Анализ развития техники вентиляции и кондиционирования воздуха

В последнее десятилетие на рынке отопительно-вентиляционной техники появились много нового оборудования, применение которого в практике проектирования и строительства требует обобщения и анализа. В настоящей работе поставлена задача на основе систематизации и обобщения ознакомить специалистов, занятых проектированием и эксплуатацией вентиляторных установок и систем кондиционирования воздуха, с тенденциями развития вентиляционной техники. Не претендуя на исчерпывающую полноту изложения материала по указанной теме, автор надеется, что представленный в статье материал будет полезным и облегчит работу специалистов. В данном обзоре, ввиду его ограниченного объема, приведены лишь сведения, касающиеся оборудования систем вентиляции и кондиционирования воздуха: кондиционеров, приточных камер, воздухонагревателей, теплоутилизаторов, вентиляторов и др.

Основным для систем является оборудование приточных, вытяжных, приточно-вытяжных установок и центральных кондиционеров. Это связано с универсальностью оборудования, которое может быть использовано в условиях большинства производств и помещений, их высокой производительностью по воздуху, теплоте, холоду, экономичностью и малым удельным потреблением энергии.

Мировая тенденция в производстве оборудования для систем кондиционирования воздуха соответствует общему стремлению к выпуску комплектных установок с тем, чтобы перенести основные производственные операции на заводы и максимально снизить затраты на монтаж и сборку оборудования на месте его использования. Установки поставляются заказчику в виде отдельных секций, собираемых по той или иной схеме при монтаже на месте установки. Такое стремление экономически оправдано.

Отметим еще одну тенденцию: переход в России на новую систему хозяйствования приводит к росту энерговооруженности, повышению коэффициента использования оборудования, получению с единицы площади производственных помещений возможно большего количества продукции и т.д. Это предопределяет увеличение тепловых нагрузок. И если раньше многие цеха обходились средствами вентиляции, то теперь необходимы системы кондиционирования воздуха.

Для кондиционеростроения характерен высокий уровень специализации производства, использование материалов с высокими механическими, теплотехническими и другими показателями, применение эффективных комплектующих изделий и приборов и т. д.

Анализ показывает, что основное направление — индивидуальное проектирование и изготовление установок. Особое внимание уделяется экономичности установок, так как их реализация и эксплуатация требует значительных затрат. При этом оказывается целесообразным предусматривать определенный запас по мощности установленного оборудования. Изменения технологии, интенсификация производства требуют гибкости проекта, чтобы мощность могла быть увеличена в процессе эксплуатации при наименьших затратах. Эти мероприятия в конечном счете окупаются при эксплуатации.

Проектирование наиболее экономичных систем возможно лишь при тщательном технико-экономическом анализе проектов, сравнении стоимости их вариантов и учете местных условий. Это, в свою очередь, требует четкого представления о возможностях, стоимости оборудования и его эксплуатации, а также об экономической эффективности работы систем.

Параметрический ряд

Технико-экономические расчеты показывают, что с ростом объема воздуха, перемещаемого по воздуховодам, оптимальная (экономичная) скорость его должна падать. При переходе на экономичные скорости, сечения магистральных воздуховодов крупных вентиляционных установок становятся соизмеримыми с сечением самой установки. Естественно, что прокладка воздуховодов и раздача воздуха становятся крупной проектной проблемой, при которой не приходится считаться с оптимизацией скорости в воздуховодах, что в свою очередь, ведет к перерасходу электроэнергии.

Можно отметить тенденцию к снижению единичной производительности вентиляционных установок и центральных кондиционеров. Многие фирмы выпускают основной размерный ряд установок производительностью по воздуху до 100-120 тыс. м³/ч, при этом, как правило, указывается, что по особому заказу могут быть поставлены установки и большей воздухопроизводительности. В качестве параметрического ряда по производительности принимается последовательность чисел

[аj-1 + (i-1)·dh1].

Снижение общей воздухопроиэводительности установок систем вентиляции и кондиционирования воздуха идет по нескольким направлениям.

1. Введение в ряде стран нормативов энергопотребления зданий. Такие нормативы установлены в Англии, Швеции, США, Финляндии и др. Естественно, для того чтобы уложиться в жесткий норматив, проектировщику необходимо осуществить весь комплекс мер по снижению воздухообменов, а вместе с этим энергетических затрат на установки.

Введение стандарта нормативов энергопотребления для зданий различного назначения и инженерного оборудования дает значительный экономический эффект.

2. В ряде стран приняты нормы теплозащиты зданий различного назначения с высоким сопротивлением теплопередачи для наружных ограждающих конструкций.

Повышение теплозащитных свойств зданий (особенно с кондиционированием воздуха) также приводит к снижению воздухопроизводительности и энергопотребления установок.

3. Усилилось внимание к вопросам рециркуляции удаляемого из помещений воздуха. Наиболее просто это осуществляется для вытяжных систем, где не происходит загрязнения воздуха газами и парами вредных веществ. Например, при механической обработке металла, деревообработке и т. д. производится очистка воздуха от твердых частиц, после чего он возвращается в помещение. Для очистки воздуха при сварке, пайке и других подобных процессах выпускаются высокоэффективные фильтры.

Фирмы, производящие подобное оборудование, рекламируют их как теплоутилизаторы со 100%-ной эффективностью, так как весь воздух возвращается в очищенном виде в рабочее помещение, при этом уменьшаются отопительная нагрузка и воздухопроизводительность вентиляционных установок.

Традиционные схемы и системы, рассчитанные по валовому поступлению вредностей в весь объем помещения и на воздухообмен всего объема помещения, становятся неэкономичными из-за существенных капитальных вложений и эксплуатационных издержек.

4. Практически полный охват всех технологических устройств с вредными выделениями системами локальной вытяжной вентиляции, с подводом приточного, зачастую кондиционируемого воздуха к рабочим постам. Это особенно характерно для гибких автоматизированных производств машиностроения, приборостроения, электронных производств и др. В сочетании с устройствами регенерации вытяжного воздуха, теплоутилизаторами и другими системы кондиционирования воздуха приближаются к установкам безотходной технологии.

Компоновочное построение установок

Анализ кондиционеростроения показывает, что за последние 20-30 лет компоновочно центральные установки не претерпели серьезных изменений. Основу производства большинства фирм составляют секционные, блочно-секционные и блочные установки по следующим компоновкам:

прямоточные — с одно- и двухступенчатым подогревом; с поверхностным и (или) контактным тепломассообменным устройством; с сухим воздушным фильтром из объемных фильтрующих материалов; с теплоутилизационным блоком (рис. 1);

рециркуляционные (дополнительно к прямоточным компоновкам) — со смесительными камерами; с блоком второго вентилятора;

Можно выделить в отдельную компоновочную схему приточно-вытяжные установки (рис. 2), сочетающие в едином блоке приточную и вытяжную установки и теплоутилизационное устройство (рекуперативный пластинчатый воздухо-воздушный теплоутилизатор; регенеративный вращающийся роторный теплоутилизатор; теплообменники на базе тепловых труб).

Рис. 1. Прямоточный центральный кондиционер	Рис. 2. Приточно-вытяжная установка

Во всех компоновочных схемах используются радиальные вентиляторы. Применение осевых вентиляторов отмечено только для центральных кондиционеров в Германии, при этом с целым рядом условий по особому заказу.

Для кондиционеров и приточных вентиляционных установок, как правило, не применяются камеры обслуживания, смотровые, переходные и подобные секции. Основные технологические секции примыкают непосредственно друг к другу. Для ремонтных работ предусматриваются открывающиеся герметичные двери или съемные панели, а в нижней части секции — направляющие для выкатки элементов из секции. Такое компоновочное решение сокращает общую длину установки (иногда на несколько метров).

Отказ от камер обслуживания и внедрение компоновок сокращенной длины возможны только при переходе на панельную конструкцию кондиционеров.

В то же время достаточно широко выпускаются моноблочные приточные и приточно-вытяжные установки (как правило, небольшой производительности — до 10 тыс. м³/ч), сочетающие все оборудование в едином блоке; при этом элементы системы автоматики помещены в корпус установки и выполнен внутренний монтаж кабелей (рис. 3).

Рис. 3. Моноблочная приточно-вытяжная установка

Панельная конструкция кондиционеров

В последние годы панельная конструкция стала преобладающей в зарубежном и отечественном кондиционеростроении.

Принцип построения кондиционеров панельной конструкции заключается в следующем.

На основании (как правило, рама из профилированного стального проката) устанавливается каркас кондиционера в виде П-образной формы с модулями для размещения технологических секций (рис. 4). Все силовые элементы каркаса образованы из специальных алюминиевых или стальных профилей. Панели (толщиной 20-60 мм) представляют собой многослойные (минимум трехслойные) пластины. В качестве облицовочных слоев панели применяются оцинкованная сталь толщиной 0,6-0,7 мм без окраски или с окраской. Внутреннее пространство панели заполнено материалом с высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами (рис. 5).

Панели очень легки. Крепятся панели в каркасе по-разному, в основном, с помощью специальных профилей, стыки между панелями герметизируются эластичным герметикой.

Изготовители используют панели различных конструктивных размеров, что связано с унификацией параметрического ряда кондиционеров внутри фирмы.

Переход на панельные конструкции кондиционеров позволяет сократить трудоемкость сборочных операций при монтажно-демонтажных работах. Кроме того, панельная конструкция существенно улучшает эстетический вид кондиционера.

Рис. 4. Компоновка панельных кондиционеров

Рис. 5. Элементы конструкции панельных кондиционеров

Кондиционеры наружной установки

Отметим, что в последние годы увеличился выпуск установок наружного исполнения. Это вызвано значительной стоимостью производственных площадей, в том числе занимаемых установками систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Такая ситуация предопределила основные направления работ в этой области.

1. Сокращение общей длины компоновки кондиционера и габаритов всего сопутствующего оборудования (насосно-бакового хозяйства, холодильного и т.д.) в общем сокращении площади машинного зала для вентиляционного оборудования.

2. Полный вынос установки кондиционера за пределы здания. Для зарубежного строительства с частным землевладением и высокой стоимостью земли вынос кондиционера из помещения осуществляется только на кровлю здания (“roof-top”), при этом подвалы и технические этажи зарубежные специалисты приравнивают к производственным площадям.

Кондиционеры поставляются полностью заводской готовности, т. е. в каркасе с панельным ограждением (рис. 6). Основание поставляется отдельно и заказывается в зависимости от уклона крыши. Кондиционеры размещаются в панельном каркасе из стального листа толщиной 1 мм с многослойным водоотталкивающим покрытием. Между двумя стальными листами размещается теплоизоляционный слой (60-70 мм). Вход в компоновку осуществляется через водоуплотненную дверь. Стыки между панелями уплотняются с помощью герметика.

Кондиционеры подвергаются обкатке и предварительной настройке на заводских стендах по заданным проектом параметрам. Подключение кондиционеров к магистралям теплохладоносителей, электроснабжению, канализации и т. д., осуществляется в нижней части каркаса.

Рис. 6. Монтаж крышного кондиционера

Приведем краткую характеристику основных технологических секций установок обработки воздуха.

Воздушные клапаны. Для большинства кондиционеров приняты клапаны с параллельным и со встречным движением створок.

Смесительные камеры. Все фирмы выпускают смесительные камеры по схеме со свободным смешением двух потоков. Следует отметить, такая конструкция смесительных камер не исключает температурные расслоения, возникающие при смешении двух потоков с различными температурами.

Воздушные фильтры. Воздушные фильтры — это обязательный элемент любой приточной вентиляционной установки. В компоновке приточной установки или кондиционера воздушные фильтры выполняют двойную функцию: очистка обрабатываемого воздуха от пыли и защита остальных технологических секций от пыли. Основной упор делается на применение только сухих фильтров, как правило, карманных. Применение таких фильтров для кондиционеров снижает их аэродинамическое сопротивление, повышает пылеемкость и увеличивает срок службы фильтра до требуемой замены (регенерации эти фильтры не подлежат).

К сожалению, практически не применяются в конструкциях приточных установок и кондиционеров масляные самоочищающиеся фильтры, которые хорошо зарекомендовали себя при очистке воздуха с большой запыленностью.

Теплоутилизаторы. Использование теплоты внутреннего (вытяжного) воздуха помещения наряду с рециркуляцией и механической очисткой

является одним из основных в энергосберегающих программах фирм и. Применяются рекуперативные пластинчатые воздухо-воздушные и регенеративные вращающиеся роторные теплоутилизаторы, теплообменники на базе тепловых труб.

Воздухонагреватели (воздухоохладители). Отметим основные направления работ в области поверхностного теплообмена.

1. Применение новых интенсифицированных поверхностей, которые за счет удачного сочетания конструктивных параметров оребрения и трубок, протяженности теплоотдающего канала и т.д. обеспечивают максимальный коэффициент теплопередачи при минимальных энергетических затратах на перемещение воздуха и воды.

2. Применение для массового производства теплообменников высокоэффективных конструкционных материалов, в первую очередь цветных металлов. Использование сочетания “медная трубка + алюминиевая пластина” дает возможность выполнять компактные теплообменники с высокими теплоаэродинамическими характеристиками.

3. Снижение толщин металла, применяемого для изготовления теплообменников (например, для пластин применяется лента 0,1-0,2 мм).

4. Широкое применение схемы холодоснабжения с воздухоохладителем непосредственного испарения. В этом случае испарителя холодильной установки встраивается в конструкцию приточной установки или кондиционера.

Тепломассообменные аппараты. Значительно снизилось применение камер орошения форсуночного типа. Это вызвано их громоздкостью, энергоемкостью и ненадежностью работы. Проводимые в этом направлении за рубежом работы не нашли широкого применения, и рекламировавшиеся ранее форсунки высокого давления не значатся сейчас в основных номенклатурах фирм. Основная причина этого — низкая эксплуатационная надежность.

В основном применяются увлажнители с орошаемыми насадками (сотовые), специально приспособленные для включения в состав установок. Такие увлажнители применяются только для адиабатического увлажнения воздуха с тремя номинальными значениями коэффициента адиабатической эффективности: 0,65, 0,85 и 0,95. Установки характеризуются малым расходом электроэнергии по сравнению с форсуночными камерами орошения.

В конструкциях центральных кондиционеров появились секции с вращающимися дисковыми и пневматическими увлажнителями.

Достаточно редко для увлажнения воздуха применяются паровые увлажнители. Основной причиной этого является высокая стоимость электроэнергии и, соответственно, значительные эксплуатационные расходы.

Отметим необходимость дальнейших исследований в области применения камер орошения. Представляется перспективным для внедрения принцип количественного изменения подачи воды в зависимости от изменения параметров обрабатываемого воздуха, особенно в сочетании с количественным регулированием воздухопроизводительности кондиционера (или камеры орошения при байпасировании). При этом: могут быть сокращены расходы теплоты на второй подогрев и снижено потребление энергии насосом и вентилятором кондиционера (для некоторых режимов). Полным решением задачи оптимизации энергозатрат кондиционера можно считать переход на автоматическое регулирование по методу “оптимальных режимов”. В этом случае работа камеры орошения, ее насосного блока, байпаса и т. д. рассматривается совместно с работой остальных секций, климатологическим состоянием наружного воздуха в данный момент, параметрами объекта кондиционирования, статических и динамических характеристик объектов регулирования.

Вентиляторные агрегаты. Практически все фирмы перестали выделять отдельно вентиляторы для кондиционеров и для вентиляционных систем. Раньше такое деление объяснялось экономическими причинами (т.е. стоимость вентилятора кондиционера была намного больше стоимости обычного вентилятора), количеством часов использования, спецификой назначения и т. д. В настоящее время в номенклатурах большинства фирм выделяются отдельно только вентиляторы технологического назначения и для встраивания в различные аппараты и машины.

Рассмотрим несколько направлений работ по совершенствованию вентиляторов.

1. Номенклатура оборудования для систем вентиляции и кондиционирования воздуха составляет тысячи единиц; обеспечиваются практически любые, требуемые заказчиком параметры воздуха в зависимости от назначения систем и условий их эксплуатации. Типоразмеры вентиляторов для применения в установках, как правило, соответствуют стандартизованному типовому ряду R20.

2. Многообразие типов применяемых электродвигателей, учет особенностей работы вентиляторов в сети и широкое применение количественного регулирования. В основном, для привода вентиляторов используются короткозамкнутые трехфазные электродвигатели. Однако наряду с электродвигателями основного исполнения устанавливаются также отдельные модификации этих двигателей: многоскоростные, с фазным ротором, с повышенным скольжением и др.

3. Фирмы отступают от традиционных компоновок радиальных вентиляторов со спиральным корпусом и разрабатывают новые аэродинамические схемы корпусов. Находят широкое применение радиальные вентиляторы без кожуха (рис. 7), позволяющие уменьшить длину установки.

4. Особенностью некоторых вентиляторов является размещение электродвигателя внутри рабочего колеса вентилятора (электродвигатель с внешним ротором). Вентилятор в этом случае компактен, двигатель охлаждается потоком воздуха (рис. 8).

Рис. 7. Радиальный вентилятор без кожуха, встроенный в панельный кондиционер

Рис. 8. Вентилятор с электродвигателем с внешним ротором, встроенный в панельный кондиционер

Заключение

1. Анализ показывает, что центральные установки систем вентиляции и кондиционирования воздуха занимают основное место в мировом и отечественном кондиционеростроении. В последние годы фирмы, производящие оборудование, ограничили номенклатуру центральных установок воздухопроизводительностью 100-120 тыс. м³/ч. Это связано с экономическими факторами, в первую очередь — снижением энергетических затрат.

2. Наблюдается тенденция к сокращению сроков обновления выпускаемого оборудования для систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Создаются кондиционеры со специфическими требованиями для конкретных условий применения: в северном исполнении, с блоками для химической очистки воздуха, взрывозащищенного исполнения и др.

3. Большинство центральных кондиционеров не имеют камер обслуживания, в связи с чем занимают меньшую площадь; при этом кондиционеры имеют панельную конструкцию с теплозвукоизоляционными панелями. Зарубежное кондиционеростроение все большее внимание уделяет производству кондиционеров наружной установки.

4. Основное применение для очистки воздуха от пыли находят сухие карманные фильтры.

5. В приточных установках систем вентиляции и центральных кондиционерах применяются поверхностные теплообменники из цветных металлов, как правило, медная трубка + алюминиевая пластина.

6. В компоновках центральных кондиционеров для эффективного тепломассообмена применяются камеры орошения и насадочные увлажнительные устройства.

7. Изменения технологии производства для основных отраслей промышленности и увеличение объема реконструкции определяют необходимость применения “модульных установок”, обслуживающих определенный строительный модуль — ячейку пола или объем цеха, с размещением их вне здания (на кровле) или вне технологических площадей (на колоннах, в межферменном пространстве и т.д.).

8. Общая тенденция развития мирового и отечественного кондиционеростроения — это экономия энергетических и материальных ресурсов при достижении и обеспечении требуемого микроклимата в обслуживаемом объекте.