Способ кондиционирования воздуха чистых помещений
Владельцы патента RU 2560318:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет" (RU)
Изобретение относится к способам кондиционирования воздуха чистых помещений. Способ кондиционирования воздуха чистых помещений с использованием прямоточной схемы кондиционирования характеризуется тем, что нагрев воздуха осуществляется холодильной машиной, работающей в режиме теплового насоса, в теплый период за счет охлаждения наружного воздуха до температуры ниже температуры точки росы, для осушения за счет этого до требуемого влагосодержания, при этом избыток тепла используется в системе теплоснабжения, а в холодный период - за счет тепла воздуха, удаляемого из помещения. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение энергоэффективности прямоточных систем кондиционирования воздуха чистых помещений. 2 ил.
Изобретение относится к способам кондиционирования воздуха чистых помещений.
Известен способ кондиционирования воздуха помещений [Ананьев В.А., Балуева Л.Н, Гальперин А.Д. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. - М.: «Евроклимат» изд-во «Арина», 2000. - 416 с.] с помощью канального кондиционера с рециркуляцией воздуха, позволяющий снизить энергозатраты за счет подмешивания рециркуляционного воздуха из помещения.
Недостатком известного способа является то, что для охлаждения воздуха затрачивается энергия на холодильную машину внутреннего блока и затрачивается энергия на подогрев воздуха электрическим калорифером. А также подмешивается загрязненный рециркуляционный воздух из помещения, что недопустимо для некоторых типов чистых помещений.
Известен также способ кондиционирования воздуха помещений [Ананьев В.А., Балуева Л.Н, Гальперин А.Д. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. - М.: «Евроклимат» изд-во «Арина», 2000 - 416 с.] с помощью крышного кондиционера.
Недостатком известного способа является то, что для охлаждения воздуха затрачивается энергия на холодильную машину и затрачивается энергия на подогрев воздуха электрическим калорифером или горячей водой.
Наиболее близким к предложенному, является способ прямоточного кондиционирования воздуха помещений [Штокман Е.А., Шилов В.А., Новгородский Е.Е. и др. Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха на предприятиях пищевой промышленности. АСВ, 2001. - 687 с.]. В теплый период наружный воздух охлаждается и осушается за счет затрат энергии на работу холодильной машины, а затем нагревается в калорифере за счет затрат энергии электрообогрева или горячей воды до температуры, определяемой санитарными нормами, для подачи в кондиционируемое помещение. В холодный период воздух подогревается до температуры, определяемой санитарными нормами, для подачи в кондиционируемое помещение и увлажняется.
Однако для охлаждения воздуха затрачивается энергия на холодильную машину и затрачивается энергия на подогрев воздуха электрическим калорифером или горячей водой.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение энергоэффективности прямоточных систем кондиционирования воздуха чистых помещений.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе кондиционирования воздуха чистых помещений с использованием прямоточной схемы кондиционирования согласно изобретению нагрев воздуха осуществляется холодильной машиной, работающей в режиме теплового насоса, в теплый период за счет охлаждения наружного воздуха, при этом избыток тепла используется в системе теплоснабжения, в холодный период за счет тепла воздуха, удаляемого из помещения.
На фиг. 1 и 2 представлены схема кондиционирования воздуха чистых помещений в теплый период и схема кондиционирования воздуха чистых помещений в холодный период соответственно.
Схемы включают в себя следующие элементы: 1 - компрессор холодильной машины; 2 - дроссельно-регулирующий вентиль; 3 и 4 - теплообменники; 5 - увлажнитель воздуха; 6 - вентилятор; 7 - кондиционируемое помещение; 8 - система теплоснабжения; 9 - рекуперативный теплообменник.
Способ осуществляется следующим образом.
а) Теплый период. Наружный воздух с расходом Lн, энтальпией Iн и влагосодержанием dH поступает в теплообменник 3, где охлаждается до температуры ниже температуры точки росы и осушается за счет этого до требуемого влагосодержания do. Тепло отводится холодильной машиной за счет работы компрессора 1, с затратами энергии на привод компрессора N. Пары хладагента от компрессора направляются в теплообменник 4 и рекуперативный теплообменник 9, в которых они отдают тепло, нагревая воздух до требуемой по санитарным нормам температуры и теплоноситель в системе теплоснабжения 8. Конденсат хладагента дросселируется в 2 и направляется в теплообменник 3. А нагретый воздух с энтальпией IB вентилятором 6 подается в кондиционируемое помещение 7, а затем удаляется в атмосферу.
б) Холодный период. Теплообменник 4 в холодный период отключен от контура холодильной машины. Наружный воздух с расходом Lн, энтальпией Iн и влагосодержанием dн поступает в теплообменник 3, где нагревается до температуры, требуемой по санитарным нормам, а затем адиабатно увлажняется водой с энтальпией Iw=Iп до требуемого влагосодержания dп. Тепло подводится холодильной машиной за счет работы компрессора 1, с затратами энергии на привод компрессора N. Пары хладагента от компрессора направляются в теплообменник 3, в котором они отдают тепло, нагревая воздух до требуемой по санитарным нормам температуры. Конденсат хладагента дросселируется в 2 и направляется в рекуперативный теплообменник 9. А нагретый воздух с энтальпией Iв вентилятором 6 подается в кондиционируемое помещение 7, а затем в рекуперативный теплообменник 9, после чего воздух удаляется в атмосферу либо используется в технологических процессах для охлаждения. Тепло от воздуха передается хладагенту, пары которого отсасываются из 9 компрессором 1.
В схемах предусматривается установка фильтров для очистки воздуха, которые для работы кондиционера в данном случае значения не имеют и условно не показаны.
ПРИМЕР осуществления способа.
Уравнения тепловых балансов кондиционера:
а) Теплый период.
Теплообменника 3 QTO3=Lн(Iн-Io), кВт;
Теплообменника 4 QTO4=Lн(Iп-Io), кВт;
Так как количество тепла отбираемого у воздуха в теплообменнике 3 больше, чем количество тепла, отдаваемого воздуху в теплообменнике 4, то для рекуперативного теплообменника QPT=QTO3-QTO4, кВт, где указанные величины определяются уравнениями тепловых балансов кондиционера:
а) Теплый период.
Теплообменника 3 QTO3=Lн(Iн-Iо), кВт;
Теплообменника 4 QTO4=Lн (Iп-Iо), кВт,
где IH - энтальпия наружного воздуха, определяемая его расчетной температурой. Например, для г. Ставрополя - Iн=58 кДж/кг (при температуре 25°C и относительной влажности 65%; СНиП 23-01-99(2003) Строительная климатология);
Io - энтальпия воздуха при температуре ниже температуры «точки росы». Iо=29 кДж/кг (при температуре 10°C; относительной влажности φ=100% - процесс нагрева воздуха в теплообменнике 4 до температуры приточного воздуха, точки «П»);
Iп - энтальпия приточного воздуха, принимается при температуре в рабочей зоне: +22°C (±1°C) и относительной влажности воздуха: 45% (±5%). Iп=41 кДж/кг.
Таким образом, количество тепла, выделяемого в теплообменнике 3 (Iн-Io=58-29=29 кДж/кг) примерно в 2,4 раза больше количества тепла, поглощаемого в теплообменнике 4 (Iп-Io=41-29=12 кДж/кг). При этом избыток тепла образуется в цикле теплового насоса, а не за счет рекуперации тепла воздуха, удаляемого из помещения.
Так как в предложенной схеме в теплый период энергия затрачивается на обеспечение работы компрессора мощностью N, в результате чего, помимо основной задачи (охлаждения приточного воздуха в теплообменнике 3) в теплообменнике 4 производится тепловая энергия QTO4 в то же время теплообменник 9 выступает в роли охладителя производительностью QPT.
Экономия тепловой энергии Qэ=QTO4+QPT, кВт,
б) Холодный период.
Теплообменника 3 QTО3=Lн(In-Iн), кВт;
Рекуперативного теплообменника QPT=Lн(Iв-Iy), кВт;
Так как в предложенной схеме в холодный период энергия затрачивается на обеспечение работы компрессора мощностью N, в результате чего, помимо основной задачи (нагрева приточного воздуха в теплообменнике 3) производится тепловая энергия QPT в рекуперативном теплообменнике 9.
Экономия тепловой энергии Qэ=QPT, кВт.
Например, в качестве объекта принимаем комплекс, в чистых помещениях которого проводится работа с веществами, представляющими опасность для здоровья человека (представляющими опасность бактериологического или другого типа заражения).
Все основные параметры принимаются как для операционных (включая относительную влажность воздуха, температуру внутри помещения и т.д.)
Параметры принимаются согласно СанПиН 2.1.3.1375-03, чистота воздуха рабочей зоны должна соответствовать классу ИСО5, согласно ГОСТ Р ИСО 14644-4-2002. Для чистых помещений данного класса применяется только однонаправленный поток воздуха в рабочей зоне со скоростью 0,2-0,5 м/с.
В помещениях подобного типа разрешается использовать только прямоточную систему вентиляции и кондиционирования. Рециркуляция воздуха не допускается. Воздух внутри чистого помещения (в границах рабочей зоны) должен отвечать следующим требованиям:
Температура в рабочей зоне: +22°C (±1°C);
Относительная влажность воздуха: 45% (±5%).
Применяемая система воздухораспределения в соответствии с требуемым классом чистоты: однонаправленный воздушный поток.
Скорость однонаправленного воздушного потока на выходе из высокоэффективных потолочных фильтров: 0,25-0,27 м/с.
Площадь рабочей зоны: 10,5 (3×3,5 м).
Плотность приточного воздуха (при температуре 22°C и относительной влажности 45%) - 1,12 кг/м3.
Теплопритоки от солнечной радиации и прочих внешних источников (т.е. находящихся вне чистого помещения) отсутствуют. Так как чистое помещение находится в границах «внешнего» помещения и имеет высокую степень изоляции.
Количество людей в чистом помещении: 4 чел.
Характер выполняемой работы: тяжелая работа.
Тепловыделения от одного человека: Qл-я=130 Вт/чел.
Теплопритоки (явные), включающие в себя все теплопритоки внутри помещения, за исключением теплопритоков от людей: QT=6 кВт.
Производительность по воздуху приточных и вытяжных систем вентиляции и кондиционирования определяются по условиям удаления из зоны нахождения людей вредностей, влияющих на формирование определяющих воздушных параметров. В качестве вредностей могут выступать: тепловыделения и влаговыделения.
При расчете производительности систем кондиционирования и вентиляции, следует провести расчет требуемого количества воздуха на:
- удаление теплоизбытков (характерно для жилых и общественных зданий);
- удаление вредных веществ, присутствующих в воздухе (СО2 и т.д.);
- удаление влагоизбытков;
Чистые помещения с однонаправленным потоком воздуха характеризуются высоким расходом приточного воздуха. В связи с этим определяющим фактором при расчете количества приточного воздуха выступает расчет необходимого количества воздуха для обеспечения заданного класса чистоты.
Требуемый объемный расход L для обеспечения заданного класса чистоты можно рассчитать следующим образом:
где F - площадь потолочных высокоэффективных фильтров, через которые осуществляется подача воздуха в рабочую зону чистого помещения, м2;
ν - нормируемая скорость воздуха на выходе из высокоэффективных фильтров, м/с.
Таким образом, требуемый объемный расход для рассматриваемого случая будет равен:
(для удобства расчетов принимаем 10000 м3/ч)
Определим требуемый массовый расход воздуха G для обеспечения заданного класса чистоты:
где L - объемный расход воздуха;
ρ - плотность воздуха в чистом помещении.
Массовый расход воздуха равен:
G=10000-1,12=11200, кг/ч.
Определим температурный перепад воздуха на входе и выходе из чистого помещения. Для этого выразим перепад температуры из формулы нахождения требуемого расхода воздуха на ассимиляцию теплоизбытков:
Выразим перепад температур:
где (ty-tп) - температурный перепад на выходе и входе воздуха из помещения, °C;
G - массовый расход воздуха, кг/ч;
Qя - явные теплоизбытки внутри чистого помещения, Вт;
св - теплоемкость воздуха, принимается равной 1,005 кДж/(кг·К).
где Qл-я - явные теплопритоки от людей, Вт;
QT - суммарные теплопритоки от освещения, оборудования, технологических процессов и т.д., Вт.
В рабочей зоне должна быть выдержана температура 22°С. При этом сама рабочая зона находится, как правило, на расстоянии 1-1,5 м от уровня пола чистого помещения. В результате принимаем, что температура воздуха на входе в чистое помещение (на уровне потолочных фильтров) - 21°С, а на выходе (на уровне пола) - 23°С. Таким образом обеспечивается перепад в 2°С.
Тепло- и влагоизбытки в чистом помещении зависят только от внутренних условий, которые не меняются в зависимости от сезона года.
Таким образом, общий угловой луч процесса можно определить, как:
Экономия тепловой энергии 144 кВт, при затратах электроэнергии на обеспечение работы компрессора 30,4 кВт.
При этом холодопроизводительность охладителя QTO3=113,2 кВт примерно в 2,7 раза выше теплопроизводительности теплообменника QТО4=40,9 кВт (избыток тепла, используемый в системе теплоснабжения).
Экономия тепловой энергии 93 кВт при затратах электроэнергии на обеспечение работы компрессора 24,9 кВт.
Способ кондиционирования воздуха чистых помещений с использованием прямоточной схемы кондиционирования, отличающийся тем, что нагрев воздуха осуществляется холодильной машиной, работающей в режиме теплового насоса, в теплый период за счет охлаждения наружного воздуха до температуры ниже температуры точки росы, для осушения за счет этого до требуемого влагосодержания, при этом избыток тепла используется в системе теплоснабжения, а в холодный период - за счет тепла воздуха, удаляемого из помещения.
