Система кондиционирования воздуха - RU2280214C2
Код документа: RU2280214C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к системе кондиционирования воздуха. Для современных зданий характерно наличие больших остекленных поверхностей и находящихся под воздействием внутренних и наружных источников тепла помещений, температура в которых может меняться в достаточно широких пределах. Такие изменения температуры требуют использования систем локального регулирования температуры, очистки воздуха и создания комфортных условий работы даже в помещениях с высокой концентрацией оборудования и обслуживающего персонала. Внутренние источники тепла составляют существенную долю нагрузки, которая ложится на системы охлаждения или обогрева помещений. Основным внутренним источником тепла является электротехническое и электронное оборудование, а также осветительные приборы большой мощности.
Необходимость локального регулирования климата возникает и на больших открытых участках с различным оборудованием, которое должно работать в разных температурных условиях. Все более распространенной становится ситуация, когда в одном и том же помещении находятся люди и оборудование, которые должны работать в разных температурных условиях, которые помимо этого должны изменяться со сменой времен года. Помещения, в которых находится высокотехнологичное оборудование, например компьютеры, или которые предназначены для достаточно сложных работ, например диспетчерские пункты, обычно требуют кондиционирования воздуха даже зимой, поскольку количество излучаемого оборудованием тепла превышает уровень естественного охлаждения. Именно этими причинами и определяется необходимость в создании предназначенной для отопления и кондиционирования воздуха системы, которая могла бы эффективно регулировать климатические условия в помещении и была бы достаточно гибкой для того, чтобы ее можно было использовать для работы в различных зонах и в разное время года. Для регулирования климатических условий в различных зонах обычно используют независимые системы с комплексом соответствующих средств управления и регулирования, в том числе микропроцессорными устройствами. В состав таких систем обычно входят отдельные предназначенные для обогрева и охлаждения устройства, работающие независимо друг от друга с большим расходом энергии.
Кроме того, особенностью современных зданий является возможность их перепланировки и изменения назначения помещений. В течение срока эксплуатации здания такие перепланировки могут производиться многократно, поэтому очень важно, чтобы системы кондиционирования воздуха можно было достаточно просто адаптировать к таким изменениям.
В заявке ЕР-А-0281762 описана система кондиционирования воздуха, содержащая множество кондиционеров, установленных на разных этажах здания, и тепловые трубы самотечного типа, предназначенные для эффективного переноса тепла. Трубы охлаждения соединяют испарители кондиционеров с находящимся в резервуаре со льдом конденсатором. Трубы подогрева соединяют конденсаторы кондиционеров с находящимся в резервуаре с горячей водой испарителем. Работающий в режиме теплового насоса холодильник со льдом и подогреватель воды соединены соответственно с резервуаром со льдом и с баком с горячей водой. Предложенная в этой заявке система кондиционирования воздуха с тепловыми трубами должна иметь сложную систему управления, в частности, с элементами контроля уровня легко испаряющегося теплоносителя в тепловых трубах и абсолютно не приспособлена к перепланировкам здания и изменению назначения имеющихся в нем помещений.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать гибкую и энергосберегающую систему кондиционирования воздуха, предназначенную для использования в зданиях с локальным регулированием температуры и одновременным обогревом одних помещений и охлаждением других помещений.
Эта задача решается с помощью предлагаемой в изобретении системы кондиционирования воздуха.
Предлагаемая в настоящем изобретении система кондиционирования воздуха в зданиях содержит контур распределения горячей воды, контур распределения холодной воды и множество локальных кондиционеров. По меньшей мере один из локальных кондиционеров содержит вентилятор для подачи воздуха в помещение здания и соединенный с контуром распределения горячей воды змеевик подогрева. Кроме того, по меньшей мере один из локальных кондиционеров содержит вентилятор для подачи воздуха в помещение здания и соединенный с контуром распределения холодной воды змеевик охлаждения. В частном и предпочтительном варианте системы вышеупомянутые вентилятор для подачи воздуха в помещение здания, змеевик подогрева, соединенный с контуром распределения горячей воды, и змеевик охлаждения, соединенный с контуром распределения холодной воды, имеются в каждом кондиционере. Предлагаемая в изобретении система также снабжена по меньшей мере одной системой контроля температуры окружающей среды, предназначенной для регулирования тепловой мощности змеевиков подогрева и охлаждающей способности змеевиков охлаждения.
Важной особенностью настоящего изобретения является наличие в предлагаемой в нем системе кондиционирования системы регулирования потребления тепловой энергии, содержащей работающее в режиме теплового насоса устройство для охлаждения/нагрева или теплонаносную установку, передающую тепловую энергию из контура распределения холодной воды в контур распределения горячей воды.
В предпочтительном варианте изобретения теплонасосная установка передает тепловую энергию из контура распределения холодной воды в атмосферу, а из атмосферы - в контур распределения горячей воды. Система регулирования потребления тепловой энергии позволяет регулировать передачу тепловой энергии, поддерживая заданный температурный уровень в контурах распределения горячей и холодной воды, и оптимизировать расход энергии, при этом под оптимизацией расхода энергии подразумевается, например, минимизация общего расхода первичной энергии (электрической и тепловой, в дальнейшем - просто энергии) или минимизация общей стоимости энергии, расходуемой системой кондиционирования воздуха.
С целью дополнительного снижения потребления энергии в состав предлагаемой в изобретении системы может быть включен теплообменник, осуществляющий теплообмен между водой и воздухом и передающий тепловую энергию из контура распределения холодной воды в атмосферу. В таком теплообменнике тепловая энергия из контура распределения холодной воды путем естественного охлаждения передается в атмосферу.
Для оптимизации процесса получения необходимой для охлаждения энергии может быть предусмотрен специальный буферный бак системы охлаждения, который система регулирования потребления тепловой энергии может охлаждать, отбирая из него тепловую энергию, и нагревать, передавая в него тепловую энергию из контура распределения холодной воды. Такой буферный бак позволяет кратковременно накапливать избыток энергии, необходимой для охлаждения, или, с другой стороны, независимо от существующей в данный момент потребности в охлаждении заблаговременно вырабатывать необходимую для охлаждения энергию в наиболее благоприятных для охлаждения условиях.
Для оптимизации процесса получения энергии, необходимой для подогрева, также может быть предусмотрен специальный буферный бак системы подогрева, который система регулирования потребления тепловой энергии может нагревать, подавая в него тепловую энергию, и охлаждать, передавая из него тепловую энергию в контур распределения горячей воды. Аналогично буферному баку системы охлаждения этот буферный бак позволяет кратковременно накапливать избыток энергии, необходимой для подогрева, или, с другой стороны, независимо от существующей в данный момент потребности в подогреве заблаговременно вырабатывать необходимую для подогрева энергию в наиболее благоприятных для подогрева условиях.
Для успешной работы в условиях максимального потребления энергии, необходимой для подогрева, предназначен теплогенератор, который передает вырабатываемую им тепловую энергию в контур распределения горячей воды.
Дополнительное снижение расхода электроэнергии достигается за счет способности системы регулирования потребления тепловой энергии следить за потребностью каждого кондиционера в энергии, необходимой для охлаждения/подогрева, и производить изменения заданного значения температуры холодной и горячей воды в зависимости от потребности кондиционеров в энергии, необходимой для охлаждения/подогрева.
Одним из преимуществ предлагаемой в изобретении системы регулирования потребления тепловой энергии является ее способность распределять тепловую энергию с учетом общей потребности здания в энергии, необходимой для подогрева/охлаждения, погодных условий и стоимости энергии.
Для придания предлагаемой в изобретении системе необходимой гибкости с учетом возможной перепланировки здания и изменения назначения помещений в контурах распределения горячей и холодной воды установлены расположенные с одинаковыми интервалами быстродействующие соединительные устройства, предназначенные для присоединения к ним через гибкие трубы соответствующих змеевиков подогрева и охлаждения.
Кондиционеры предпочтительно устанавливают под фальшполом или над подвесным потолком в вентиляционных зонах, воздух из которых забирают имеющиеся в кондиционерах вентиляторы.
Каждый кондиционер имеет предпочтительно модульный корпус, смонтированный, например, под панелью фальшпола. В этом случае в модульном корпусе имеются соединенный с вентиляционной решеткой панели фальшпола выходной патрубок и открытый в пазуху фальшпола воздухоприемник. В корпусе установлен вентилятор, забирающий воздух из пазухи фальшпола через воздухоприемник и подающий его через вентиляционную решетку панели фальшпола в расположенное над фальшполом пространство или помещение. В кондиционере имеются также змеевик подогрева, соединенный с контуром распределения горячей воды, и/или змеевик охлаждения, соединенный с контуром распределения холодной воды. Змеевики подогрева и охлаждения предпочтительно устанавливать в корпусе между вентилятором и выходным патрубком. В корпусе кондиционера расположен также фильтр, который можно менять через смотровую щель в панели фальшпола.
В другом варианте осуществления изобретения кондиционер имеет смонтированный под панелью фальшпола модульный корпус с выходным патрубком, который соединен с вентиляционной решеткой панели фальшпола и со смесительной камерой, в которой расположены воздухоприемники комнатного и свежего воздуха. В корпусе установлен вентилятор, забирающий воздух из смесительной камеры и нагнетающий его через вентиляционную решетку панели фальшпола в расположенное над фальшполом пространство или помещение. Кондиционер имеет также устройство прямого охлаждения хладагентом, которое предназначено для охлаждения и сушки нагнетаемого в помещение воздуха. Установленное в модульном корпусе устройство прямого охлаждения хладагентом имеет конденсатор с водяным охлаждением, соединенный с контуром холодной воды, и смонтированный в модульном корпусе змеевик вторичного подогрева, соединенный с контуром горячей воды и предназначенный для подогрева сухого воздуха. Система кондиционирования воздуха может также иметь специальный кондиционер, предназначенный для предварительного кондиционирования свежего воздуха и его нагнетания в пазуху фальшпола.
Теплонасосная установка также может иметь по меньшей мере один компрессор хладагента, охлаждаемый водой конденсатор хладагента, соединенный с контуром распределения горячей воды и предназначенный для передачи энергии конденсации в контур горячей воды, испаритель хладагента, соединенный с контуром распределения холодной воды и предназначенный для отбора энергии испарения из контура холодной воды, охлаждаемый воздухом конденсатор хладагента, параллельно соединенный с охлаждаемым водой конденсатором и предназначенный для передачи излишка энергии конденсации в атмосферу, и змеевик естественного охлаждения, соединенный с контуром распределения холодной воды последовательно с охлаждаемым водой испарителем. В этом случае охлаждаемый воздухом конденсатор может представлять собой теплообменник, осуществляющий теплообмен между воздухом и хладагентом и способный работать как испаритель, предназначенный для отбора хладагентом энергии испарения из атмосферы.
Предлагаемая в изобретении система кондиционирования воздуха
- позволяет переносить тепло из зоны, температуру в которой требуется понизить, в зону, нуждающуюся в дополнительном обогреве, и наоборот, используя при этом внешний источник энергии лишь при нарушении теплового баланса внутри помещения,
- объединяет системы подогрева и охлаждения и позволяет снизить энергозатраты и занимаемую площадь,
- позволяет упростить и ускорить монтаж и уменьшить его стоимость и
- обладает высокой гибкостью и допускает возможность простой модернизации с малыми затратами при любых изменениях планировки здания.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере возможных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - общая схема предлагаемой в настоящем изобретении системы кондиционирования воздуха,
на фиг.2 - схема локального кондиционера первого типа,
на фиг.3 - схема локального кондиционера второго типа,
на фиг.4 - общая схема процесса теплообмена в предлагаемой в изобретении системе кондиционирования,
на фиг.5 - схема одномодульной теплонасосной установки,
на фиг.6 - функциональная схема, на которой показаны различные уровни регулирования режима работы предлагаемой в изобретении системы кондиционирования,
на фиг.7 - диаграмма изменения температуры холодной воды и потребляемой мощности в зависимости от тепловой нагрузки в различных режимах работы системы,
на фиг.8 - почасовая диаграмма суточного потребления мощности в январе,
на фиг.9 - почасовая диаграмма суточного потребления мощности в марте и
на фиг.10 - почасовая диаграмма суточного изменения температуры подаваемой воды.
На фиг.1 показана общая схема предлагаемой в настоящем изобретении системы кондиционирования воздуха. В такой системе имеется контур 10 распределения горячей воды, контур 12 распределения холодной (или охлажденной) воды, множество локальных кондиционеров 14, называемых также оконечными агрегатами для кондиционирования воздуха, и устройство 16 для нагрева/охлаждения, или теплонасосную установку 16.
Контуры 10 и 12 распределения горячей и холодной воды представляют собой замкнутые системы трубопроводов, предназначенные для распределения тепловой энергии в здании 18. Различные зоны 18', 18'', 18''' здания 18 требуют разного обогрева и/или охлаждения в соответствии с их специфическими особенностями. Предлагаемая в изобретении система кондиционирования воздуха функционирует по такому же принципу, что и система распределения электроэнергии: в здании 18 имеются трубопроводы для распределения холодной и горячей воды и локальные кондиционеры 14, которые в соответствии с индивидуальными потребностями регулируют температуру и влажность воздуха в различных зонах 18', 18'', 18''' здания, а также теплонасосная установка 16, которая поддерживает определенные уровни энергии в обоих распределяющих тепловую энергию контурах 10 и 12, взаимодействуя со всеми компонентами системы с целью оптимизации общего расхода мощности. Для более простого монтажа системы все локальные кондиционеры 14 соединены с контурами 10 и 12 распределения горячей и холодной воды предпочтительно гибкими герметичными трубами и быстро разбираемыми и быстро собираемыми соединительными устройствами.
Для эффективного кондиционирования воздуха в различных зонах 18', 18'', 18''' здания можно использовать локальные кондиционеры 14 разного типа. Локальные кондиционеры 14, установленные в отдельных зонах 18', 18'', 18''' здания, обеспечивают необходимый подогрев или охлаждение воздуха. Для повышения гибкости системы и экономии площади локальные кондиционеры проектируют таким образом, чтобы их можно было смонтировать в пазухах фальшпола 20.
На фиг.2 показан локальный кондиционер 14, с помощью которого воздух в помещении можно нагревать и охлаждать. Этот локальный кондиционер имеет модульный корпус 30, устанавливаемый под панелью 32 фальшпола. Выходной патрубок 34 корпуса 30 соединен с вентиляционной решеткой 36 панели 32 фальшпола, а воздухоприемник 38 сообщается с пазухой 20 фальшпола. В корпусе 30 установлен вентилятор 40, всасывающий воздух из пазухи 20 фальшпола через воздухоприемник 38 и подающий его через вентиляционную решетку 36 панели 32 фальшпола в расположенные над ним зоны 18', 18'', 18''' здания. Между вентилятором 40 и выходным патрубком 34 расположены змеевик 42 подогрева и змеевик 44 охлаждения. В корпусе 30 между воздухоприемником 38 и вентилятором 40 установлен воздушный фильтр 46. Воздушный фильтр 46 можно менять через смотровую щель 48 в панели 32 фальшпола.
Для кондиционирования воздуха в технических зонах, таких как зона 18''', обычно не всегда используют свежий сухой воздух. В этом случае локальные кондиционеры 14 используют по существу только для охлаждения воздуха отводом сухого тепла. Поэтому такие локальные кондиционеры 14 должны обладать очень высоким коэффициентом отвода сухого тепла. Однако в тех помещениях, где работают люди, например в зоне 18'', может, кроме того, потребоваться осушка воздуха и подача в помещение свежего воздуха. Для этого обычно используют специальное устройство, обеспечивающее регулирование влажности в помещении. Такое устройство для осушки воздуха можно установить под полом помещения. Осушку воздуха в таком устройстве можно, например, выполнять путем непосредственного охлаждения воздуха хладагентом с использованием последовательно расположенных испарительных и конденсаторных змеевиков. В этом случае температура в контуре холодной воды не ограничивается температурой, необходимой для скрытого охлаждения, которое является частью общей тепловой нагрузки. При больших скрытых тепловых нагрузках для рассеивания тепла в конденсаторе используется внешнее охлаждение. При наличии в помещении регулируемой вентиляции для этого можно использовать поток отработанного воздуха.
На фиг.3 показан локальный кондиционер 14', который предназначен для осушки воздуха и подачи в помещение свежего воздуха. В модульном корпусе 50 этого кондиционера имеется выходной патрубок 52, соединенный с вентиляционной решеткой 54 панели 56 фальшпола, и смесительная камера 58 с воздухоприемником 60 комнатного воздуха и воздухоприемником 62 свежего воздуха. Установленный в корпусе 50 вентилятор 64 забирает воздух из смесительной камеры 58 и подает его через вентиляционную решетку 54 панели 56 фальшпола в расположенные над ним зоны 18', 18'', 18''' здания. Локальный кондиционер 14'' имеет также устройство 66 прямого охлаждения воздуха хладагентом, предназначенное для охлаждения и осушки подаваемого в помещение воздуха. Смонтированное в корпусе устройство прямого охлаждения воздуха хладагентом имеет предназначенный для осушки воздуха испарительный змеевик 68 и охлаждаемый водой конденсатор (не показан), соединенный с контуром 12 распределения холодной воды. Змеевик вторичного подогрева воздуха, установленный последовательно с испарительным змеевиком 68 и соединенный с контуром 10 распределения горячей воды, предназначен для подогрева воздуха после его осушки в змеевике 68 прямого охлаждения воздуха хладагентом. Следует отметить, что при использовании локального кондиционера 14'' тепло, полученное при конденсации, не теряется, а передается в контур 10 горячей воды и используется для обогрева в зонах 18', 18'', 18'''.
Как показано на фиг.1, предлагаемая в изобретении система кондиционирования воздуха может, кроме того, иметь кондиционер 78 свежего воздуха (называемый также воздухообменником 78), предназначенный для предварительного кондиционирования свежего воздуха и подачи его в пазуху фальшпола.
Теплонасосная установка 16 и контуры 10 и 12 распределения горячей и холодной воды регулируются системой 80 управления, которая поддерживает требуемую температуру в контурах 10 и 12 холодной и горячей воды при минимальном расходе электроэнергии в любых условиях эксплуатации. Работа теплонасосной установки 16 заключается в перераспределении тепловой энергии между контурами 10 и 12 горячей и холодной воды в зависимости от потребности локальных кондиционеров 14. При этом требуемая температура в обоих контурах 10 и 12 поддерживается при минимальном расходе энергии, необходимой для увеличения тепловой энергии до соответствующего уровня.
Минимальный расход энергии в системе обеспечивается за счет использования тепловой энергия следующих источников:
1) контура 10 распределения горячей воды,
2) контура 12 распределения холодной воды,
3) окружающей среды 82,
4) теплонасосной установки,
5) системы естественного охлаждения,
6) одного или нескольких бойлеров 84 (при необходимости в дополнительном обогреве в зимнее время).
При использовании локальных кондиционеров, работающих в режиме охлаждения отводом сухого тепла, и при регулировании влажности воздуха специальным устройством температуру в контуре 12 холодной воды можно оставить относительно высокой и повысить за счет этого коэффициент полезного действия системы при ее охлаждении в парокомпрессионном режиме или же работать в прежнем режиме с естественным охлаждением воды.
На фиг.4 показана схема, иллюстрирующая принцип работы теплонасосной установки. Теплонасосная установка 16 обеспечивает передачу тепла, отбираемого из контура 12 холодной воды, и накопленную при работе в режиме теплового насоса энергию в контур 10 горячей воды. По достижении в контуре 10 горячей воды требуемой температуры излишек тепла рассеивается во внешнюю среду (сток 82' тепла бесконечно большой емкости). При охлаждении воздуха зимой (например, в технических зонах 18''') для охлаждения воды в контуре 12 холодной воды теплонасосная установка 16 может использовать наружный воздух. При тепловой нагрузке при охлаждении, меньшей максимальной, можно повысить температуру в контуре 12 холодной воды, увеличив тем самым коэффициент полезного действия системы, сохранив при этом возможность оптимального регулирования температуры в помещении.
Теплонасосная установка 16 поддерживает также необходимый уровень температуры в контуре 10 горячей воды. Тепловую энергию при этом отбирают из контура 12 холодной воды или по достижении необходимой температуры - из окружающей среды (источник 82'' тепла бесконечно большой емкости). При недостаточном количестве тепла, накопленного в теплонасосной установке, для дополнительного обогрева здания 18 можно использовать обычный бойлер 84.
Система 80 управления позволяет оценивать тепловую ситуацию в отдельных зонах и, обработав полученные данные, определить предполагаемые изменения температуры и влажности и установить соответствующий режим работы теплонасосной установки 16. Наличие в системе накопителя энергии позволяет одновременно осуществлять подогрев и охлаждение различных помещений здания и является еще одним очевидным преимуществом системы, повышающим ее общую эффективность. Температуру в контурах 10 и 12 горячей и холодной воды регулируют в соответствии с тепловой нагрузкой в различных зонах здания.
На фиг.5 показана схема выполненной по предпочтительному варианту теплонасосной установки. В этом варианте теплонасосная установка выполнена в виде модульного блока, обеспечивающего максимальную гибкость системы при ее различном применении. Каждый базовый теплонасосный модуль обладает определенной охлаждающей способностью, равной, например, 150 кВт. Параллельно в системе могут работать до шестнадцати теплонасосных установок. Теплонасосная установка 16 такой конструкции отличается исключительной универсальностью и обеспечивает надежное регулирование процесса кондиционирования воздуха при самых различных тепловых нагрузках. Базовый модуль имеет четыре компрессора 90, обеспечивающие возможность его ступенчатого регулирования. Применение винтовых компрессоров типа "Scroll" позволяет повысить их эффективность и снизить уровень шума. Для защиты окружающей среды в соответствии с нормами СЕЕ 2037/2000 в качестве хладагента в теплонасосной установке используют хладагент типа HFC R407C. Система 92 конденсации имеет два параллельно работающих теплообменника; при этом для подогрева (в режиме теплового насоса или рекуперации тепла) используется охлаждаемый водой конденсатор 92', выполненный в виде теплообменника пластинчатого типа (нагрузочный конденсатор). В противном случае выделяющееся при конденсации тепло рассеивается в атмосфере реверсивным теплообменником 92'', выполненным в виде оребренного змеевика (диссипативный конденсатор). Испарительная система имеет предназначенный для передачи тепла от воды к хладагенту паяный пластинчатый теплообменник 94, который используется при охлаждении воды (в режиме нагрузочного испарителя), и упомянутый выше реверсивный теплообменник в виде оребренного змеевика (диссипативный испаритель), который используется в режиме теплового насоса. Каждый теплонасосный модуль содержит соответствующую водопроводную арматуру, насосы, расширительный бак и змеевики 96 естественного охлаждения, через которые протекает оборотная вода, перекачиваемая через них циркуляционным насосом только в том случае, когда температура наружного воздуха недостаточна для непосредственного охлаждения воды. При этом в системе целесообразно предусмотреть возможность изменять заданное значение температуры в контуре холодной воды. Регулирование расхода воды в тепловых контурах здания осуществляет центральная система 80 управления.
Предлагаемая в настоящем изобретении система кондиционирования воздуха может найти применение в зданиях, в которых: 1) нагрузка на охлаждение намного выше нагрузки на отопление, 2) из-за большого внутреннего выделения тепла и качества теплоизоляции здания охлаждение помещений требуется круглый год.
Следует отметить, что регулирование предлагаемой в изобретении системы кондиционирования воздуха производится на трех уровнях (см. фиг.6):
1) уровень 100 поддержания в помещениях определенного микроклимата: контроль и регулирование температуры и влажности воздуха в каждой зоне (местный контроль);
2) технологический уровень 102: поддержание температуры в контурах на заданном уровне;
3) системный уровень 104: оптимизация процесса с целью сокращения расхода энергии и снижения затрат с учетом взаимосвязи между помещениями и оборудованием методами адаптивного регулирования с прогнозированием тепловой нагрузки.
На уровне 100 поддержания микроклимата осуществляется контроль температуры и влажности воздуха в каждом отдельном помещении. Потребитель устанавливает исходные значения параметров микроклимата в помещении, которые автоматически поддерживаются регулирующим модулем 106 путем соответствующего переключения трехходового клапана змеевика подогрева или охлаждения.
На технологическом уровне 102 регулирование системы происходит с применением теплонасосной установки 16. Теплонасосная установка контролирует температуру в контуре 12 холодной воды, измеряет отклонения температуры от заданного значения и осуществляет соответствующее охлаждение воды. Кроме того, теплонасосная установка 16 контролирует температуру наружного воздуха и определяет возможность его использования для естественного охлаждения воды.
На системном уровне 104 производится оптимизация программы выполняемых в разное время действий, направленных на снижение расхода энергии и связанных с этим затрат. Регулирование на этом уровне основано на анализе изменений эксплуатационного режима, загрузки оборудования и граничных параметров с использованием алгоритма максимально допустимого подъема заданного значения температуры в контуре 12 холодной воды с целью максимального снижения общего расхода энергии. Измерение температуры оборотной воды в контуре 10 горячей воды позволяет определить необходимое количество тепла для ее подогрева и установить режим работы конденсаторной стороны системы (в которой происходит охлаждение воды или воздуха). При рекуперации тепла температура конденсации определяется необходимостью изменения температуры воды до уровня, достаточного для ее подачи в змеевики подогрева. При проведении исследований в одном из зданий было установлено, что предлагаемая в изобретении система может полностью обеспечить все потребности здания в тепле. Предлагаемая в изобретении система может также выполнять некоторые специальные операции контроля, направленные на максимальную экономию энергии в течение значительного периода времени, например накопление горячей или холодной воды, контроль за процессом естественного охлаждения и выполнение общих операций, которые изменяют параметры алгоритма управления с целью более интенсивного аккумулирования энергии на основе анализа изменения тепловых параметров здания или связаны с регулированием выполняемых в системе действий и контролем ответной реакции системы на эти действия.
На первом уровне 100 регулирования микроклимата в различных зонах здания (с одним или несколькими локальными кондиционерами 14) система регулирования поддерживает установленную на термостате температуру, переключая распределительные клапаны змеевиков подогрева и охлаждения. Влажность воздуха в помещения регулируется независимо от температуры с помощью отдельных предназначенных для осушки воздуха модулей.
На технологическом уровне теплонасосная установка измеряет температуру в обратном трубопроводе контура 12 холодной воды и определяет мощность, необходимую для охлаждения (к каковой расчетной мощности, необходимой для охлаждения, необходимо добавить "фиктивную" охлаждающую нагрузку, определяемую по алгоритму аккумулирования энергии на третьем уровне регулирования). Частичное открытие трехходовых клапанов 110 и 112 кондиционеров (см. фиг.2) в соответствии с выполненной оценкой тепловой нагрузки позволяет максимально повысить температуру в контуре холодной воды.
На основе полученных данных по алгоритму достижения максимальной энергетической эффективности на уровне 3 увеличивают заданный уровень температуры воды до величины, учитывающей тенденцию изменения микроклимата в помещении с кондиционированным воздухом. Алгоритм оценивает величину тепловой нагрузки в различных зонах здания, учитывая номинальную производительность установленного в них оборудования и допустимые отклонения температуры от заданного уровня. По тому же алгоритму определяют возможность использования естественного охлаждения в реальных условиях работы оборудования. По полученным данным определяется возможность повышения заданного уровня температуры воды, которое существенно сказывается на экономии энергии. Алгоритм также оценивает возможность использования естественного охлаждения воды в контуре горячей воды путем сравнения стоимости альтернативного охлаждения воды компрессией хладагента со стоимостью подогрева с использованием бойлера, позволяющего получить недостающее количество тепла. После выбора режима охлаждения вычисляют количество тепла, подлежащего рекуперации. Одновременно оценивают потребность в тепле в контуре горячей воды и после этого на третьем уровне регулирования рассматривают различные варианты дальнейших действий. При безотлагательной потребности в тепле и сравнительно большой величине имеющейся в наличии тепловой энергии используют рекуперацию тепла, а лишнее тепло рассеивают в конденсаторе с воздушным охлаждением. Рекуперация тепла снижает температуру конденсации хладагента. При безотлагательной потребности в тепле и сравнительно небольшой имеющейся в наличии тепловой энергии на основе экономического анализа, в котором главную роль играет оценка коэффициента полезного действия теплового насоса и бойлера, система управления решает, каким образом необходимо получить дополнительное тепло. Если потребность в тепле не является срочной, то некоторое количество тепловой энергии можно накопить в буферном баке контура горячей воды.
На третьем (системном) уровне 104 регулирования оценка работы системы занимает больше времени, чем на более низких уровнях. В результате такой оценки можно изменить некоторые параметры алгоритма управления, например заданный уровень температуры воды в контурах, и в периоды смещения по фазе фактических нагрузок активизировать для рекуперации тепла "фиктивные" тепловые нагрузки, использование которых позволяет максимально повысить эффективность системы.
На третьем уровне регулирования также определяют режим работы теплонасосной установки (температуру холодной воды, процентное соотношение между водой и воздухом при конденсации, процентное соотношение между водой и воздухом при испарении).
Программа моделирования
Для моделирования предлагаемой в изобретении системы кондиционирования воздуха была разработана специальная программа. Эта программа содержит группы подпрограмм, каждая из которых описывает работу одного из компонентов системы.
К входным параметрам программы относятся нагрузки на подогрев и охлаждение, температура наружного воздуха и требуемая температура воды в контурах горячей и холодной воды. На выходе получают рабочие параметры контура охлаждения (температуру и давление в различных точках), количество передаваемого тепла, электрические параметры двигателя и коэффициенты полезного действия (к.п.д.) системы в режиме охлаждения и в режиме теплового насоса.
В модель входит также теплообменник с оребренным змеевиком, который используют при естественном охлаждении воды.
Программа моделирования позволяет прежде всего определить максимальную экономию энергии при оптимальном управлении всей системой. Оптимизация системы предусматривает работу с самой высокой температурой оборотной воды и самой низкой температурой воды в контуре горячей воды, которые при этом должны соответствовать реальным тепловым нагрузкам на охлаждение и обогрев помещений. Выбор оптимальной температуры не всегда является достаточно легким из-за происходящих в различных зонах изменений амплитуды и частоты тепловой нагрузки. Несколько работающих в особенно неблагоприятных условиях локальных кондиционеров могут потребовать слишком обременительной для всей системы температуры. В этом случае необходимо определить соответствие температуры воды в обоих контурах средней температуре воды для всех помещений, а не только для помещений, требующих интенсивного кондиционирования воздуха. Система регулирования должна обеспечивать возможность использования всего накопленного тепла и постоянного выравнивания нагрузки с использованием бойлера для дополнительного получения тепла или воздушных теплообменников для естественного охлаждения воды.
Ниже рассмотрено несколько примеров, иллюстрирующих возможность сбережения энергоресурсов на основе такого принципа управления, и несколько основных схем практического использования предлагаемой в изобретении системы кондиционирования воздуха.
Программа моделирования позволяет установить оптимальный баланс между отдельными элементами системы. По существу эта программа определяет температурные режимы конденсации и испарения при равных расходах хладагента в компрессоре, конденсаторе и испарителе при заданных значениях перегрева пара на выходе из испарителя (на которое настроен термостат) и переохлаждения жидкости на выходе из конденсатора (которое обычно задается оператором при использовании затопленного конденсатора или равняется нулю при использовании сборника жидкости). При этом предполагается, что регулирующее устройство, например термостат, не влияет на работу системы и автоматически возвращается в состояние равновесия, определяемое тремя главными элементами системы. Параметры системы приводят к равновесному состоянию методом секущих, позволяющим свести к нулю две основные погрешности, определяемые абсолютными значениями разности между каждым из двух и третьим значением расхода хладагента.
Для определения параметров хладагента в принятой программе моделирования используют интерполяционную подпрограмму (REFPINT), работающую на основе таблицы данных, полученных с использованием расчетного кода REFPROP Национального института стандартов и технологий (NIST). Из всех включенных в эту подпрограмму хладагентов общего назначения в настоящем исследовании для расчетов в качестве хладагента выбрана азеотропная смесь R407C. При этом предполагается, что изменение температуры в процессе изобарического фазового перехода является линейной функцией энтальпии.
Как уже было отмечено выше, предлагаемая в изобретении система кондиционирования воздуха представляет собой модульную систему с многоступенчатым регулированием. Высокая гибкость и приспосабливаемость системы при работе с тепловыми нагрузками, существенно изменяющимся как в пространстве, так и во времени, а также ее высокая энергетическая эффективность обусловлены наличием в ней "n" идентичных модулей, каждый из которых имеет определенное количество параллельно работающих компрессоров 90, пластинчатый конденсатор 92', пластинчатый испаритель 94, реверсивный (т.е. работающий как конденсатор или как испаритель) оребренный змеевик 92'' и, наконец, охлаждаемый воздухом змеевик 96, предназначенный для естественного охлаждения воды. Регулирование мощности системы производится не путем регулирования мощности каждого отдельного компрессора 90, которые поэтому постоянно работают в номинальном режиме, а многоступенчато в зависимости от нагрузки путем включения и выключения отдельных модулей.
В зависимости от потребности в обогреве/охлаждении в данный момент времени программа определяет необходимое количество работающих модулей. Если расчетная мощность не соответствует целому числу модулей, то программа определяет количество "n" модулей, способных обеспечить работу системы в необходимом режиме исходя из условия, что количество модулей, равное "n-1", будет для этого недостаточным. При этом программа, исходя из средней производительности модуля, определяет процентное соотношение между временем включения и выключения модуля.
Ниже приведено краткое описание единичного модуля, содержащего многоступенчатый компрессор 90, сдвоенный конденсатор 92', 92'', расширительный клапан и сдвоенный испаритель 92', 94. Номинальная охлаждающая мощность многоступенчатого компрессора, который состоит из четырех отдельных винтовых ступеней, равна 150 кВт. В программе такой компрессор представлен соответствующей подпрограммой, в которой содержатся рабочие характеристики компрессора. Две подпрограммы моделируют испарители, один из которых представляет собой теплообменник, охлаждаемый водой, а другой - теплообменник, охлаждаемый воздухом. Подпрограмма первого испарителя соответствует модели теплообменника пластинчатого типа с припаянными пластинами из нержавеющей стали со своими рабочими характеристиками. Подпрограмма второго испарителя соответствует модели оребренного змеевика с теоретически идеальным противотоком двух жидкостей. Программа модели теплообменника является аналитической и делит теплообменник на отдельные элементы, в которых свойства жидкостей и коэффициенты теплопередачи представлены постоянными величинами. В зависимости от температуры наружной поверхности отдельный элемент теплообменника считается сухим (передающим только сухое тепло при температуре конденсации, большей температуры поверхности) или влажным (осуществляющим теплопередачу и фазовый переход при температуре конденсации, меньшей температуры поверхности). В последнем случае теплообмен между воздухом и металлом определяется энтальпией влажного воздуха, а между металлом и внутренней жидкостью - разницей температур. При этом необходимо также учитывать и разную эффективность теплопередачи сухими и влажными ребрами. Кроме испарителей в системе имеются два разных конденсатора: один для воды (пластинчатого типа), а другой (оребренный змеевик) для воздуха. В подпрограмму модели первого испарителя заложены его рабочие характеристики, определенные изготовителем, а подпрограмма второго испарителя соответствует модели оребренного змеевика противоточного типа. Расширительный клапан описан в программе простым изоэнтальпическим расширением, которое происходит между выходом из конденсатора и входом в испаритель.
Результаты моделирования
На фиг.7 показаны характеризующие работу предлагаемой в изобретении системы кондиционирования воздуха графики, полученные в результате моделирования при наружной температуре 10°С. Следует отметить, что такая температура была выбрана только для иллюстрации возможностей системы. По оси абсцисс отложено отношение между потребляемой и полной энергией охлаждения, а по оси ординат - различные параметры системы, которые меняются при изменении охлаждающей нагрузки от максимальной до минимальной величины. С одной стороны на оси ординат отложены значения температуры подаваемой в систему и оборотной воды в различных зонах здания, а с другой стороны - величины мощности, потребляемой компрессором. Приведенные на графике значения мощности в единицах электроэнергии позволяют провести прямое сравнение обычной системы и системы, в которой частично или полностью используется рекуперация тепла конденсации для обогрева помещений в зимний период времени. Приведенные на графиках значения мощности ("Pep") были вычислены применительно к обычной термоэлектрической системе с общим термическим коэффициентом полезного действия, равным с учетом потерь на распределение 0,33. При работе в зимнее время для удовлетворения потребности в тепле может быть использован бойлер, позволяющий получить недостающее тепло. В этом случае при расчете потребляемой мощности должна быть учтена мощность, потребляемая бойлером с коэффициентом полезного действия, равным 0,9.
Расчетная температура воздуха в помещениях была принята равной 24°С. Температуру воды вычисляли для двух различных вариантов регулирования. Первый вариант предполагает ступенчатое регулирование температуры воды, которая подается в контур холодной воды с температурой 7°С, которая ниже диапазона регулирования. При частичных нагрузках регулирование охлаждения различных помещений осуществляется перепуском холодной воды в обход конечных теплообменников (кондиционеров). Такой вариант регулирования называется в дальнейшем вариантом с постоянным заданным значением. При регулировании по второму варианту при нагрузке на охлаждение, меньшей номинальной, вода подается в помещения с температурой, которая выше традиционной температуры, равной 7°С. Предполагается, что такое повышение температуры воды приблизит ее к максимальному значению, при котором теплообменники все еще смогут обеспечить при их эффективной работе необходимое охлаждение помещений. В результате этого при работе системы с неполной нагрузкой повышается ее коэффициент полезного действия, поскольку одновременно с повышением температуры холодной воды повышается и давление испарения. Такой вариант регулирования называется в дальнейшем вариантом с переменным заданным значением.
Приведенные графики подтверждают преимущество варианта с переменным заданным значением при работе системы с неполной нагрузкой. По мере снижения потребности в охлаждении температура подаваемой в помещения воды повышается и одновременно с этим повышается температура испарения, которая при нулевой нагрузке становится равной температуре воздуха. Этого, как очевидно, не происходит при работе по варианту с постоянным заданным значением, когда температура подаваемой в помещения воды все время остается равной 7°С независимо от нагрузки.
Повышение коэффициента полезного действия системы в связи с повышением температуры испарения сопровождается соответствующим снижением потребляемой за день мощности. На фиг.7 показано, что потребляемая мощность, которая изменяется пропорционально нагрузке на охлаждение, при работе с постоянным заданным значением больше, чем при работе с переменным заданным значением. Максимальная экономия электроэнергии приходится приблизительно на 50%-ную тепловую нагрузку, а при 100%-ной и нулевой нагрузке потребление мощности и в том и в другом варианте одно и то же.
На фиг.7 показан также график изменения потребления энергии при естественном охлаждении. Такая возможность появляется в тех случаях, когда температура наружного воздуха настолько низка, что его можно использовать в качестве источника холода вместо обычной холодильной установки. Очевидно, что вариант регулирования с переменным заданным значением более эффективен при естественном охлаждении, поскольку значительное повышение температуры оборотной воды, отбираемой из контура холодной воды, при неполной нагрузке способствует более эффективному теплообмену в змеевике с естественным охлаждением.
Как показано на графиках, естественное охлаждение включается при резком снижении потребления первичной энергии до нулевого уровня при нагрузке менее 40%. Следует отметить, что хотя система охлаждения и работает ступенчато, графики на фиг.7 изображены сплошными линиями, построенными по средним значениям параметров, характеризующих работу системы. Кроме того, важно отметить, что система в режиме с постоянным или переменным заданным значением может работать и с естественным охлаждением, и при использовании тепла конденсаторов при одновременной необходимости в обогреве и охлаждении. В таком режиме система может работать зимой и в межсезонье. Для иллюстрации такой работы системы было смоделировано еще два режима работы. В обоих режимах предусмотрено одновременное использование тепла конденсаторов и изменение температуры подаваемой в помещения воды. Регулирование системы в первом режиме предполагает одновременную работу двух конденсаторов 92 и 92'. В пластинчатом конденсаторе 92' рекуперируют необходимое при данной тепловой нагрузке тепло, используя для этого подаваемую к кондиционерам горячую воду с температурой 45°С и рассеивая излишек тепла, полученный в конденсаторе 92'' с оребренным змеевиком. При недостаточной для требуемого обогрева мощности модуля пластинчатый конденсатор 92' используют в режиме полной рекуперации, при этом следующий модуль начинает работать в режиме частичной рекуперации. В этом отношении следует отметить, что приведенные графики не отражают работу системы в таком режиме. Такой режим работы системы называется в дальнейшем режимом с непрерывной рекуперацией.
Во втором методе рекуперации тепла модуль или модули работают на полную мощность, т.е. полностью забирают тепло конденсации из пластинчатого теплообменника 92' даже в том случае, когда рекуперированное тепло меньше тепла конденсации. Поэтому в таком режиме модуль работает периодически. При моделировании системы такой режим рассматривается как режим непрерывной работы, поскольку считается, что тепловая инерция системы достаточно высока для того, чтобы компенсировать незначительные колебания температуры, возникающие при периодическом включении модулей. При отсутствии необходимости в дополнительном тепле модуль работает в обычном режиме с конденсатором воздушного охлаждения. Такой режим работы в дальнейшем называется режимом с периодической рекуперацией. Очевидно, что этот режим является энергетически более выгодным, чем режим с непрерывной рекуперацией из-за происходящего при периодической рекуперации повышения температуры конденсации в конденсаторе с воздушным охлаждением до температуры в конденсаторе с водяным охлаждением.
Ниже приведены результаты исследований работы предлагаемой в изобретении системы кондиционирования воздуха в указанных выше режимах при обычной для промышленных зданий тепловой нагрузке.
Для полного анализа работы системы необходимо исследовать ее работу в разное время года. Полученные в результате исследований значения тепловой нагрузки в течение суток приведены в таблице 1.
Из приведенной выше таблицы следует, что тепловая нагрузка существенно изменяется в зависимости от времени года только в офисных помещениях при условии, что она остается постоянной в течение обычного рабочего дня и равна нулю в течение всего остального времени суток. В зависимости от времени года потребляемая мощность может расходоваться либо на охлаждение, либо на обогрев помещений. В июле и в технологических, и в офисных помещениях требуется только охлаждение воздуха. В январе и марте офисные помещения нуждаются в обогреве, и нагрузка на охлаждение снижается. При анализе режимов работы системы в различные месяцы года были выбраны значения температуры и влажности воздуха, обычные для района Падуи.
Результаты моделирования
Январь
На фиг.8 показана почасовая диаграмма потребления первичной энергии при работе системы с четырьмя описанными выше вариантами регулирования. При переходе от варианта с постоянным заданным значением к варианту с переменным заданным значением экономия энергии составляет 50%. Эта экономия, как отмечено выше, достигается в результате увеличения температуры подаваемой в помещения воды и, следовательно, перепада температуры воды и наружного воздуха, что в свою очередь повышает количество тепла, отдаваемого змеевиком с естественным охлаждением. Работа с рекуперацией тепла также способствует экономии электроэнергии. Однако можно, в частности, отметить, что в варианте с переменным заданным значением непрерывная рекуперация незначительно повышает общую эффективность системы. Связано это с низкой по сравнению с требуемым уровнем охлаждения степенью подогрева воды и частичным снижением эффективности системы, вызванным повышением давления конденсации, которое необходимо создать для увеличения температуры горячей воды до 45°С. Такие потери энергии минимальны при работе в режиме периодической рекуперации и более эффективном использовании тепла конденсации, позволяющим заметно повысить общую эффективность системы. В таблице 2 приведены данные по ежедневному расходу электроэнергии в течение трех указанных в таблице месяцев, позволяющие сравнить потребление энергии при работе системы с различными режимами регулирования. Следует отметить, что снижение потребления энергии на 50,7% при работе с переменным заданным значением получено без рекуперации тепла конденсатора, т.е. является чистой экономией электроэнергии, которая может быть выражена в денежном эквиваленте и отражает в том же проценте экономические показатели системы. Однако при работе с рекуперацией тепла одновременно снижается потребление различных видов энергии (электрической и тепловой) в количестве, сравнимом со снижением общего потребления энергии, которое нельзя в той же пропорции перевести в экономические показатели системы из-за различных тарифов на эти виды энергии.
Март
На фиг.9 показана почасовая диаграмма потребляемой мощности при работе системы с четырьмя описанными выше вариантами регулирования, аналогичная показанной на фиг.8 диаграмме для января. Полученная при переходе с режима с постоянным заданным значением на режим с переменным заданным значением экономия первичной энергии в марте меньше, чем в январе, поскольку из-за повышения температуры окружающего воздуха снижается возможность использования естественного охлаждения. При работе в режиме постоянной рекуперации тепла в течение нескольких часов дня характеристики системы ниже, чем при работе в других режимах. В марте потребность в обогреве меньше, чем в зимние месяцы, и поэтому экономия, полученная от рекуперации тепла, не покрывает потери эффективности системы, вызванные повышением давления конденсации. При периодической рекуперации эти потери отсутствуют, поскольку, как было сказано выше, тепло конденсатора в этом случае используется с максимальной эффективностью.
Июль
Из анализа почасовых диаграмм потребления энергии при работе в режимах с постоянным заданным значением и переменным заданным значением следует, что экономия энергии возрастает по мере снижения нагрузки от максимального значения, которое приходится на середину дня, т.е. увеличение продолжительности работы системы с неполной нагрузкой повышает ее экономическую эффективность.
Объяснить это можно анализом показанной на фиг.10 почасовой диаграммы изменения температуры подаваемой воды в двух режимах работы, из которой видно, что в режиме работы с переменной настройкой с уменьшением нагрузки температура воды повышается. В нижней части таблицы 2 приведены данные о суточном потреблении системой энергии в июле. Экономия энергии при переходе с режима с постоянным заданным значением на режим с переменным заданным значением невелика по той причине, что во время работы системы с максимальной нагрузкой ее эффективность по существу одинакова для обоих режимов регулирования. При этом, однако, указанные в таблице абсолютные значения экономии заслуживают самого пристального внимания.
Следует отметить, что в январе и марте температура окружающего воздуха позволяет в зависимости от режима работы в течение нескольких часов использовать естественное охлаждение.
Реферат
Система предназначена для кондиционирования воздуха в здании. Система содержит контур распределения горячей воды, контур распределения холодной воды и множество локальных кондиционеров, по меньшей мере один из которых содержит вентилятор для подачи воздуха в помещение здания и соединенный с контуром распределения горячей воды змеевик подогрева и по меньшей мере один из которых содержит вентилятор для подачи воздуха в помещение здания и соединенный с контуром распределения холодной воды змеевик охлаждения. Система снабжена, по меньшей мере, одной системой контроля температуры окружающей среды, предназначенной для регулирования тепловой мощности змеевиков подогрева и охлаждающей способности змеевиков охлаждения, при этом она имеет систему регулирования потребления тепловой энергии, содержащую теплонасосную установку, передающую тепловую энергию из контура распределения холодной воды в контур распределения горячей воды. Технический результат - снижение расхода энергии. 16 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.
