составили 1,8 кВт, во втором варианте - 2,1 кВт. Однако VRF-системы предназначены для комфортного кондиционирования помещений, поэтому надо учитывать особенности теплового баланса организма человека с окружающей средой.
В данном случае необходимо отметить, что при одинаковой температуре и различной относительной влажности внутреннего воздуха ощущения теплового комфорта человеком будут различны [3]. Фактически, если в помещении повысилась относительная влажность, то для достижения теплового комфорта человека необходимо понизить температуру внутреннего воздуха, и наоборот.
Тепловой комфорт человека в большей степени зависит от энтальпии окружающего воздуха, как функции его температуры и относительной влажности, чем только от температуры. Если за точку отчета принять энтальпию внутреннего воздуха, то, например, ощущения теплового комфорта при температуре внутреннего воздуха 25°С и относительной влажности 40 % будут аналогичны, если температуру воздуха опустить до 23°С, а относительную влажность поднять до 50% (рис. 7).
Выводы
- Процесс обработки воздуха внутренним блоком VRF-системы в режиме охлаждения на i-d-диаграмме можно изобразить в виде кривой, соединяющей точку параметров внутреннего воздуха (1) с точкой пересечения линии относительной влажности 100% и линии температуры кипения хладагента (3).
- Относительная влажность внутреннего воздуха не может понизиться ниже 30% при VRF-кондиционировании помещений.
- Чем больше удельный расход воздуха (м3/(кВт⋅ч) внутреннего блока, тем больше доля явной производительности по холоду системы кондиционирования.
- Чем больше доля явной производительности по холоду внутреннего блока VRF-системы, тем выше относительная влажность в помещении (в пределах оптимальных значений).
