CC BY
389
Electrical facilities and systems
Кушнир В.Г.
Kushnir V.G.
доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Машины, тракторы и автомобили» Костанайского государственного университета имени А. Байтурсынова, Республика Казахстан, г. Костанай
Поезжалов В.М.
Poezzhalov V.M.
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика и физика» Костанайского государственного университета имени А. Байтурсынова,
Республика Казахстан, г. Костанай
УДК 697.972+697.978+697.975
СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ, ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА, ОСНОВАННАЯ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
Рассмотрены температурные особенности природно-климатической зоны Северного Казахстана и прилегающих районов России. Показано, что эти территории обладают значительным потенциалом естественного холода. Предложена схема отопительно-вентиляционной системы с кондиционированием, основанная на использовании температурно-климатических особенностей данной местности. Предложена технологическая схема отопления, вентиляции и кондиционирования, обладающая достаточной гибкостью. Схема включает в себя как традиционные источники тепловой энергии (газовый нагреватель) так и нетрадиционные (солнечный водонагреватель и тепловой аккумулятор). Основное отличие системы заключается в том, что она не зависит от центрального теплоснабжения. Охлаждение воздуха в системе кондиционирования происходит за счет аккумулированного в зимнее время холода. Аккумулирование происходит за счет замораживания и охлаждения льда. Энергия для этого процесса черпается из окружающего пространства, низкая температура которого обусловлена климатом данной местности. Описан режим работы схемы в различные времена года и указано, что при реализации подобной схемы, возможно повышение коэффициента полезного действия как за счет использования зимнего холода, так и за счет летнего тепла. Определены основные особенности системы и перспективы ее автоматизации и развития. Показано, что использование аккумулятора холода, заряжаемого с использованием зимнего воздуха, позволяет повысить эффективность системы отопления и кондиционирования, снизить стоимость и энергоемкость.
Ключевые слова: отопление, вентиляция, кондиционирование, аккумулятор холода, применение льда в системе кондиционирования, автономная система теплоснабжения и кондиционирования, энергоэффективность, зеленые технологии.
CLIMATIC FACTORS-BASED HEATING, VENTILATION AND AIR CONDITIONING SYSTEM
This article considers natural and climatic features of North Kazakhstan and the adjacent regions of Russia. It is shown that these territories have considerable potential of natural cold. A project of heating and ventilation system with air conditioning which uses the temperature and climatic features of the considered region. A technological scheme of flexible heating, ventilation and air conditioning is discussed. The concept includes
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 10, 2014
45
Электротехнические комплексы и системы
traditional heat energy sources (gas heater) and some non-traditional (solar water heater, heat accumulator). The main distinction of the system is that it doesn't depend on district heating. Air cooling in the conditioning system is done by accumulated in winter cold. The cold accumulates by freezing and cooling ice. The energy needed to freeze the ice is obtained from the environment, which is caused by the climate of the considered region. System's operating modes in various seasons is described and shown that it's possible to increase the system efficiency by using cold in winter and heat in summer. The main features of system and prospect of its automation and future development are discussed. It is shown that use of the cold accumulator which is "charged" by winter air can increase the heating and air conditioning system efficiency, reduce it's cost and power consumption.
Key words: heating, ventilation, cold accumulator, using ice in air conditioning, automated heating and air conditioning system, energy efficiency, green technologies.
Современные жилые и общественные здания, как, впрочем, и другие здания и сооружения значительно отличаются от таковых, какими они были еще 20-30 лет назад. Речь идет не только о планировке зданий и применяемых строительных материалах, а о степени комфорта пребывания и проживания в этих зданиях. Требуемый для комфортного проживания или работы и отдыха микроклимат в значительной степени определялся только возможностью обеспечивать вентиляцию помещений. Системы кондиционирования воздуха были редкими и были представлены в основном оконными кондиционерами [1]. А ведь именно микроклимат определяет самочувствие человека, его здоровье и работоспособность. С развитием рыночных отношений стало понятно, что климатическая техника призвана обеспечить более высокий уровень комфорта, конкурентное преимущество общественных заведений, в первую очередь развлекательных и торговых. Воздушное отопление, совмещенное с вентиляцией, создает в помещении удовлетворительный микроклимат и обеспечивает приятные условия воздушной среды. Комфортные системы кондиционирования воздуха служат для создания и автоматического поддержания температуры, относительной влажности, чистоты и скорости движения воздуха, отвечающих оптимальным санитарногигиеническим требованиям.
Внедрение систем кондиционирования воздуха привело к возрастанию энергопотребления. Учитывая то обстоятельство, что энергоемкость отечественного национального продукта и без того в три раза выше мировой, то по мере насыщения зданий отопительно-вентиляционными системами, осветительной техникой и разнообразным электробытовым оборудованием, все более очевидным становится необходимость внедрения энергосберегающих технологий [2].
С точки зрения энергосбережения важно определить, какие именно меры будут эффективны. Скажем, идея замены лампочек накаливания на энергосберегающие - замечательная. Однако в общем энергопотреблении страны затраты энергии
на освещение не превышают и 3%. В то же время немалый вклад в показатель энергопотребления вносит именно климатическая техника, которая в общественных зданиях зачастую отвечает за 70% всего энергопотребления. Требование повышения энергоэффективности производственных процессов, транспорта и жилого фонда привело к необходимости совместить принципы энергосбережения с модернизацией систем кондиционирования [3].
Особенностью применения систем вентиляции и кондиционирования воздуха в большинстве регионов России и Казахстана являются условия резко континентального климата, определяющего значительную амплитуду колебаний наружного воздуха как в течение суток, так и в продолжение года. Поэтому для повышения экономических показателей систем возникает необходимость учета резкого изменения наружных температур, влажности и ветровой нагрузки в режиме реального времени. Вместе с тем именно природно-климатические особенности регионов позволяют существенно сократить энергозатраты на системы отопления и кондиционирования воздуха.
По данным Костанайского гидрометцентра климат города резко континентальный, с жарким сухим летом и холодной малоснежной зимой.
В таблице 1 приведены средние данные за 2005-2010 годы.
Для климата характерны резкие перепады температур в течение дня; средняя скорость ветра - 3,2 м/с, преимущественно южного направления зимой и северного направления летом. При сравнении видно, что средние температуры года (таблица 2) несущественно отличаются от среднегодовых за пять лет. Это позволяет делать прогноз о стабильности температурно-климатических факторов.
Использовать особенности природно-климатической зоны России и Северного Казахстана для сохранения продуктов питания научились очень давно. Ледники и ледниковые погреба известны с незапамятных времен. Несложные подсчеты показывают, что для нагревания 1000 кг льда от температуры минус 10 градусов до температуры плюс 20
46
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
Средняя температура по месяцам за пять лет
Таблица 1
Показатель Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
Средний максимум, °C -10,1 -9,1 -2 11,3 20,6 26,7 27,1 25,4 19 10,2 -1,5 -8,1
Средняя темп.,°С -14,5 -14 -7,3 5,4 13,8 19,9 20,9 18,8 12,5 4,8 -5,5 -12,3
Средний минимум, °C -18,9 -18,6 -12 0,2 7,5 13,5 15,2 13,1 7,1 0,5 -9,1 -16,5
Средние температуры года
Таблица 2
Показатель Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
Средний максимум, °С -4,1 -0,1 2,1 23,7 26,8 29,6 33,2 34,4 34,5 22,2 6,3 0,6
Средняя темп., °С -18,8 -17,6 -8 7,2 14,1 18,2 21,2 16,7 15,8 6,6 -8,2 -15,1
Средний минимум, °С -31, -35,5 -26,1 -8,7 -0,6 5,7 8,6 5 2 -4,7 -25,5 -27,5
градусов потребуется около 440 МДж тепла.
Принцип накопления зимнего холода для использования летом и летнего тепла для использования зимой предлагается для снижения энергопотребления общественных зданий и производственных помещений. Лед для накопления холода, в частности, используется для систем кондиционирования воздуха в некоторых небоскребах США [4] или в системах охлаждения воздуха в шахтах [5]. Для повышения экономической эффективности предлагается использовать тепловые аккумуляторы, встроенные в систему отопления и кондиционирования воздуха. С учетом рекомендаций [6] и при наличии центрального газоснабжения комплексная система поддержания микроклимата в помещениях позволит отказаться от системы центрального теплоснабжения.
На рисунке на стр. 48 показана принципиальная схема отопительно-вентиляционной системы с кондиционированием воздуха.
Тепловой аккумулятор 1 представляет собой теплоизолированную емкость объемом, рассчитанным для обслуживаемого здания. Например, для 100 дней кондиционирования воздуха в здании пло-
щадью 1000 кв. м с высотой потолков 3,5 м в зоне Северного Казахстана потребуется тепловой аккумулятор объемом 250 куб. м. Аккумулятор может находиться в подвальном помещении здания 3 или может располагаться под землей вблизи него.
В последнем случае сверху теплового аккумулятора может быть устроена клумба, автостоянка и т. п. В нижней части аккумулятора находится теплообменник 2, который воздуховодом А соединен с отопительно-вентиляционной системой здания. На рисунке не показаны ребра теплообменника, расположенные по обе стороны от границы теплообменника и аккумулятора, которые увеличивают площадь теплообмена.
Принцип работы системы удобнее всего рассматривать начиная с весенне-летнего периода.
Пусть в аккумуляторе находится лед, с температурой около -10 °С. Вентилятором, установленным в блоке 5, по воздуховоду A холодный воздух из теплообменника подается в блок обработки и смешивания 5 и 6. Здесь воздух фильтруется, при необходимости дезодорируется и озонируется (для обеззараживания) и подается в помещение по каналам C через теплоизолированный от внешней
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 10, 2014
47
Электротехнические комплексы и системы
Принципиальная схема отопительно-вентиляционной системы с кондиционированием воздуха
среды газовый нагреватель. Газовый нагреватель в это время не работает. В помещении через индивидуальные распределители и регуляторы воздух поступает к рабочим местам, поддерживая температуру на необходимом уровне. Отработавший воздух нагревается, пополняется испаряемой влагой и через систему рециркуляции направляется через клапан 7 в теплообменник по воздуховодам D и E. Воздуховод М клапаном 7 перекрыт. К воздуху, поступающему по воздуховоду А в блоке 5 может примешиваться наружный воздух, поступающий по воздуховоду Н для поддержания требуемой температуры на входе воздуха в помещение.
Установленный на крыше здания солнечный коллектор обеспечивает здание горячей водой, сохраняемой в теплоизолированных емкостях в местах потребления. Влага, находящаяся в ре-циркуляционнном воздухе, при попадании в теплообменник конденсируется. По мере необходимости насос 4 удаляет конденсат в емкость теплового аккумулятора по трубе Р. Если температура наружного воздуха опускается до приемлемых 20 градусов, то клапан 5 перекрывает вход воздуха из воздуховода А и подает воздух только через вход Н.
Так продолжается до тех пор, пока температура наружного воздуха не снижается ниже 20 градусов. В это время клапанная система 9 начинает подавать теплоноситель в аккумулятор тепла по трубе L, который нагревает воду, продолжая обеспечивать здание горячей водой. В принципе это несущественно повышает экономичность системы и может не устанавливаться.
Вода в аккумуляторе нагревается за счет солнечной энергии, а воздух в помещении циркулирует по «малому кругу» С-D-M. Из рециркуляционных
воздуховодов через клапан 7 воздух по каналу М попадает в блок обработки и газовый нагреватель. При необходимости газовый нагреватель может быть включен в режиме, обеспечивающем на входе в помещение необходимую и комфортную температуру.
Когда температура наружного воздуха становится отрицательной, солнечный коллектор 8 отключается от подогрева воды в аккумуляторе тепла. Клапан 7 соединяет воздушный канал R c каналом Е, и морозный воздух улицы подается в теплообменник 2 аккумулятора тепла 1. Там он нагревается за счет тепла, накопленного солнечным водонагревателем и подается в топку газового нагревателя, увеличивая его КПД. По мере прохождения холодного воздуха через теплообменник вода в аккумуляторе остывает и по достижении температуры кристаллизации обращается в лед. Так происходит замораживание льда и запасается холод для использования в системе кондиционирования в жаркий период года. Поскольку отвод тепловой энергии осуществляется снизу, то и лед начинает намерзать со дна аккумулятора. Это исключает размораживание бака аккумулятора. Газовый нагреватель в это время работает в штатном режиме, осуществляя обогрев здания и его горячее водоснабжение совместно с солнечным коллектором.
Предлагаемая система позволит поддерживать комфортную температуру в здании в рабочее время. Такая система теплоснабжения, вентилирования и кондиционирования воздуха является очень гибкой. В нерабочее время система автоматического управления микроклиматом, например, подобная ТАС 920, может работать в режиме Sleep («Сон») - уменьшать температуру внутри здания на
48
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 10, 2014
Electrical facilities and systems
10-12 градусов и поддерживать ее на этом уровне. Ввиду того, что такая система вентиляции и отопления обладает малой инерционностью, то режим комфортного отопления может включаться за 3040 минут до начала рабочего дня. В конце рабочего дня происходит естественное охлаждение здания и только потом включается система поддерживания пониженной температуры.
Кондиционирование воздуха с применением охлаждения воздуха от льда тоже может работать в таком режиме, только с тем отличием, что температура в помещениях будет отличаться от комфортной в большую сторону. Это позволит существенно сократить расходы как на отопление здания, так и на его кондиционирование. Незначительные колебания температуры вблизи ее комфортного значения, входят в поле допустимых для растений и оргтехники, находящихся в здании.
Учитывая то, что большая часть затрат на содержание и эксплуатацию зданий представляют затраты на энергию, даже при значительных капитальных вложениях предлагаемая система будет экономически оправдана, благодаря низким удельным капиталовложениям и энергозатратам.
Список литературы
1. Ананьев В.А. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика: Учебное пособие [Текст] / В.А. Ананьев, Л.Н. Балуева, А.Д. Гальперин и др. - М.: Евроклимат, 2001. - 416 с.
2. Белова Е.М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях [Текст] / Е.М. Белова. - М.: Евроклимат, 2001. - 416 с.
3. Краснов Ю.С. Системы вентиляции и кондиционирования. Рекомендации по проектированию, испытаниям и наладке [Текст] / Ю.С. Краснов, А.П. Борисоглебская, А.В. Антипов. - М.: ТермоКул, 2004. - 373 с.
4. Wald, Matthew L. Green Blog: Storing Energy as Ice? [Electronic resourse] / Wald, L. Matthew // The New York Times. - URL: http:// www.oim.ru//green. blogs.nytimes.com /2010/01/27/storing-energy-as-ice.
5. Михайленко Т.П. Использование водяной
шуги в системах кондиционирования воздуха с промежуточным теплоносителем [Текст] / Т.П. Михайленко // Авиационно-космическая техника и технология. - 2009. - № 3 (60).
6. Внутренние санитарно-технические устройства в 3 частях. Часть 3. Книга 1. Вентиляция и кондиционирование воздуха: Справочник проектировщика [Текст] / В.Н. Богословский, А.И. Пирумов, В.Н. Посохин и др.; под ред. Н.Н. Павлова и Ю.И. Шиллера. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиз-дат, 1992.
References
1. Anan'ev V.A. Sistemy ventiljacii i kondicioni-rovanija. Teorija i praktika: Uchebnoe posobie [Tekst] / V.A. Anan'ev, L.N. Balueva, A.D. Gal'perin i dr. - M.: Evroklimat, 2001. - 416 s.
2. Belova E.M. Central'nye sistemy kondicionirovanija vozduha v zdanijah [Tekst] / E.M. Belova. - M.: Evroklimat, 2001. - 416 s.
3. Krasnov Ju.S. Sistemy ventiljacii i kondicionirovanija. Rekomendacii po proektirovaniju, ispytanijam i naladke [Tekst] / Ju.S. Krasnov, A.P. Borisoglebskaja, A.V. Antipov. - M.: TermoKul, 2004. - 373 s.
4. Wald, Matthew L. Green Blog: Storing Energy as Ice? [Electronic resourse] / Wald, L. Matthew // The New York Times. - URL: http:// www.oim.ru//green. blogs.nytimes.com /2010/01/27/storing-energy-as-ice.
5. Mihajlenko T.P. Ispol'zovanie vodjanoj shugi v sistemah kondicionirovanija vozduha s promezhutochnym teplonositelem [Tekst] / T.P. Mi-hajlenko // Aviacionno-kosmicheskaja tehnika i tehno-logija. - 2009. - № 3 (60).
6. Vnutrennie sanitarno-tehnicheskie ustrojstva v 3 chastjah. Chast' 3. Kniga 1. Ventiljacija i kondicioniro-vanie vozduha. Spravochnik proektirovshhika [Tekst] / V.N. Bogoslovskij, A.I. Pirumov, V.N. Posohin i dr.; pod red. N.N. Pavlova i Ju.I. Shillera. - 4-e izd., pererab. i dop. - M.: Strojizdat, 1992.
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 10, 2014
49
