Экологичность систем вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха.

В настоящее время важным аспектом является уменьшение вредного воздействия систем вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха (систем ВОК) на окружающую среду на всех стадиях их полного жизненного цикла, включающего добычу сырья, получение материалов для изготовления комплектующих, производство систем ВОК, их эксплуатацию (функционирование) и утилизацию (рекуперацию).

Функционирование систем ВОК обусловливает отрицательное воздействие в первую очередь на внешнюю воздушную среду. Поэтому, как указывалось выше, такие системы должны быть снабжены устройствами для очистки атмосферных выбросов от вредных пылевых и газообразных веществ, содержащихся в удаляемом из помещения воздухе. Этот вопрос достаточно исследован и меры по обеспечению защиты окружающей среды в этом плане неизвестны и широко применяются на практике.

Вместе с тем, на обеспечение функционирования систем ВОК тратится тепловая и электрическая энергия, которая изначально предопределяет затраты топлива, например, на ТЭЦ. Естественно, что этот источник снабжения систем ВОК энергией является одновременно причиной загрязнения окружающей среды, и чем больше энергозатраты системы, тем значительнее будет воздействие на экологию. Следовательно, одним из важных показателей экологичности систем ВОК является их уровень энергопотребления, который должен быть минимизирован при условии сохранения возможности обеспечения этими системами требуемых параметров микроклимата в помещениях. Отсюда возникает такое важное с экологической точки зрения понятие, как энергосбережение в системах ВОК, которое может обеспечиваться различными путями.

Первое направление учитывает то, что при установленных наружных условиях производительность системы зависит от принятой расчётной температуры воздуха на рабочем месте: чем больше разность между наружной и внутренней температурами, тем выше должна быть тепло - или холодопроизводительность установки, а следовательно, и её энергопотребление. Отсюда вытекает, что с точки зрения снижения энергозатрат на функционирование системы целесообразно эту разность уменьшить за счёт внутренней температуры (при сохранении её значения в рамках санитарной нормы), сблизив её с наружной. Этот приём широко применяется в современных системах ВОК, где температурный параметр микроклимата принимается, как правило, по предельно допустимой величине.

Второе направление в определённой мере связано с первым и относится, в основном, к установкам охлаждения приточного воздуха. Оно нашло отражение в СНиП 2.04.05-91*, где с целью экономии энергии регламентируется в первую очередь применять установки прямого или косвенного водоиспарительного действия (как наименее энергоёмкие), а системы с холодильной машиной следует реализовать только в случае, если первые по каким-либо причинам не могут обеспечить нормируемых параметров микроклимата, причём выбор источника холода должен быть экономически обоснован.

Третье направление связано с рационализацией движения потоков воздуха в системах. Поскольку, как правило, в производственных объектах используются приточно-вытяжнне системы, то здесь имеет место следующее.

В холодный период года наружный воздух, например, с температурой t_н^от = - 20°С поступает в систему отопления, имеющую соответствующую подачу нагретого воздуха L_от и теплопроизводительность Q_0T для поддержания на рабочем месте нормируемой температуры воздуха t_п^от = 14°С. Далее воздух с такой температурой в количестве L_выбр = L_от удаляется из помещения во внешнюю среду с указанной минусовой температурой. Следовательно, при такой организации движения приточного и выбросного потоков воздуха в атмосферу будет нерационально поступать теплота в количестве:

Q^0T_выбр = С_р ρ^от_выбр L^от_выбр(t_п^от - t_н^от). (4.113)

здесь ρ^от_выбр - воздуха при температуре t_п^от, кг/м³.

Из уравнения (4.113) следует, что при t_п^от - t_н^от =34⁰С и L^от_выбр = L_от количество выброшенной теплоты Q^0T _выбр по сравнению с Q_0T при прямоточном режиме работы системы отопления (см. формулу 4.92), обусловленной разностью температур t_от - t^от_н = 60°C, весьма существенно (около 50% от Q_от) и тратится на обогрев окружающей среды. Для снижения нерационального расхода производимой в системе теплоты целесообразно применить режим работы с частичной рециркуляцией (см. формулу 4.94) со снижением значения L_выбр до санитарной нормы свежего воздуха L_н, т. е. с существенным её уменьшением в несколько раз. Например, в случае расчёта производительности отопителя при L_от = 255 м³/ч принято L_выбр =L_н = 40 м^э/ч.

Необходимо отметить, что режим частичной рециркуляции может быть использован и в системах охлаждения приточного воздуха, поскольку здесь также имеет место существенная разность между значениями температуры выбросного (t_выбр = t_к) и температуры наружного воздуха, что обусловливает поступление в атмосферу холода в количестве:

Q^охл_выбр = С_р ρ^охл_выбр L^охл_выбр(t_н – t_к). (4.114)

где ρ^охл_выбр – плотность воздуха при температуре t_к, кг/м³.

Однако следует иметь в виду, что частичная рециркуляция применима лишь в системах с холодильной машиной, работающих в режиме с осушением обрабатываемого воздуха, что может обеспечить в этом случае выполнение норматива по относительной влажности на рабочем месте. При водоиспарительном охлаждении воз­духа такой режим реализовать невозможно.

Вместе с тем, в ряде случаев режим частичной рециркуляции воздуха не может быть применён и в системах отопления, например, когда выделения вредных веществ в помещении настолько велики, что здесь необходимо удалять вытяжным вентилятором весь воздух, поступивший сюда через систему его подогрева. В этой ситуации снижение энергозатрат может быть достигнуто путём использования (утилизации) теплоты вытяжного (выбросного) воздуха для первичного подогрева наружного приточного воздуха, после чего он нагревается до необходимой кондиции в теплообменнике отопителя. Для этой цели используют специальные агрегаты- рекуператоры теплоты (теплоутилизаторы) различных типов.

На рис.4.86 представлена схема приточно-вытяжного агрегата с пластинчатым теплообменником-утилизатором, снабженного соответствующими вентиляторами и рекуперационным блоком с фильтрами из синтетического моющегося материала, защищающими этот блок от загрязнения. Здесь применён теплообменник противоточного типа, тепловой КПД которого достигает 0,65...0,75 при габаритных размерах 816x562x483 мм в расчёте на производительность по воздуху 330 м^э/ч.

Однако опыт применения утилизаторов такого типа показывает, что в климатических районах России с относительно низкими расчётными температурами наружного воздуха по СНиП 2.04.05-91* использование их в зимнее время в составе систем ВОК неизбежно связано с обмерзанием сконденсировавшейся на поверхности теплообменника влаги, удаляемой из выбросного потока воздуха. Замерзающая влага в виде инея и наледи постепенно перекрывает каналы для прохода удаляемого воздуха, что в итоге нарушит работу системы ВОК. Это является главным препятствием для применения утилизаторов теплоты такого типа в условиях России, в то время как в Европе, где расчётная температура наружного воздуха в холодный период года составляет не ниже минус 4°С, они успешно используются.

 

Рис.4.86. схема приточно-вытяжного агрегата с утилизатором теплоты: 1 – приточный вентилятор; 2 - вытяжной вентилятор; 3 - пластинчатый теплообменник-утилизатор;

4 - приточный фильтр; 5 - вытяжной фильтр; 6 - термостат размораживания;

Дренажный патрубок

 

Существует граница обмерзания таких теплообменников-утилизаторов можно сдвинуть до минус 9°С, если движение удаляемого воздуха по вытяжным каналам осуществить с повышенной скоростью, что позволяет сдувать этим потоком сконденсированные капли воды с их стенок. Дальнейшее же расширение границ использования утилизаторов теплоты выбросного воздуха связано с необходимостью поддержания на теплоизвлекающей поверхности положительной температуры независимо от температуры поступающего в теплоутилизатор холодного наружного воздуха с целью исключения замерзания конденсата. Наиболее полно этому требованию отвечает установка для утилизации с насосной циркуляцией промежуточного теплоносителя - антифриза, температура которого может поддерживаться на уровне, не допускающем образование инея и льда на теплоизвлекающей поверхности. Однако утилизаторы такого типа конструктивно сложны и относительно дороги, что сдерживает их широкое применение на практике.

Вместе с тем, вышедшие из эксплуатации системы ВОК, как и всякая другая техника, являются промышленными отходами и поэтому представляют собой определённую угрозу для окружающей среды ввиду её засорения отработавшими узлами, деталями и материалами. Поэтому одним из важных показателей экологичности систем ВОК с указанной позиции является возможность утилизации и рекуперации путём повторного использования комплектующих деталей и узлов или в том виде, как они есть, или после восстановления, что обеспечивает взаимосвязь стадии утилизации с другими стадиями жизненного цикла. Следовательно, с указанной позиции показателем экологичности конструкции систем ВОК является способность достаточно быстрого (лёгкого) монтажа и демонтажа составляющих агрегатов, т. е. их высокая ремонтопригодность. Указанное качество современных систем ВОК можно обеспечить, если в их конструкцию уже на стадии проектирования будут заложены прогрессивные методы построения моделей различных модификаций. В машиностроении распространена унификация, служащая научно-обоснованным методом создания и регламентации рациональной номенклатуры объектов многократного применения, к которым можно отнести системы ВОК. При этом, одним из основных направлений развития современной техники, использующих унификацию, является разработка технических систем, в основу конструирования которых положен принцип агрегатно-модульного построения изделий. При этом унификация и агрегатирование, а на их основе модульный принцип проектирования позволяет обобщить и использовать уже применённые конструктивные и технологические решения при создании новых изделий и их утилизации в последующих этапах жизненного цикла. Это отвечает требованиям экологичности создания и эксплуатации систем ВОК.

Заказанный принцип проектирования использован в конструк­ции современных систем ВОК. Например, разработки отечественной фирмы «Веза», базирующиеся на блочномодульном построении систем ВОК в широком диапазоне расходов воздуха от 1,6 до 100 тыс. м³/ч, предназначенных для стационар­ных объектов. Здесь рассматриваемая сторона вопроса учтена, и это даёт определённый экологический и экономический эффект в полном жизненном цикле таких изделий.

Особенно наглядно использование метода блочно-модульного построения систем ВОК можно продемонстрировать на примере создания «Системы модульных типизированных и унифицированных средств нормализации микроклимата и оздоровления воздушной среды (СНМ)» для кабин мобильных объектов. Схема построения модификаций моделей СНМ показана на рис. 4.87.

Здесь базовым модулем является несущая закрепляемая непосредственно на кабине камера, к которой со стороны противоположной вентиляторному агрегату с помощью унифицированного разъёма могут присоединяться различные другие функциональные модули (включая непоказанный здесь воздушный фильтр) с образованием следующих моделей подсистем с их условным обозначением, например, для серии СНМ-1: №1 - вентиляционная установка (СНМ-1-1); вентиляционно-отопительная установка (СНМ-1-2); адиабатный водоиспарительный воздухоохладитель (СНМ-1-3); адиабатный воздухоохладитель с отопителем (СНМ-1-4); хладоновый кондиционер (СНМ-1-5); хладоновый кондиционер с отопителем (СНМ-1-6). При этом требуемая производительность по воздуху в моделях обеспечивается путём применения в конструкции необходимого числа одинаковых вентиляторов.

Рис. 4.87. Схема построения модификаций моделей СНМ: 1 - вентиляторный агрегат; 2 - камера выравнивания давления; 3 - обрабатываемый поток воздуха; 4 - приточный поток воздуха; 5- теплообменник отопителя; 6 - аппарат адиабатного водоиспарительного охлаждения; 7 - теплообменник испарителя хладонового кондиционера; № 1-6 - условные номера модификаций СНМ

 

Тогда высота блоков обработки воздуха будет одинакова во всех моделях СНМ, а их ширина зависит от числа применённых вентиляторов в базовых моделях, т. е. связана с производительностью по воздуху. Более подробно устройство одной из моделей этой СНМ была рассмотрена ранее на рис.4.79 (СНМ в виде адиабатного воздухоохладителя с отопителем).

СНМ представляет собой серии унифицированного типажа изделий, включающего сочетание модификаций моделей с различной производительностью по воздуху: СНМ-0 (сверхтяжелая серия с расчётной номинальной увеличенной и уменьшенной подачей соответственно 1000 и 700 м³/ч), СНМ-1 (тяжелая серия - 700 и 500 м³/ч), СНМ-2 (средняя серия - 550 и 400 м³/ч), СНМ-3 (лёгкая серия - 400 и 300м³/ч). Для выполнения этого условия базовая модель СНМ-О (т. е. с увеличенной подачей воздуха) имеет пять вентиляторов, а её модификация (т. е. с уменьшенной подачей воздуха) имеет четыре вентилятора; СНМ-1 - соответственно четыре и три; СНМ-2 -три и два; СНМ-3 - два и один. Такое построение моделей СНМ обеспечивает конструктивную и технологическую унификацию её моделей, отвечающую современным требованиям к системам ВОК по экологичности на всех стадиях жизненного цикла.

 

ВОПРОСЫ к разделу 4.7.2.

1. Какими параметрами характеризуется состояние влажного воздуха?

2. Чем характеризуются процессы нагревания и охлаждения воздуха при его контакте с сухой и влажной поверхностями?

3. Чем характеризуются вредные вещества и как они классифицируются по физиологическому действию на человека и по агрегатному состоянию?

4. В чём заключается принцип нормирования содержания вредных веществ в рабочей зоне?

5. Что такое дискомфортные, комфортные, оптимальные и допустимые параметры микроклимата и от чего зависят их показатели на постоянных рабочих местах?

6. В чём заключается специфика выбора нормируемых параметров микроклимата на непостоянных рабочих местах (на примере кабин мобильных объектов)?

7. Какие системы вентиляции используют в производственных помещениях и чем они характеризуются?

8. Как рассчитать необходимый воздухообмен в помещениях
с различными условиями?

9. Какие типы местных отсосов применяются в производственных помещениях и чем они характеризуются.

10. Как оценивается эффективность очистки воздуха от вредных примесей и как классифицируют уровень совершенства аппаратов очистки (на примере пылеуловителей)?

11. Как классифицируются аппараты для пылеочистки по принципу действия и чем характеризуются их конструкции?

12. Какие методы и средства применяются для очистки воздуха от вредных газообразных примесей и чем они характеризуются?

13. Какие типы воздушного отопления применяются в производственных помещениях и чем они характеризуются?

14. Как рассчитать необходимую производительность системы отопления на различных режимах работы?

15. Каким образом при отоплении осуществляют выполнение норматива по относительной влажности воздуха на рабочем месте и почему это является необходимым условием функционирования системы в холодный период года?

16. Какой процесс осуществляется при обработке охлаждаемого воздуха в установках прямого водоиспарительного действия и как производится выбор их параметров?

17. Как устроена форсуночная камера орошения и насадочный адиабатный воздухоохладитель?

18. Что такое косвенное водоиспарительное охлаждение воздуха и как производится оценка его эффективности и выбор параметров в аппаратах одноступенчатого и двухступенчатого (косвенно-прямого) действия?

19. В чём заключается принцип работы хладонового кондиционера и как производится выбор необходимого режима его работы и оценка его параметров?

20. Как устроены радиальные вентиляторы, какие существуют их конструктивные схемы и в чём заключается влияние размеров корпуса, ориентации лопаток колеса и частоты его вращения на параметры агрегата?

21. Что такое индивидуальная аэродинамическая характеристика вентилятора, характеристика сети, как провести согласование режимов их работы и рассчитать энергетические затраты на его привод?

22. По каким показателям можно оценить экологичность систем ВОК в процессе эксплуатации и как это обеспечивается на практике?

23. Как в современных системах ВОК обеспечивается возможность утилизации и рекуперации их отработавших узлов и деталей и какой метод построения заложен в их конструкцию на стадии проектирования с целью повышения экологичности по этому показателю?

 

Производственное освещение.