Энергосбережение при выборе основных параметров, принципиальных схем и режимов работы СКВ

Выбор рабочей разности температур воздуха в помещении и приточного кондиционированного воздуха. Рабочая разность температур:

Дt_p = t_вн? t_пр

оказывает исключительно большое влияние на воздухопроизводительность СКВ и всех ее элементов и, в конечном счете, — на капитальные, энергетические и эксплуатационные затраты. Выбор значения рабочей разности температур, с одной стороны, определяется необходимостью поддержания заданной температуры воздуха в зоне пребывания людей, а с другой стороны — энергетическими соображениями, поскольку со снижением температуры приточного воздуха возрастает расход энергии на его охлаждение холодильными машинами.

Непосредственной аналитической связи между Дt_p и затратами энергии холодильной машиной не существует. Для парокомпрессионной холодильной машины, работающей на хладагенте R-12, авторами получено эмпирическое уравнение.

где Q_x — холодопроизводительность, кВт; з_и, з_м — индикаторный и механический КПД машины.

Формулой (13.1) можно пользоваться при расчетах потребления энергии и при выполнении сравнительных технико-экономических расчетов по выбору рабочей разности температур. Данные одного из расчетов приведены в табл. 13.1.

Выбор перепадов температур воды в испарителях и конденсаторах холодильных машин. От значения перепадов температур воды в испарителях Дt_и и конденсаторах Дt_к зависит потребление энергии, причем оно тем больше, чем больше перепад температур в испарителе и чем меньше в конденсаторе. Кроме того, потребление энергии зависит и от абсолютных значений температур охлаждаемой в испарителе и охлаждающей конденсаторы воды.

Увеличение перепада температур воды в испарителе позволяет уменьшить площадь сечения и стоимость холодопроводов, но вызывает дополнительные затраты на теплоизоляцию. Таким образом, выбор Дt_и — оптимизационная задача, решаемая на основе системного подхода с обязательным учетом необходимости удовлетворения требований к температуре и влагосодержанию охлаждаемого воздуха.

Использование холода наружного воздуха для ассимиляции теплоизбытков в кондиционируемых помещениях. В переходный период года можно использовать «холодосодержание» наружного воздуха, т. е. его пониженную температуру против температуры внутреннего воздуха, для ассимиляции теплоизбытков в помещениях при неработающей холодильной машине. Для этого применяют следующие способы: непосредственную подачу возрастающего объема наружного воздуха в воздухоприготовительные устройства при одновременном уменьшении объема рециркуляционного воздуха; перевод холодильной машины на работу в режиме двухфазного гравитационного термосифона (для этого конденсатор должен быть расположен на более высокой отметке, чем испаритель); использование воды, охлаждаемой в градирне; охлаждение вторичной воды, питающей доводчики СКВ, в воздухоподогревателе центрального кондиционера (рис. 13.3).

Рис. 13.3. Использование центрального воздухонагревателя в качестве водоохладителя в режиме свободного охлаждения 1 — воздушный фильтр; 2 — нагреватель первого подогрева; 3 — центральный воздухонагреватель-водоохладитель; 4 — нагреватель второго подогрева; 5 — приточный вентилятор с электродвигателем; 6 — трехходовые клапаны; 7 — обратные клапаны; 8 — насосы с электродвигателями; 9 — холодильная машина; 10 — доводчики.

Последний способ иногда называют свободным охлаждением. К нему можно прибегать и при низкой температуре вводимого наружного воздуха, если предварительно нагреть его до 5−7°С. Тепловой расчет воздухонагревателя, используемого в качестве водоохладителя, принципиально ничем не отличается от расчета воздухонагревателей, рассмотренного в главе 7.

Количественное регулирование холодильных машин. В период охлаждения холодильные установки на максимальной расчетной мощности работают непродолжительное время, поэтому целесообразно предусматривать их количественное регулирование изменением частоты вращения, применением направляющих аппаратов в центробежных компрессорах, выключением отдельных цилиндров в поршневых машинах, ступенчатым выключением машин различной мощности Перепуск хладагента со стороны нагнетания на сторону всасывания, позволяет регулировать холодопроизводительность, но не дает экономии энергии.

Количественное регулирование СКВ и насосных установок форсуночных камер. Количественное регулирование СКВ представляет собой тему специального исследования, поэтому здесь не рассматривается. Ограничимся указанием на то, что при проектировании СКВ с количественным регулированием допустимые пределы изменения объема вводимого воздуха следует принимать с учетом сохранения принятого распределения воздуха в помещениях и эффективности тепло-и массообмена в воздухоприготовительных установках и в отдельных тепломассообменных аппаратах. В зависимости от конструктивных особенностей форсунок можно в определенных пределах регулировать параметры обрабатываемого воздуха изменением давления воды перед форсунками. Экономию энергии в подобных случаях подсчитывают с учетом характеристик насосных агрегатов. Иногда может оказаться, что при дросселировании расхода воды после насосов никакой экономии энергии не будет. Действительная экономия энергии достигается при плавном или ступенчатом регулировании насосов с помощью электрических или гидравлических муфт, вентильных устройств или многоскоростных электродвигателей.

Сведение к минимуму расхода тепла на второй подогрев воздуха. Подогрев воздуха после охладителей (так называемый второй подогрев) применяют для регулирования температуры воздуха в помещениях. В настоящее время необходимость во втором подогреве существует только в помещениях со значительными влаговыделениями и относительно малыми теплоизбытками. Во всех остальных случаях следует по возможности исключать второй подогрев, поскольку вносимое при нем тепло в конечном счете ложится нагрузкой на холодильную машину и частично парализует эффект охлаждения, достигнутый в охладителе.

При регулировании температуры в помещениях воздействием на воздухонагреватель второго подогрева следует стремиться к тому, чтобы второй подогрев производился по возможности только в переходный период при малых теплоизбытках и значительных влаговыделениях в помещениях. Тогда в летнем расчетном режиме количество тепла, расходуемого на второй подогрев, равно нулю и холодопроизводительность системы не увеличивается. Если же второй подогрев работает в летнем расчетном режиме, то расходуемое им тепло является холодильной нагрузкой на центр приготовления воздуха и систему холодоснабжения. Соответственно возрастают и объемы кондиционированного воздуха (поскольку в задачу СКВ входит ассимиляция не только теплоизбытков, но и тепла, вносимого нагревателем второго подогрева) и капитальные, эксплуатационные и энергетические затраты.

Второй подогрев можно производить с помощью воздухонагревателей, установленных в прямом проходе или в обводном воздушном канале кондиционера, пропуском по обводному каналу теплого рециркуляционного или наружного воздуха и утилизацией теплоизбытков помещений или тепла наружного воздуха [5] в теплообменниках. В автономных кондиционерах возможны использование теплой конденсаторной воды и применение части площади поверхности воздушного конденсатора в качестве воздухонагревателя или специального воздушного конденсатора, комбинируемого с водяным конденсатором.

Нагреватель, установленный в обводном канале, во всех случаях выполняет функции нагревателя второго подогрева. Энергетический эффект такой установки состоит в том, что благодаря параллельному расположению нагревателя и охладителя, с одной стороны, снижается сопротивление кондиционера проходу воздуха, а с другой — легче уравнивается сопротивление обводного канала с общим аэродинамическим сопротивлением остальных элементов кондиционера.

Применять в летнее время воздухонагреватели второго подогрева при теплоснабжении от местной котельной часто неудобно, так как приходится специально топить котлы, используя их на неполной нагрузке и с малым КПД, т. е. с некоторым перерасходом топлива. Если же теплоснабжение осуществляется от ТЭЦ, то применение второго подогрева не вызывает особых эксплуатационных неудобств, но часто связано с перерасходом энергии на приготовление холода в СКВ.

Утилизация тепла воды от конденсаторов холодильных машин приводит к увеличению площади поверхности подогревателя, но позволяет отказаться от снабжения теплом из внешних источников (котельной, ТЭЦ). При этом стоимость эксплуатации, естественно, ниже, так как конденсаторная вода представляет собой «тепловой отход» .

Если на поверхности ограждений не будет выпадать конденсат из внутреннего воздуха, то целесообразно использовать теплоизбытки помещения для второго подогрева с помощью охлаждаемых водой систем радиационного или панельного (стенного) охлаждения (рис. 13.4). Наибольший эффект получается при предварительном пропускании отепленной воды через водяной конденсатор холодильной машины, т. е. при ее работе в цикле теплового насоса. При необходимости часть воды может быть направлена на горячее водоснабжение. Таким образом, имеется возможность сочетать в одной системе функции отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения. Как видно из изложенного, при комбинировании различных систем возможна существенная экономия энергии. Схема, показанная на рис. 13.4, весьма подходит, например, для использования в подземных производственных помещениях с теплоизбытками.

Рис. 13.4. Утилизация теплоизбытков помещения для подогрева воздуха: 1 — воздухоохладитель; 2 — нагреватель второго подогрева; 3 — вентилятор с электродвигателем; 4 — панель радиационного охлаждения; 5 — насос с электродвигателем.

Комбинированное применение систем радиационного или панельного охлаждения с СКВ ведет к уменьшению воздухо-производительности последней, к уменьшению размеров и мощности кондиционеров, к снижению всех видов затрат на СКВ. Экономия энергии достигается благодаря использованию теплоизбытков и снижению расхода мощности на перемещение воздуха, а также вследствие того, что перемещение по трубам воды, обладающей значительно большей теплоемкостью и большей плотностью, сопряжено с гораздо меньшими затратами энергии, чем перемещение воздуха по каналам СКВ.

На рис. 13.5 показана схема установки воздушных конденсаторов холодильных машин в качестве нагревателей второго подогрева. По этой схеме воздушный конденсатор представляет собой первую ступень конденсатора холодильной машины и питается хладагентом, имеющим наивысшую температуру.

Рис. 13.5. Использование воздушных конденсаторов для второго подогрева: 1 — холодильный компрессор с электродвигателем; 2 — воздухоохладитель; 3, 4 — конденсаторы соответственновоздушного и водяного охлаждения; 5 — терморегулирующий вентиль.

Теплопроизводительность воздушного конденсатора регулируют с помощью спаренных воздушных клапанов. При отсутствии клапанов, как правило, воздух перегревается, и холодильная машина работает в неблагоприятном или даже опасном режиме.

Уменьшение потребления энергии при устройстве комбинированных систем. В дополнение к рассмотренным в предыдущем разделе комбинированным системам следует указать на целесообразность использования СКВ совместно с системами водяного отопления, с охлаждаемыми водой местными рециркуляционными воздушными агрегатами, с системами местного доувлажнения или агрегатами, подающими перенасыщенный влагой воздух. При этих комбинациях удается существенно снизить нагрузки на воздушные системы, уменьшить их производительность, а следовательно, и общие расходы энергии на перемещение воздуха и теплохолодоносителя.

Уменьшение потребления энергии в результате локализации притока и вытяжки. Обслуживание ограниченных зон и объемов помещений путем устройства воздушных оазисов, воздушного душирования, локализации притока (направления воздушных струй непосредственно на людей, например, путем подачи воздуха через спинки кресел в зрительных залах или через столешницы пюпитров в лекционных залах) позволяет не учитывать в расчетах теплоизбытки в зонах, расположенных выше обслуживаемой СКВ зоны, и тем самым сокращать общие воздухообмены и затраты энергии на приготовление и перемещение воздуха. Конкретные показатели СКВ для подобных случаев устанавливаются при проектировании.

Снижение расхода энергии при регулировании СКВ по методу оптимальных режимов. По существу, как показал А. А. Рымкевич [7], метод оптимальных режимов правильнее называть методом регулирования по минимальным неизбежным расходам. При использовании этого метода удается исключить одновременное осуществление таких взаимно противоположных процессов, как охлаждение, осушение и последующий второй подогрев. Достигаемая экономия энергии по сравнению с традиционным регулированием по методу точки росы, для частных случаев подсчитанная А. Я. Креслинем, приведена в табл. 13.3. Данные табл. 13.3 показывают, что экономия тепла и холода может быть весьма значительной. Поэтому при наличии соответствующих средств автоматического регулирования следует по возможности регулировать СКВ не по методу точки росы, а по методу оптимальных режимов.

Таблица 13.3. Удельные годовые расходы тепла и холода при регулировании различными методами.

Выбор расчетных аэродинамических потерь в СКВ. Повышение скорости движения воздуха и расчетных потерь давления в СКВ позволяет экономить на затратах площади под воздуховоды. Правда, при этом перерасходуется электрическая энергия и некоторая ее часть переходит в тепло, которое ложится нагрузкой на холодильные машины. Поэтому выбор экономически выгодных скоростей движения воздуха и расчетных потерь давления представляет собой оптимизационную задачу. Следует заметить, что с возрастанием отпускных цен на электрическую энергию и увеличением стоимости топлива оптимальные скорости и оптимальные потери давления имеют тенденцию к снижению, поэтому в технико-экономических расчетах должны приниматься во внимание перспективы изменения стоимостей энергии и материалов на определенный промежуток времени существования СКВ. Теплота трения воздуха в каналах на каждую 1000 Па потерь давления ориентировочно повышает холодильную нагрузку на 10−16%. Эти данные необходимо иметь в виду и при выборе оптимальных радиусов действия СКВ.

Теплоизоляция кондиционеров и воздуховодов. Теплоизоляция кондиционеров и воздуховодов необходима для исключения бесполезных потерь тепла и холода, обеспечения поддержания требуемых параметров воздуха в помещениях и устранения выпадения конденсата на холодных поверхностях. Тепловые расчеты толщины теплоизоляции выполняются по формулам, которые имеются в справочных руководствах по теплопередаче. Особенность расчета состоит в том, что теплоотдача воздуховодов и кондиционеров в окружающую среду происходит в условиях естественной конвекции.

Возможная экономия тепла и холода при качественно выполненной тепловой изоляции достигает 10−15%.

Уменьшение утечек и подсосов воздуха через неплотности воздуховодов. Уменьшение утечек и подсосов воздуха с 10 до 5% при всех прочих равных условиях позволяет снизить затраты энергии только на перемещение воздуха вентиляторами на 9−10%. Снижение утечек и подсосов может быть достигнуто улучшением конструкций воздуховодов, качества их изготовления, транспортирования и монтажа, герметизацией соединений.

Ограничение затрат электроэнергии на нагрев воздуха. Электрическая энергия — наиболее работоспособный (эксергетически ценный) вид энергии, поэтому, как правило, ее не следует использовать для прямого подогрева воздуха в СКВ. Исключение составляют случаи технологического кондиционирования воздуха с высокой точностью, расположения воздухоприготовительных центров на большой высоте или на большой глубине (телевизионные башни, глубокие шахты), применения СКВ с повышенными требованиями к надежности работы в экстремальных условиях при необходимости резервирования других источников энергии.

В этой связи для перемещения воздуха необходимо применять вентиляторы с высокими коэффициентами полезного действия и комбинированные вентиляторно-утилизационные устройства с возможно более высокими аэродинамическими КПД. В противном случае вентиляторы и вентиляторы-утилизаторы перерабатывают эксергетически ценную электроэнергию в сравнительно малоценное низкопотенциальное тепло, что нерационально во всех отношениях.

Снижение расхода энергии путем централизации холодоснабжения. Применение центральных систем холодоснабжения сопряжено с повышенными затратами на трубопроводы, теплоизоляцию и перемещение холодоносителя. Однако этим системам свойственно уменьшение потребляемой ими энергии. Это объясняется возможностью введения коэффициента одновременности холодопотребления системами различных присоединенных к холодильной станции зданий. Значение коэффициента одновременности зависит от вида, назначения, режима работы и числа СКВ. Оно может быть равным 0.5−0.7.

Расчеты для конкретных случаев показали, что эксплуатационные затраты на централизованные системы холодоснабжения снижаются с увеличением их мощности и при коэффициенте одновременности 0.75 на 30−50% меньше, чем для децентрализованных систем.

Экономия воды в СКВ. Стоимость воды в большинстве районов Союза невелика, что не стимулирует ее экономию. Между тем на очистку и транспортирование воды затрачиваются большие количества материалов и энергии (до 1 кВт· ч? м³). Поэтому экономия воды — составная часть экономии энергии. Особую остроту экономия воды приобретает в ряде районов Средней Азии и Прикаспии.

Экономить воду в СКВ можно применением оборотного водоснабжения конденсаторов автономных кондиционеров и использованием конденсаторов воздушного и воздушно-испарительного охлаждения, а также комбинированных конденсаторов, состоящих из воздушного конденсатора, работающего большую часть года, и пикового конденсатора водяного охлаждения, работающего на оборотной воде только в особо жаркие дни и часы. энергосбережение кондиционирование солнечная тепловой Освоение холодильных машин с такими конденсаторами — одна из задач промышленности холодильного машиностроения.