Сущность и назначение рециркуляции
Как правило, для зрительных залов расчетный воздухообмен (РВО) по теплому периоду получается существенно больше, чем по холодному (ХП) и переходному (ПП) периодам. Причиной этого является достаточно малая разница температур приточного и удаляемого воздуха в летний период, так как согласно нормам внутренняя температура может быть всего на 3 градуса выше температуры наружного воздуха. Существенному повышению температуры удаляемого воздуха препятствует малое значение градиента температуры, вызванное низкой температурой источников теплоты (люди) и подача воздуха в верхнюю зону, способствующая перемешиванию воздуха в помещении и выравниванию температуры по высоте.
В этих условиях при проектировании системы, работающей с постоянной производительностью все периоды года, в ХП и ПП приходится подавать значительное избыточное количество приточного воздуха. Если брать весь приточный воздух из атмосферы при низкой температуре, то существенно возрастают затраты энергии на нагрев воздуха. Потребное же количество воздуха, как правило, существенно меньше, и определяется воздухообменом по углекислому газу или по санитарной норме.
Чтобы избежать излишнего расхода энергии на нагрев воздуха, применяют рециркуляциювнутреннего воздуха. Рециркуляция воздуха – это повторное использование отработанного внутреннего воздуха. Рециркуляция производится в основном с целью экономии тепловой энергии в холодный и переходный периоды года, так как при этом приходится нагревать не весь приточный воздух, а только наружный воздух, необходимый для дыхания людей. Кроме того, использование рециркуляции позволяет стабилизировать режим распределения воздуха в помещении, так как система работает при постоянном расходе, и скорости приточных струй имеют постоянное значение во все периоды года.
Следует подчеркнуть, что рециркуляция не является обязательной. Существуют системы с переменным расходом воздуха, подающие только наружный воздух, требуемое количество которого определяется по сигналам датчика углекислого газа или влажности. Чаще всего это системы кондиционирования специальных помещений, позволяющие за счет охлаждения получить низкие температуры приточного воздуха в летний период, и тем самым существенно сократить требуемый воздухообмен по тепловым избыткам.
Для вентиляции же общественных зданий использование рециркуляции является почти обязательным. Рассмотрим основные соотношения.
При температуре внутреннего воздуха 25°С (летний режим) человек выделяет примерно 60 Вт явной теплоты и примерно 50 г/час влаги. Выделение полной теплоты составляет 95 Вт. Если пренебречь другими источниками теплоты, то значение углового коэффициента луча процесса в помещении будет
ε = 3600 · 95 /50 =6840 кДж/кг
Такое значение луча процесса говорит о том, что количества явного и скрытого тепла соизмеримы, однако явное тепло больше скрытого.
Примем разницу температур приточного и удаляемого воздуха 5°С. Тогда требуемый удельный воздухообмен на одного человека по явному теплу будет
G = 3,6 · 60 /5 = 42 кг/час
Минимально требуемый воздухообмен на одного человека по санитарной норме равен 20 м3/час, или
G = 1,2 · 20 = 24 кг/час
Таким образом, расчетный воздухообмен по теплому периоду примерно в 2 раза больше минимально необходимого по наружному воздуху.
Чтобы можно было подавать только наружный воздух, необходимо иметь разницу температур приточного и удаляемого воздуха 9-10 °С, что достижимо в теплый период только при использовании охлаждения наружного воздуха и требует перехода к системе кондиционирования.
Для холодного и переходного периодов расчетная температура составляет 18 – 20°С. При такой температуре один человек в состоянии покоя выделяет около 100 Вт явной теплоты и около 40 г/час влаги. Выделение полной теплоты составляет 120 Вт. При отсутствии других источников теплоты значение углового коэффициента луча процесса в помещении будет
ε = 3600 · 120 /40 =108000 кДж/кг
Такое значение луча процесса говорит о том, что в эти периоды количества явного тепла существенно больше скрытого, и луч процесса идет почти вертикально. Таким образом, в холодный период основной вредностью является явное тепло, а влагой можно пренебречь.
Учитывая низкую температуру наружного воздуха, можно существенно понизить и температуру приточного воздуха, однако слишком низкая температура при неудачном распределении воздуха может вызвать локальное переохлаждение отдельных зон помещения и ощущение холодного сквозняка у людей. Практика показывает, что в зрительных залах можно довести разницу температур приточного и удаляемого воздуха до 8 – 10°С. Тогда требуемый удельный воздухообмен на одного человека по явному теплу будет при
G = 3,6 · 100 /8 = 45 кг/час; G = 3,6 · 100 /10 = 36 кг/час
Как видно, требуемый воздухообмен по тепловым избыткам имеет примерно то же значение, что и летом. Причиной этого является увеличение выделения явного тепла человеком при более низкой температуре внутреннего воздуха.
Минимально требуемый воздухообмен на одного человека по санитарной норме останется тем же – 24 кг/час.
Таким образом, даже для холодного и переходного периодов года трудно обеспечить работу только на наружном воздухе. Кроме того, снижение производительности системы допустимо только в том случае, если схема распределения воздуха позволяет при этом обеспечить необходимую подвижность в рабочей зоне.
Вышеприведенные соображения подводят нас к выводу о необходимости использования рециркуляции воздуха в большинстве общественных зданий.
Отметим попутно, что для различных офисных и конторских помещений, в отличие от зрительных залов и им подобных помещений, характерно относительно небольшое количество людей. Поэтому требуемый воздухообмен по санитарной норме для таких помещений небольшой. А воздухообмен по явному теплу оказывается существенно больше, так как к тепловыделениям человека добавляются поступления тепла от компьютеров и освещения, а летом существенную долю составляют теплопоступления от солнечной радиации, ввиду большой удельной площади остекления.
Схемы рециркуляции
При проектировании систем с рециркуляцией следует четко представлять, что рециркулирующий воздух не может удалить вредности из помещения. При этом не имеет значения, в какую точку системы он подмешивается. В любом случае рециркуляция представляет перемешивание внутреннего воздуха, при котором он условно поступает в помещение с той же концентрацией и температурой, с какой удалялся из помещения. Удалить вредности может только наружный воздух. Однако, если бы подавался только наружный воздух в том же количестве, то для удаления тепловых избытков его бы пришлось подавать с очень низкой температурой, что недопустимо для обеспечения комфорта людей. Подмешивание же внутреннего воздуха к приточному позволяет увеличить его количество приточного воздуха, не затрачивая энергию на нагрев и подавая его в помещение с приемлемой температурой.
Так как угловой коэффициент луча процесса в помещении определяется только соотношением полного избыточного тепла и влаги, он не может измениться от того, есть рециркуляция или нет. Рециркуляция не изменяет угловой коэффициент луча процесса в помещении.
На рисунке 8.1 приведены различные варианты осуществления рециркуляции.
а) Схема с рециркуляцией воздуха непосредственно внутри помещения потолочным вентилятором
| Gу |
| tу= 22 °С |
| tв= 20 °С |
| Qя |
| Gн |
| tн = 5°С |
б) Схема с рециркуляцией воздуха через потолочный канал
| Gн |
| Qя |
| tн = 5°С |
| Gу |
| tу= 22 °С |
| tв= 20 °С |
в) Схема с рециркуляцией воздуха через потолочный канал и подмешиванием наружного воздуха
| Gн |
| Qя |
| tн = 5°С |
| Gу |
| tу= 22 °С |
| tв= 20 °С |
| tп = 15°С |
г) Схема с рециркуляцией через центральную приточную установку
| Gр |
| Gу |
| tр= 22 °С |
| tу= 22 °С |
| tв= 20 °С |
| Gн |
| Gп |
| tн = 5°С |
| tп = 15°С |
| Qя |
| Приточная установка |
Рис. 8.1. Варианты рециркуляции воздуха
Рециркуляция потолочным вентилятором по схеме а осуществляется непосредственно в объеме помещения. Изменить параметры притока наружного воздуха она не может, если в конструкции нет теплообменника. Такая схема без теплообменника применяется в некоторых помещениях (магазины, кафе, административные помещения) только для увеличения подвижности в рабочей зоне. Собственно рециркуляцией этот вариант обычно и не считается. Температура притока наружного воздуха при этом очень низкая из-за необходимости подавить тепловые избытки в помещении.
Если же к вентилятору конструктивно присоединен теплообменник, то их совокупность, выполненная отдельным блоком, называется вентиляторным доводчиком, фенкойлом или фанкойлом (от английских слов fan – вентилятор, и coil –змеевик, нагреватель). Теплообменник может обеспечивать охлаждение или нагрев рециркулирующего воздуха для подавления тепловых избытков или недостатков в помещении, а наружный воздух подается без обработки или обрабатывается и подается отдельно со своими индивидуальными параметрами. При этом газовые вредности может удалить только наружный воздух. В кондиционировании системы с фенкойлами используются достаточно широко, в вентиляции значительно реже из-за того, что фенкойл не выполняет вентиляцию помещений, а изменяет лишь влияет лишь на температуру внутреннего воздуха.
Рециркуляция через потолочный канал по схеме б осуществляется чаще. Ее преимуществом является небольшая длина воздуховодов. В канале часто устанавливается теплообменник для нагрева или охлаждения воздуха, а также вентилятор для побуждения движения воздуха . Их совокупность, выполненная отдельным блоком, называется вентиляторным доводчиком, или фенкойлом, фанкойлом (от английских слов fan – вентилятор, и coil –змеевик, нагреватель). Такая схема типична для кондиционеров с канальным внутренним блоком. Изменить параметры притока она тоже не может, так как рециркуляционный воздух циркулирует отдельно от приточного. Такая схема широко применяется в помещениях малого и среднего объема. Выбрав правильно количество рециркулирующего воздуха, можно обеспечить требуемую его температуру при выпуске в помещение.
Температура притока наружного воздуха при этом варианте также очень низкая из-за необходимости подавить тепловые избытки в помещении только наружным воздухом, если нет теплообменника в рециркуляционном воздуховоде. Если же он есть, то он обеспечивает охлаждение рециркулирующего воздуха для подавления тепловых избытков, а наружный воздух подается без обработки или обрабатывается и подается отдельно со своими индивидуальными параметрами. При этом газовые вредности может удалить только наружный воздух.
Обычно конструкция фенкойлов и внутренних блоков сплит-кондиционеров предусматривает возможность подмешивания части наружного воздуха, и тогда получается схема в. Ее преимуществом является то, что воздух подается в помещение через одну систему воздухораспределителей, и его температура на притоке соответствует требованиям норм. Такие схемы нашли широкое распространение в установках кондиционирования воздуха.
Для больших помещений, типа зрительных залов, системы с фенкойлами не применяются, так как это относительно простые установки, не имеющие специальной камеры смешивания, клапанов, устройств утилизации теплоты и соответвующей автоматики. Кроме того, мощности фенкойлов ограничены и часто недостаточны для обслуживания очень крупных помещений. Их вентиляторы развивают небольшие давления, что позволяет получить более низкий уровень шума, однако не позволяет преодолевать сопротивление протяженных воздуховодов и дополнительных устройств.
Поэтому вентиляцию таких помещений осуществляют, как правило, при помощи достаточно крупных центральных установок, которые могут включать любой состав оборудования. Рециркуляцию при этом осуществляют через основную установку по схеме г. Это позволяет очень гибко управлять установкой и обеспечивать наиболее экономичные режимы эксплуатации, управляя в оптимальном режиме всеми устройствами.