CC BY
11УДК 62
А.М. Ильюшенко
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 темпера-турно-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.
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 санитарно-гигиеническим 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].
© Ильюшенко А.М., 2020.
Научный руководитель: Шеногин Михаил Викторович - кандидат технических наук, доцент, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
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 градусов потребуется около 440 МДж тепла.
Таблица 1
Средняя температура по месяцам за пять лет_
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, -26,1 -8,7 -0,6 5,7 8,6 5 2 -4,7 -25,5 -27,5
Таблица 2
Средние температуры года _____
Показатель Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
Средний максимум, °С -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, °С -18,9 -18,6 -12 0,2 7,5 13,5 15,2 13,1 7,1 0,5 -9,1 -16,5
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 площадью 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 отопи-тельно-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 А 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 С через теплоизолированный от внешней 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 Б и Е. 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 рециркуляционнном 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.
Рис. 1. Принципиальная схема отопительно-вентиляционной системы с кондиционированием воздуха
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 Ь, 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-Б-М. 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 Я с 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 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 30- 40 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.
Библиографический список
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.: Евро-климат, 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.: Стройиздат, 1992.
ИЛЬЮШЕНКО АНДРЕЙ МИХАЙЛОВИЧ - магистрант, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
