eng
Содержание
Содержание
1.
Введение в климатехнику
1.1.
Климатехника и гигиена
1.1.1.
Тепловой комфорт и качество воздуха
1.1.2.
«Синдром больных зданий» (SBS)
1.2.
Кондиционирование воздуха – но как?
1.3.
Представление термодинамических функций обработки воздуха на h,x-диаграмме
1.4.
Об использовании климатехнических терминов
2.
Мировой рынок климатической техники
3.
Комнатные кондиционеры малой мощности
3.1.
Предварительная информация
3.2.
Моноблочные стационарные комнатные охлаждающие (отопительные) приборы для оконного и настенного монтажа (оконные кондиционеры)
3.3.
Мобильные охлаждающие (отопительные) приборы (напольные)
3.3.1.
Принцип действия и конструкции
3.3.2.
Обзор рынка комнатных кондиционеров (выдержка)
3.3.2.1.
Моноблочные мобильные комнатные кондиционеры с одним шлангом
3.3.2.2.
Моноблочные мобильные комнатные кондиционеры с двумя шлангами
3.3.2.3.
Комнатные кондиционеры из двух блоков, соединенных гибким проводом
4.
Кондиционеры сплит-систем
4.1.
Концепция системы и принцип работы
4.2.
Компрессионный цикл охлаждения – методическая основа климатехники сплит-систем
4.2.1.
Термодинамические закономерности
4.2.2.
Регулирование сплит-систем
4.3.
Компрессор
4.3.1.
Поршневые компрессоры
4.3.2.
Герметичный спиральный компрессор Scroll
4.3.3.
Герметичный ротационный компрессор с вращающимся поршнем
4.4.
Охлаждение и обогрев тепловыми насосами типа «воздух-воздух»
4.4.1.
Функция обогрева тепловых насосов
4.4.2.
Использование тепловых насосов в качестве современных, энергосберегающих устройств кондиционирования воздуха
4.4.3.
Характеристики использования сплит-систем малой мощности1), выполненных в виде тепловых насосов
4.4.4.
Холодильная и отопительная нагрузка
4.5.
Многообразие сплит-систем
5.
Практическое использование сплит-систем
5.1
Предписания по монтажу и эксплуатационные свойства
5.2.
Исполнение сплит-систем номинальной холодильной мощностью до 14 кВт на один наружный блок
6.
Мультизональные VRF-системы
6.1.
VRF-системы в качестве комфортабельных систем для частичного кондиционирования воздуха
6.2.
Технология мультизональных VFR-систем
6.2.1.
Характерные черты и особенности
6.2.2.
Концепция и компоненты системы
6.2.3.
Регулирование мощности VRF-систем
6.2.3.1.
Введение в принципы регулирования
6.2.3.2.
Регулирование частоты вращения компрессора с помощью частотного преобразователя (инверторная техника)
6.2.3.3.
Метод регулирования без преобразователя частоты
6.2.3.4.
Объединенные мультизональные VRF-системы высокой мощности
6.2.4.
Конфигурации систем
6.2.4.1.
Охлаждение и обогрев в альтернативном режиме (двухтрубная система)
6.2.4.2.
Охлаждение и обогрев в синхронном режиме (трехтрубная система)
6.3.
Эксплуатационные свойства и экономичность /45/
6.3.1.
Общие эксплуатационные свойства
6.3.2.
Поля распределения температур и скоростей воздуха в кондиционируемом помещении
6.3.3.
Поведение при частичных нагрузках и годовое потребление энергии
6.3.4.
Оценка экономичности
6.3.4.1.
Эксплуатационные и капитальные затраты по сравнению с традиционными системами вентиляции
6.3.4.2.
Ориентировочный расчет затрат на энергию для мультизональных VRF-систем
6.4.
Основы расчета параметров систем
6.4.1.
Этапы планирования
6.4.2.
Пояснительный пример к расчету климатической системы с большой долей наружного воздуха и рекуперацией тепла
6.5.
Примеры установленных мультизональных VRF-систем
6.5.1.
Системы для частичного кондиционирования и моновалентного обогрева
6.5.2.
Системы для частичного кондиционирования с дифференцированным использованием функций охлаждения и обогрева
6.5.3.
Кондиционирование жилых помещений
7.
Перспективы на будущее
Список литературы
Поставщики переносных комнатных кондиционеров, сплит- и мультисплит-систем (отрывок)
Специализированные предприятия по холодильной и климатической технике (отрывок, расположены в порядке увеличения почтового индекса)
Предметный указатель
Предисловие
Современная техника для ремесленных предприятий-производителей и установщиков холодильного оборудования
Сегодня, именно во время кризиса, предприятия-производители и установщики холодильного оборудования демонстрируют свою ответственность за окружающую среду и мышление, ориентированное на будущее. Сплит- и VRF-мультисплит-системы – это технология будущего, которая в виде систем для частичного кондиционирования воздуха и тепловых насосов уже сейчас оказывает большое влияние на экономичное и экологичное охлаждение, обогрев и осушение воздуха в зданиях. Для специализированных предприятий по холодильной и климатической технике это технология, которая находит все более широкое применение и обеспечивает работой многих людей. Я рад, что в данной книге четко представлены понятия сплит- и VFR-мультисплит-систем в области кондиционирования помещений. Только специализированное предприятие в состоянии провести грамотный монтаж такой системы и выполнить все предписания и требования, которые сегодня предъявляются законодателями к деятельности в данной области.
Бонн, июнь 2002 Вальтер Ф. Шпехт
Председатель германской гильдии
Принятие решения в пользу определенной климатической системы зависит от различных обстоятельств. Экономичность и индивидуальный комфорт относятся к решающим факторам. При этом VRF-мультисплит-системы для частичного кондиционирования воздуха за последние годы смогли выдвинуться на передний план. С уверенностью можно сказать, что причины этого, с одной стороны, кроются в хорошем регулировании мощности и малой потребности в площади и пространстве. Но с другой стороны, в качестве решающего фактора необходимо назвать, прежде всего, способность к их интеграции в вентиляционные системы здания, обеспечивающие основную подачу воздуха. Комбинированные системы типа «воздух-вода» являются конкурентами при оснащении офисных и административных зданий. Благодаря технической готовности мультисплит-систем к серийному производству с точки зрения отсутствия акустических дефектов и неисправностей в системах автоматического регулирования, сохраняются и другие достоинства. Вследствие этого климатические VRF-мультисплит-системы будут иметь значительные конкурентные преимущества и в будущем.
Дрезден, июль 2002 Профессор, доктор инженерных наук
Уве Францке
ILK Дрезден
В английском языке слово Air-Conditioning является синонимом не таких видов климатической техники, как в немецком. В то время как в Германии под термином «климатехника» в первую очередь понимается обработка и подача наружного воздуха, термин Air-Conditioning обозначает преимущественно осушение и охлаждение воздуха в помещении. Приборы и системы «другой климатехники» при подключении по схеме теплового насоса можно использовать для обогрева. При этом, как и при охлаждении и осушении, возможно регулирование по отдельным помещениям или зонирование больших помещений, в том числе и при отоплении. В современных зданиях с большой площадью остекления фасада и высокими внутренними нагрузками вследствие освещения, компьютерных систем и т.п. основное энергопотребление сдвигается от отопления зимой в сторону охлаждения и осушения воздуха летом. При массивных внутренних конструкциях зданий используемая энергия накапливается в аккумулирующей массе, благодаря чему температура воздуха в помещениях остается низкой. Однако относительная влажность воздуха в помещении при этом увеличивается настолько сильно, что, несмотря на низкую температуру воздуха, климат в помещении становится почти невыносимым. Директива о рабочих местах строго регламентирует минимальную температуру воздуха в помещении. Ограничение температуры воздуха в помещении летом является рекомендацией, а какое-либо ограничение на максимальную влажность воздуха отсутствует вовсе. И практически не учитывается, что человек не может воспринимать каждый из факторов – температуру или влажность – по отдельности. Для его теплового обмена оба эти фактора являются одинаково важными. При сравнении различных характеристик воздуха в помещении многие участники опытов отметили, что воздух при температуре 27 °С и относительной влажности 30 % воспринимаются как более холодный, чем воздух температурой 24 °С и относительной влажности 70 %. Особенно в помещениях, в которых находятся люди, занимающиеся различными видами деятельности, осушение воздуха является важным моментом для ощущения термического комфорта. Люди, занимающиеся малоактивной деятельностью, чувствуют себя комфортно при 26 °С. Если значение влажности воздуха при этом составляет 35 %, то лица, занимающиеся активными видами деятельности, не будут иметь проблем с выравниванием теплового баланса благодаря отдачи влаги с поверхности тела. Поэтому климатехника, в которой обогрев, охлаждение и осушение воздуха регулируются по отдельности, имеет во многих случаях применения значительные преимущества. В частности, если теплопередача от отдельных приборов к центральному устройству происходит с помощью хладагента, испаряющегося в трубопроводах маленького сечения, а не с помощью системы водопроводных труб большого диаметра при малой разнице температур ΔТ.
Эссен, июль 2002 Профессор, доктор инженерных наук
Фриц Штаймле
Университет Эссена
В первом издании книги «Другая климатехника» было наглядным образом показано, какие инвестиционные и эксплуатационные затраты необходимо учитывать для современных VRF-мультисплит-систем. Также книга рассказывала возможностях и ограничениях при использовании данной технологии и о том, какие санитарно-гигиенические и требования необходимо соблюдать при кондиционировании. Для специализированных предприятий по холодильной и климатической технике данное издание является отличным путеводителем в повседневной работе. Оно помогает принять решение при рассмотрении проблем кондиционирования и в равной мере способствует положительному приему систем вентиляции у проектировщиков и пользователей. В области холодильной и климатической техники действует принцип: Кто хочет добиться успеха, должен вовремя распознать новую тенденцию, настроиться на нее и иметь возможность использовать все технологические достижения в интересах своих клиентов. Долговременный экономический успех в значительной мере зависит от того, как выполняются и экологические требования в этой области. «Другая климатехника» – это необходимое справочное пособие для специалистов по холодильной и климатической технике. Выражаю свою благодарность авторам – Петеру Изельту и доктору Ульриху Арднту – за подготовку и выпуск второго издания.
Бонн, июль 2002 Дипломированный экономист
Рудольф Пютц
Ответственный секретарь VDKF/BIV
От авторов
Высокий спрос на книгу, в которой очень подробно рассказывается о «другой климатехнике», привел к тому, что в свет вышло 2 издание с соответствующими дополнениями и изменениями.
То, что 1-е издание книги быстро станет бестселлером о «других» климатических решениях, в Германии было не столь очевидно. Между тем сейчас трудно представить себе работу специализированных предприятий по холодильной технике, а также многих архитектурных и инженерных бюро без использования справочника «Другая климатехника». Особенно радует, что тема кондиционирования с помощью сплит- и VRF-мультисплит-систем все чаще входит в учебный процесс в технических и высших школах и универсистетах.
Выведенная авторами еще в первом издании взаимосвязь между Предписанием по теплозащите, герметичностью зданий и потребностью в осушении воздуха к настоящему времени стала одними из важнейших критериев при использовании VRF-мультисплит-систем. Так как после вступления в силу Предписания об энергосбережении (EnEV 2002) осушение воздуха в помещении имеет преимущество перед отводом тепла (охлаждением), сплит- и VRF-мультисплит-системы являются оптимальным и компактным решением для осушения, охлаждения и обогрева. Ведь комфортный климат в помещении достигается только при одновременном регулировании относительной влажности и температуры воздуха! В этом контексте Директива о рабочих местах, которая, как известно, должна гарантировать полную работоспособность человека, приобретает все большее значение.
Высказывания из предисловия доказывают, что в условиях современной архитектуры и использования зданий, требований Предписания по энергосбережению, а также связанных с этим требований по техническому оснащению зданий больше нельзя пройти мимо другой климатехники, в особенности VRF-мультисплит-систем.
Само собой разумеется, что высказывания совпадают с общим положительным резонансом, который вызвало появление первого издания книги «Другая климатехника». 2-м изданием, содержащим изменения и дополнения, в частности в главах 4.4, 5.2, 6.1-6.3, 6.5 и 7, хотелось бы закрепить этот успех. Кроме этого, приведенный в приложении список немецких предприятий по производству и установке холодильной и климатической техники, поможет заказчикам найти необходимую информацию и получить консультацию у специалистов.
Также мы хотели бы выразить признательность за помощь при подготовке данной книги. Здесь необходимо отдельно поблагодарить специализированные фирмы за предоставление фотографий выполненных ими систем. За подготовку документов благодарим г-на А. Целлера, DAIKIN Airconditioning Germany GmbH (главы 6.3 и 6.5) и инженера Л. Лёшера, MITSUBISHI Electric Europe (главы 6.2 и 6.5).
Также мы благодарим всех сотрудников фирмы Kaut, которые помогали нам в работе над вторым изданием. Следует подчеркнуть всестороннюю поддержку, оказанную г-ном Уве Янцом при компьютерной обработке документов. Выражаем благодарность за сотрудничество издательству и нашему редактору, г-ну Тёпферу.
Дрезден и Вуппертал, август 2002 Петер Изельт
Др. Ульрих Арднт
Предисловие к первому изданию
С 80-х годов в Германии наряду с традиционными системами вентиляции все чаще стали применяться и «другие климатические решения», начиная с портативных приборов до мощных сплит- и мультисплит-систем для частичного кондиционирования воздуха.
Данная книга учитывает этот факт и описывает уровень развития и возможности использования так называемой «другой климатехники». Очевидно, что все еще встречающееся пренебрежение к этой технике является недальновидным. Наоборот, с помощью данных технологий можно расширить область применения климатехники в целом и оптимизировать многие решения. Поэтому данная книга будет полезна для всех, занятых в климатической области, и конечно же, для пользователей и заказчиков климатических систем.
Во времена, когда автоматические климатические системы (также и для частичного кондиционирования) стали почти стандартным оборудованием у многих поставщиков и продавцов, необходимо обратить внимание и на оснащение жилых и офисных помещений комнатными кондиционерами или климатическими системами. Здесь необходимо подчеркнуть, что в связи с предписанием по теплозащите (WSVO 1995) большое значение приобрел, в частности, эффект осушения воздуха, достигаемый с помощью оборудования для кондиционирования помещений.
Также нельзя не заметить тенденции к вентиляции жилых помещений и квартир с использованием рекуперации тепла в сочетании с претенциозными сплит-системами (тепловыми насосами типа «воздух-воздух».
Но и при проектировании офисных зданий, банков, клиник и т.д. все чаще возникает вопрос: выбрать ли полное или частичное кондиционирование с помощью традиционных централизованных систем или с помощью сплит- и мультисплит-систем?
Особой проблемой является установка климатической техники в уже построенные здания. Здесь все чаще выявляются значительные преимущества по стоимости систем в пользу децентрализованных решений. И это действительно не только для зданий, находящихся под охраной, как памятник архитектуры, но и для обычных сооружений.
В данной среди прочего книге подробно рассказано об инвестиционных и эксплуатационных затратах современных мультисплит-систем, возможностях их применения и ограничениях, санитарно-гигиенических требованиях, предъявляемых к кондиционированию, и т.д.
Жаркие летние месяцы прошедших лет, требования Директивы о рабочих местах и не в последнюю очередь уже упомянутое Предписание по теплозащите значительно увеличили сбыт оборудования для децентрализованного кондиционирования, в частности переносных кондиционеров и мультисплит-систем для частичного кондиционирования. Но к сожалению очень часто при принятии решения об инвестициях или покупки той или иной системы оценивается только изменение температуры воздуха в помещении. Известно, что летом в Германии климатическое оборудование должно использоваться для снижения температуры воздуха в помещениях только лишь 25-30 рабочих дней в году. В течение намного большего периода, а именно более 100 дней в году, оно служит для осушения и непосредственно благодаря этому создает в помещении такой климат, который кажется «комфортным» и благоприятен для здоровья людей. Основы термодинамики, требуемые для понимания этих закономерностей, также представлены в этой книге.
Одной из важнейших целей книги является представление требований и возможностей для круглогодичного и экономичного кондиционирования воздуха в помещении с помощью мультисплит-систем. Приведены примеры того, что часто просто невозможно создать необходимые условия только с помощью строительных мероприятий и естественной вентиляции.
Читателю еще раз напоминают о том, что тщательное проектирование и исполнение систем является важнейшей предпосылкой для достижения оптимального состояния воздуха, выполнения гигиенических требований, а также хорошего психического и физического самочувствия людей. Например, мультисплит-системы для частичного кондиционирования, основным элементом которых является холодильная машина, могут устанавливаться только специализированными предприятиями по холодильной и климатической технике, сотрудники которых обладают высокой квалификацией.
Нам бы хотелось, чтобы эта книга дала застройщикам, инженерам-проектировщикам, строителям и учащимся необходимые знания, облегчила решение проблемы кондиционирования и одновременно способствовала одобрению таких систем архитекторами и пользователями.
Мы хотели бы принести благодарность за помощь при подготовке данной книги всем, кто принимал в ней участие, особенно г-на профессора, дипломированного инженера Е. Вобста из Института вентиляционной и холодильной техники (ILK), Дрезден (глава 4.2); г-на Г. Фишера из фирма Copeland (глава 4.3), г-на дипломированного инженера Г. Андерша из Института вентиляционной и холодильной техники (ILK), Дрезден (глава 6.2.3), г-на профессора, доктора естественных наук Б. Иллинга из Западносаксонской Высшей школы Цвикау (глава 6.5.1) и г-на профессора, дипломированного инженера Ч. Рейнхольда из Государственной Академии Глаухау (глава 6.2.2).
Многочисленные документы и фотографии уже установленных и функционирующих систем, предоставленные известными производителями и специализированными предприятиями по холодильной и климатической технике, позволили нам очень подробно и наглядно представить главную тему книги. Выражаем им свою признательность за помощь и поддержку.
Также мы благодарим всех сотрудников фирмы Kaut, которые тем или иным образом помогали нам в работе над этим изданием, в частности, г-на дипломированного инженера Й. Хетманка и г-жу М. Зайбт за помощь в графическом и художественном оформлении.
Отдельную благодарность за сотрудничество выражаем нашему издательству.
Дрезден и Вуппертал, август 1999
1. Введение в климатехнику
1.1. Климатехника и гигиена
1.1.1. Тепловой комфорт и качество воздуха
«Современный» человек живет и работает преимущественно в созданной им самим искусственной окружающей среде. Например, 90% времени люди проводят в закрытых зданиях, в помещениях, в которых должны обеспечиваться условия жизни, соответствующие природным условиям. Особенно это касается такого «продукта жизнеобеспечения», как свежий воздух. Из этого можно вывести основную задачу климатехники – приведение воздуха в помещениях, где пребывают люди, в такое состояние, которое соответствует требованиям гигиены, а именно сохранению и улучшению здоровья человека с помощью устранения вредных факторов окружающей среды и усиления полезных. Эта задача считается выполненной в том случае, если человек в месте своего нахождения чувствует себя хорошо и комфортно, т.е. находится в таких условиях, которые способствуют его здоровью, хорошему настроению и работоспособности. «Ощущение комфорта» в значительной мере определяется с помощью термических и нетермических параметров.
а) Термические факторы комфорта
Так называемый «тепловой комфорт» в основном характеризуют следующие факторы:
– температура воздуха,
– влажность воздуха,
– температура ограждающих поверхностей,
– скорость перемещения (подвижность) воздуха,
– одежда людей,
– вид деятельности, выполняемой человеком.
Рис. 1-1. Область комфортных температур воздуха в помещении /1/
1. Оперативная температура в помещении
2. Температура наружного воздуха
С помощью определенных эмпирическим путем нормативных показателей можно задать такую область теплового комфорта, которая с достаточной точностью будет удовлетворять климатехническим расчетам:
– температура воздуха в помещении от 22 до 26 ºС,
– относительная влажность воздуха от 40 до 60 %.
Значения других параметров приведены на рис. 1-1 и 1-2, а также в директиве о рабочих местах /2/.
На рис. 1-1 наглядно представлена зависимость комфортных температур воздуха в помещении от температур наружного воздуха. Например, разность температур > 7 К для летнего режима охлаждения в климатической установке недопустима и может вызвать простудные заболевания.
Рис. 1-2. Значение средних скоростей воздуха как функции от температуры и интенсивности турбулентности воздуха в области комфорта /1/
1. Температура воздуха в помещении, ºС
2. Средняя скорость воздуха, м/с
3. Интенсивность турбулентности: 5 %
Для наглядности и упрощения расчетов размеров и параметров климатических установок область теплового комфорта графически представлена на так называемой h,x-диаграмме (другие модели см. в главе 1.3) в виде «зоны комфорта» (рис. 1-3).
Но как объяснить комплексное влияние различных факторов? Одним из свойств человеческого организма является способность сохранять при различных внешних и внутренних условиях постоянную температуру тела, равную 37 ± 0,8 ºС. Поэтому особое значение приобретает обеспечение в окружающей среде соответствующего содержания теплоты и влаги. Среди прочего это означает то, что количество выработанной внутренней тепловой энергии (также регулирование температуры с помощью химических процессов) и внешняя теплоотдача (также регулирование температуры с помощью физических процессов) должны быть уравновешены. Регулирование температуры с помощью физических процессов основано на известных механизмах теплопередачи (см. также рис. 1-4):
– конвекция между поверхностью тела и воздухом,
– теплопроводность между поверхностью тела и соприкасающимися поверхностями,
– тепловое излучение между поверхностью тела и ограждающими поверхностями помещения,
– испарение воды на поверхности тела (в том числе испарение пота) и при дыхании.
Рис. 1-3. H,x-диаграмма с обозначенной на ней зоной комфорта (рис. предоставлен Kaut)
1. Плотность ρ (кг/м3)
2. Температура сухого шара (ºС)
3. 1 бар = 105 Па 1 Па = Н/м2
4. мбар
5. х (г/кг сухого воздуха)
6. Температура мокрого шара (ºС)
7. Удельная энтальпия h/(1+х) кДж/кг сухого воздуха
Принципиальное взаимодействие этих механизмов при различных условиях окружающей среды представлено на рис. 1-5.
Рис. 1-4. Распределение теплоотдачи находящегося в покое человека при температуре в помещении 20 ºС /3/
1. Доля
2. Вид теплопередачи
3. Способ теплопередачи
4. Излучение 46 %
5. Сухое или явное тепло QS 79 %
6. Теплоотдача
7. Теплопроводность и конвекция 33 %
8. Через кожу 88 %
9. Влажное тепло или теплота испарения QV 21 %
10. Испарение воды 19 %
11. – Дыхание 2 %,
12. Через легкие 12 %
Рис. 1-5. Механизмы теплопередачи между телом человека и окружающей средой
1. Кожа
2. Излучение, например, солнечное
3. Конвекция
4. Испарение пота
5. Поступление тепла в кровоток
6. В слишком холодной окружающей среде
7. В помещении с комфортным климатом
8. В слишком холодной окружающей среде
На этой диаграмме особенно заметна высокая доля испарения пота при слишком теплой окружающей среде. В то время как при нормальных, комфортных климатических условиях человек испаряет в день примерно 1 л воды и не замечает этого (Perspirativ insensibilis), то при повышении температуры воздуха в помещении и температуры ограждающих поверхностей до 35 ºС эта величина увеличивается до 3 литров. Столь сильное потоотделение вызывается рефлексами нагретой кожи. Удельная теплоотдача составляет около 2,5 кДж/г испаренной воды. Пот выделяется через примерно 2,5 млн. пор в поверхности кожи и содержит от 0,3 до 0,6 % хлористого натрия. Интенсивность испарения пота зависит от градиента давления пара между поверхностью кожи (давление насыщения pS) и воздухом помещения (парциальное давление пара pD), т.е. чем ниже относительная влажность воздуха, тем больше тепла может быть отведено от тела при испарении (см. также главу 1.3). Именно по этой причине высокая относительная влажность воздуха в теплое время года воспринимается человеком как нечто неприятное и утомляющее (духота). Этот эффект появляется уже при температуре 24 ºС в сочетании с относительной влажностью более 60 %.
В этой связи интересен тот факт, что по статистике в Германии климатическое оборудование используется для охлаждения в среднем только 25-30 рабочих дней в году, в то время как для осушения воздуха оно служит около 100 дней в год и именно благодаря этой функции создает комфортные условия. На рис. 1-6 показана диаграмма типичного состояния наружного воздуха в теплое время года в Германии.
Рис. 1-6. Типичное состояние наружного воздуха в теплое время года в Германии, представленное на h,x-диаграмме (рис. предоставлен Kaut)
1. Плотность ρ (кг/м3)
2. Температура сухого шара (ºС)
3. 1 бар = 105 Па 1 Па = Н/м2
4. мбар
5. х (г/кг сухого воздуха)
6. Температура мокрого шара (ºС)
7. Удельная энтальпия h/(1+х) кДж/кг сухого воздуха
8. Данные о погоде в июне 1994 г. На диаграмме указаны дни, погода в течение которых была вне зоны комфорта
При слишком холодной окружающей среде низкая относительная влажность воздуха также является нежелательной, так как это оказывает отрицательное влияние на сохранение тепла из-за усиления теплоотдачи посредством испарения. Поэтому в данном случае имеет смысл поддержание определенной относительной влажности с помощью соответствующего оборудования для увлажнения воздуха.
Чтобы ограничить представленные доминирующие доли конвекции и излучения (см. рис. 1-5) при слишком холодной окружающей среде, температуру воздуха в помещении и температуру ограждающих поверхностей необходимо поддерживать в определенных границах с помощью соответствующего отопительного оборудования. Если температура кожного покрова человека опускается ниже 33 ºС, то человек ощущает холод.
Также нельзя забывать о том, что воздействие приведенных выше факторов – температуры, влажности и скорости воздуха – очень сильно зависит от одежды и вида деятельности, выполняемой человеком (см. рис. 1-7).
Рис. 1-7. Теплоотдача человека при одинаковой одежде при различных видах деятельности /5/
1. Покой, положение сидя
2. Работа за компьютером
3. Разговор (доклад)
4. Работа официанта
5. Танец
6. Теплоотдача (ватт)
7. Излучение (ватт)
8. Конвекция (ватт)
9. Испарение (ватт)
10. Вода (г/час)
Видно, что «тепловой комфорт» определяется только знанием о взаимодействии человека и окружающей его средой, характеризуемой совокупностью факторов.
а) Нетермические факторы комфорта
Эти факторы обобщают термином «качество воздуха», так как они характеризуют комфорт именно с позиции характеристик воздуха. Важнейшими из этих факторов являются:
– пыль,
– газы и пары,
– запахи,
– шум,
– освещение.
Благодаря использованию соответствующих фильтров, подбору кратности воздухообмена и эффекту мокрого пылеуловителя на поверхностях охладителя при «влажном охлаждении» современная климатехника может внести решающий вклад в сокращение количества вредных веществ в воздухе. Особого внимание требует соблюдение так называемых ПДК на рабочем месте (предельно допустимых концентраций вредных для здоровья веществ на рабочем месте). Основа знаний в области гигиенических требований к воздуху была заложена Петтенкофером1), в частности, им была введена шкала для измерения содержания СО2 /6, с. 63 и далее).
Табл. 1-1. Нормативные показатели для уровня А звукового давления вентиляционных установок согласно /1/
Тип помещения Пример Уровень звукового давления в дБ(A), требования
высокие низкие
Рабочие помещения Небольшие офисные помещения 35 40
Большие офисные помещения 45 50
Мастерские 50
Типография 60
Общественные помещения Театры 30 35
Концертный зал, оперный театр 25 30
Кинозал 35 45
Конференц-зал 35 40
Столовая 40 50
Жилые помещения Комната в гостинице 351) 35"
Бытовые помещения Помещения для отдыха, но не в больницах (см. DIN 1946 ч. 4) 30 35
Комнаты для отдыха 35 40
Душевые 45 55
Помещение туалетов 45 55
Помещения для обучения Классные комнаты 35 40
Помещение для семинарских занятий 35 40
Читальный зал 30 35
Лекционный зал 35 40
Помещения с Выставочный павильон 45
движением публики Торговые помещения 45 60
Музеи 35 40
Общественные столовые 40 55
Кассовые залы 40 45
1) Нормативный показатель для ночного времени суток на 5 дБ(A) ниже
1) Макс фон Петтенкофер (1818 – 1901) – немецкий ученый, один из основателей гигиенической науки.
2) Системы вентиляции: вентиляционные установки с механической подачей воздуха, используемые для поддержания воздуха в помещении в заданном состоянии согласно /1/.
Конечно же, из-за использования климатехники не должен быть превышен предельно допустимый уровень шума в помещениях, где пребывают люди (допустимые значения см. табл. 1-1). Другие нормативные показатели приведены в VDI-директивах 2081 (3.83) и 2058 (9.85), а также в Директиве о рабочих местах /2/. Для сравнения в табл. 1-2 перечислены некоторые известные источники шума и создаваемые ими уровни звукового давления.
Табл. 1-2. Уровень звукового давления некоторых источников шума согласно /7/
Уровень
звукового Шум
давления Lp, дБ(A)
0 Начало слухового восприятия
10 Отчетливо слышимый звук
15...20 Тихий шелест листьев, в чистом поле ночью, в церкви
25...30 Шепот, читальный зал
30...40 Спокойный жилой район
40...50 Тихая беседа, тихое офисное помещение
50...60 Обычная беседа, работа тихой печатной машины
55...65 Пылесос
60...65 Универмаг, шумное офисное помещение
65...70 Звонок телефона на расстоянии 1 м, лай собаки
55...75 Купе поезда
70...80 Оживленное движение транспорта
75…85 В вагоне метро
80...85 Громкий крик
80...90 Проезжающий мимо грузовик, типография
90...100 Проезжающий мимо скоростной поезд, турбогенератор
100...110 Котельный завод, сильный раскат грома
110...120 Самолет, пропеллер на расстоянии 3 м
120...130 Болевой порог
130...150 Реактивный самолет
1.1.2. «Синдром больных зданий» (SBS)
В 1991 году в Берлине состоялся семинар на тему «Синдром больных зданий» (Sick-Building-Syndrom, SBS) /8/. На нем были представлены результаты многочисленных исследований HBI (Healthy Building International) их Фэйрфакса, США. Организация HBI, которая ввела термин SBS, была основана в 1981 году Грэем Робертсоном и занимается контролем воздуха в общественных и торговых зданиях. Синдром больных зданий встречается как в зданиях с системами кондиционирования, так и в зданиях без них. О SBS говорят, если проявляются следующие симптомы:
1. Характерные проявления типа головной боли, тошноты, потери концентрации, расстройства ЖКТ, сердцебиение, раздражение глаз и горла.
2. Эти симптомы появляются у одного или нескольких работников, одновременно или по очереди находящихся в рабочих помещениях.
3. Характерным является исчезновение этих синдромов в выходные дни и во время отпуска.
Причиной SBS являются перечисленные ниже загрязнения воздуха, которые появляются независимо от вида вентиляции в здании.
Табл. 1-3. Загрязнения воздуха в офисных зданиях и их последствия
Загрязнение воздуха Жалобы
Волокна Раздражение глаз
Бактерии и вирусы Сухость в горле
Плесень и грибы Насморк
Озон Головная боль
Диоксид азота Заложенность носа
Диоксид серы Кашель
Вредные органические вещества Усталость
Пыльца и пыль
Табачный дым
Конечно же, существует непосредственная связь между SBS и влажностью воздуха. Увлажнение воздуха в течение отопительного периода в рабочих помещениях играет важную роль как прямо, так и косвенно. Это в равной степени относится к помещениям, оборудованным системами принудительной вентиляции, так и к помещениям с естественной вентиляцией.
Уже было сказано о том, что в настоящее время человек около 90 % своего времени проводит в закрытых помещениях. Поэтому важно обеспечить такой воздух для дыхания, который бы не только удовлетворял требования по необходимому воздухообмену, но и был достаточно увлажненным, особенно зимой, во время отопительного периода. Так как природа не может помочь в этом, то требуется дополнительное искусственное увлажнение. В таблице 1-4 показаны результаты исследований, проведенных известными учеными по проблеме Синдрома больных зданий. Особенно часто встречаются жалобы на раздражение носоглотки.
Табл. 1-4. Исследования по SBS /8/
Иссле-дование Количество людей Тип системы вентиляции Встречающиеся жалобы в %
Глаза Нос Глотка Кожа Головная боль Усталость Тошнота
Крелинг, 1983 699 без кондиционирования 16 16 15 4
420 с кондиционированием 29 21 20 7
Хельсинг и др., 1985 316 без кондиционирования 2 3 14 9
156 с кондиционированием 12 5 25 22
Финнеган и др., 1987 259 без кондиционирования 6 6 6 16 14
692 с кондиционированием 14 18 10 32 40
Гаррисон и др., 1987 537 без кондиционирования 11 13 6 21 19
2050 с кондиционированием 23 25 13 37 47
Крелинг, 1984 1241 без кондиционирования 21 24 42 9
1853 с кондиционированием 43 39 63 19
Гансен, 1983 55 без кондиционирования 53 60 55 48 51 54 23
45 с кондиционированием 11 26 20 39 20 23 6
Гедже и др., 1987 459 без кондиционирования 24 50 45 47 60
786 с кондиционированием 38 65 63 56 77
Σ 3566 без кондиционирования 14 27 22 9 24 31 8
6002 с кондиционированием 24 32 44 13 38 52 17
Недостатком является то, что до сих пор не составлено каких-либо единых опросных листов, на основании которых можно было бы достоверно исследовать Синдром больных зданий и разрабатывать меры борьбы с ним в каждом конкретном случае.
Если, например, в системе кондиционирования воздух увлажняется с относительной влажности в 30 % до 35%, и несмотря на это сохраняются жалобы на раздражение слизистой оболочки, сухость в носу, слезоточивость, то необходимо срочно принять соответствующие меры. Статистические данные по симптомам позволяют сказать, что увеличение относительной влажности воздуха с 40% до 45% могло бы облегчить или устранить эти синдромы. В этой связи необходимо заметить, что соответствующие жалобы на здоровье людей, которые работают, например, в общественных плавательных бассейнах, вообще не известны.
Тщательное планирование и разработка систем увлажнения является важной предпосылкой для безупречной эксплуатации систем кондиционирования. Однако при недостаточном техническом обслуживании этих систем возникает повышенная опасность для здоровья из-за появления бактерий, грибов и вирусов. Как показано в табл. 1-4, это наоборот является основной причиной увеличения заболеваемости по сравнению с оборудованием без кондиционирования.
Слишком низкая относительная влажность воздуха в рабочих помещениях может влиять на Синдром больных зданий и косвенно. Чем ниже относительная влажность воздуха (< 35%), тем больше будет образоваться пыли, которая является дополнительным раздражителем для слизистых оболочек. Частички пыли являются носителями бактерий. В помещениях без кондиционеров, где значение относительной влажности воздуха 30% и менее, может быть зафиксировано повышенное пылеобразование от ковровых покрытий, текстиля и бумаги. При соприкосновении с горячими поверхностями, например, отопительных приборов, пыль тлеет и выделяет газы, среди них аммиак, которые дополнительно раздражают слизистую оболочку. Все эти явления ведут к ухудшению качества воздуха. Важнейшие факторы, влияющие на качество воздуха, представлены в табл. 1-5.
Табл. 1-5. Параметры качества воздуха (КОЕ = колониеобразующие единицы)
Измеряемая величина Запись
Бактерии в воздухе Бактериальная обсеменённость воздуха в помещении, КОЕ / м3
Бактериальная обсеменённость воздуха у выходного отверстия СКВ, КОЕ / м3
Микроорганизмы в СКВ Бактериальная обсеменённость воды, КОЕ / мл
Бактериальное загрязнение поверхности, КОЕ / м2
Легионеллы Концентрация легионел в СКВ, КОЕ / мл
Аллергены Концентрация различных аллергенов плесневых грибов
Эндотоксины Концентрация эндотоксинов к воздухе помещения
Табл. 1-6. Жалобы SBS и их возможные причины (по Крелингу) /8/
Жалобы SBS Возможные причины
Подверженность простудным заболеваниям и ревматические боли вследствие сквозняка • Слишком высокая скорость движения воздуха
• Слишком сильная турбулентность
• Дефекты воздухопровода
• Слишком низкая температура приточного воздуха
Раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей и глаз, ощущение сухости воздуха • Микробиологические аллергены (плесень, пыль, клещи в ковровых покрытиях)
Повышение температуры
Затруднение дыхания
Боли в конечностях • Микробиологические эндотоксины из воды для увлажнения воздуха
Усталость
Потеря концентрации
Бессознательное состояние
Головная боль • Нарушение терморегуляции из-за:
– температуры > 23 ºС,
– непривычного изменения температур в течение дня,
– повышения влажности.
• Невозможность вентиляции через окно,
• Низкочастотный звук (< 100 Гц)
• Аллергены, эндотоксины
Температурный дискомфорт (без сквозняков) • Недостатки:
– защиты от солнца (отсутствует, внутренняя),
–оконных поверхностей (слишком большая площадь),
– теплоаккумулирующей массы (слишком маленькая),
– мощности, регулирования, технического обслуживания СКВ
Неудовлетворительное качество воздуха • Негативные факторы из СКВ:
– технические (материалы, фильтры),
– микробиологические (увлажнение)
• Недостаточный эффективный воздухообмен,
• Примешивание окружающего воздуха
• Дефицит «натурального» озона в качестве оксиданта и агента запахов
В заключение приведем некоторые важные мероприятия по планированию, эксплуатации и техническому обслуживанию систем кондиционирования воздуха (СКВ), с помощью которых можно ограничить синдром больных зданий:
• Проверка необходимости СКВ или отдельных термических функций при обработке воздуха.
• Дифференцированный выбор климатических систем в соответствии с требованиями и краевыми условиями.
• Обеспечение хорошей возможности для регулярного технического обслуживания СКВ.
• Поддержание относительной влажности воздуха ≥ 40%.
• Наличие минимум одного поворотно-откидного окна на помещение с выключающим контактом для СКВ.
• Чистота на строительной площадке: загрязненные каналы необходимо очистить.
• Регулярная проверка количества колониеобразующих единиц в воде.
• Последняя ступень в фильтре – минимум EU7.
• Дополнительная дезинфекция ультрафиолетом для сокращения числа возбудителей в промывочной воде, регулярный спуск воды из промывочных ванн и сушка устройств включением вентилятора на холостом ходу.
1.2. Кондиционирование воздуха – но как?
Правильный путь1)
Целью кондиционирования воздуха является выполнение основной задачи климатехники, сформулированной в главе 1.1.1, т.е. приведение воздуха в местах пребывания людей, зданиях и помещениях в такое состояние, которое соответствует требованиям гигиены, а именно сохранение и укрепление здоровья людей посредством устранения вредных воздействий и усилению благоприятных факторов окружающей среды.
Преобразованная, более современная структура зданий оказывает значительное влияние на требования по кондиционированию воздуха. Для выполнения условий Предписания по теплозащите (WSVO) от 95 года здания сегодня должны иметь намного более высокий уровень теплоизоляции и герметичности по сравнению со зданиями, построенными до 1995 года. Как следствие не обеспечивается совсем или лишь в недостаточной мере требуемый по гигиеническим соображениям минимальный воздухообмен и естественная влагопередача. Поэтому традиционная концепция вентиляции зданий должна быть пересмотрена (см. например, /9/). Увеличение так называемой внутренней тепловой нагрузки (например, из-за работы оргтехники) и эффекта инсоляции (из-за больших площадей остекления) ведут к смещению отношения отопительной и холодильной нагрузки в сторону последней и делает необходимым работу СКВ круглый год.
Очевидно, что эти качественно новые требования к оптимальному кондиционированию воздуха не могут быть выполнены традиционными методами и средствами, типа ударного проветривания через открытое окно, специальной отделки зданий, озеленения и т.д. Напротив, нужно современное, эффективное с энергетической точки зрения климатическое оборудование, которое при тесном сотрудничестве между архитекторами и разработчиками бытовой техники сделает возможным интенсивное использование здания. Так как энергопотребление современных систем мало, то благодаря рекуперации тепла и тепловому сдвигу по сравнению со зданиями без СКВ можно даже получать и накапливать энергию! Кроме этого нельзя недооценивать тот факт, что использование климатического оборудования является выгодным и с экономической точки зрения, так как предотвращается потеря рабочей силы вследствие болезни и несчастных случаев, а работоспособность и результаты работы улучшаются.
Классификация климатического оборудования
Климатическим оборудованием называются отдельные устройства или целые системы, которые могут выполнять полное или частичное кондиционирование воздуха (см. рис. 1-8). Их задача заключается в том, чтобы с помощью соответствующей обработки поддерживать воздух в помещении в таком состоянии, чтобы его температура, влажность и частота лежали в определенных пределах. То есть это оборудование выполняет важный постулат гигиены. В общем случае мероприятия по кондиционированию воздуха можно разделить на две большие области применения:
а) Кондиционирование для комфорта2)
Оно направлено на потребности человеческого организма и со временем приобретает все большее значение.
б) Технологическое кондиционирование
Здесь на первом плане стоит оптимизация технологических процессов и состояние материалов, при этом, естественно, также должны учитываться и гигиенические аспекты.
Особое положение СКВ занимают в музеях и библиотеках. Здесь они служат сохранению чувствительных предметов искусств и одновременно создают в помещениях комфортный климат. Другие области, где к СКВ предъявляются специальные требования – это больницы, фармацевтические предприятия, измерительные и испытательные лаборатории, лабораторное оборудование и т.д.
1) С использованием /10/.
2) Эти устройства являются главной темой данной книги.
Рис. 1-8. Климатическое оборудование, обобщенная классификация
1. Системы, установки и приборы для полного и частичного кондиционирования воздуха
2. Вентиляционная техника
3. Холодильная техника
4. Преимущественно централизованная обработка воздуха
5. Мощности от средней до большой
6. Центральный кондиционер
7. Крышные (навесные), шкафные и т.д.
8. Преимущественно децентрализованная обработка воздуха
9. Маленькая мощность
10. Мощность от маленькой до большой
11. Комнатный кондиционер
12. Мобильной прибор (напольный)
13. Стационарный компактный прибор (оконный, настенный)
14. Сплит-системы для (частичного) полного кондиционирования воздуха
15. Прямое / косвенное1) охлаждение или обогрев
16. Моносплит-системы
17. Мультисплит-системы
18. «Другая климатехника»
19. Методическая основа
1) В предыдущем издании книги речь шла только о прямом охлаждении / обогреве
В основе современных методов определения параметров в основном лежат два различных метода (стратегии), которых восходят к различным историческим исходным позициям и путям развития (вентиляционная техника, холодильная техника). На рис. 1-8 представлена обобщенная классификация климатического оборудования, включая классификацию универсальных приборов и систем.
В то время как в Европе традиционные системы вентиляции (см. также рис. 1-9) развивались на -протяжении веков (уже древние римляне знали и использовали системы вентиляции для зданий), колыбелью «другой климатехники» (согласно рис. 1-8 это все приборы и системы, методической основой которых является холодильная техника) считаются США.
Здесь в 30-е годы 20-го века был разработан так называемый «оконный климатический прибор». Хотя это и не было нечто неслыханное, однако соответствовало уровню техники своего времени. Гораздо больше внимания привлекают современные высокотехнологичные мультисплит-системы японского производства.
На сегодняшний день это оборудование по всему миру достигло такого высокого технического уровня, что может выполнить все эквивалентные требования, предъявляемые к современным вентиляционным системам. Однако при планировании необходимо учитывать некоторые особенности, например, отверстий для выхода воздуха, воздухопроводы, подготовку наружного воздуха и т.д. Это в свою очередь делает неизбежным переосмысление и новый подход к планированию и расчетам. Именно здесь необходимо ликвидировать нехватку информации и дополнить специализированную литературу. Этой задаче и посвящена данная книга.
Рис. 1-9. Классификация климатических систем в области вентиляционной техники /1/
1. Техника вентилирования
2. Техника подачи технологического воздуха
3. Системы подачи технологического воздуха
4. Системы вентилирования помещений
5. Техника вентилирования помещений
6. Системы естественной вентиляции
7. Системы с функцией вентиляции
8. Системы без функции вентиляции
9. Вентиляция через наружную оболочку или окна
10. Шахтная вентиляция
11. Вентиляция через вентиляционный раструб
12. Вентиляционные системы
13. Системы для частичного кондиционирования воздуха
14. Климатические системы
15. Системы для циркуляции воздуха
16. Циркуляционные системы для частичного кондиционирования воздуха
17. Циркуляционные климатические системы
Для всего климатического оборудования, представленного на рис. 1-8, с использованием данных /1/ можно привести следующие классификационные признаки:
а) функция вентиляции,
б) конструкция и
в) термодинамические функции обработки воздуха.
Функция вентиляции
Системы могут работать с выполнением функции вентиляции (примешивание наружного воздуха), так и без нее (только циркуляция воздуха). Возможная схема прокладки воздуховодов с обозначениями воздушных потоков представлена на рис. 1-10.
Рис. 1-10. Прохождение воздушных потоков в системе вентиляции согласно /1/
1. Нагнетание воздуха
2. Помещение
3. Обработка воздуха
AU = НВ наружный воздух
FO = ВВ вытяжной воздух
AB =ОВ отработанный воздух
UM =ЦВ циркулирующий воздух
MI = СВ смешанный воздух
ZU = ПВ приточный воздух
Желаемая или требуемая чистота (качество воздуха) достигается за счет постоянного обновления воздуха (потоки наружного и удаляемого воздуха) в комбинации с подходящей фильтровальной и сепарационной техники (также посредством воздействия мокрых поверхностей воздухоохладителя в климатических сплит-системах!).
Результаты исследований и опытов показали, что на мокрых поверхностях испарителя можно отделить около 35% вредных водорастворимых газообразных веществ типа оксида азота и диоксида серы, однако также и частички пыли, цветочную пыльцу, споры плесневого грибка и т.д. (см. также главу 1.1). Этот эффект, как известно, наблюдается только при достижении на поверхности охлаждения точки росы. В будущем, когда число аллергических заболеваний различной этиологии значительно увеличится, это преимущество «мокрого» охлаждения привлечет заслуженное внимание. В конце концов, приведение воздуха в помещении в состояние, соответствующее гигиеническим условиям, и является основной задачей климатехники (см. также главу 1.3).
Конструкция климатического оборудования
На рис. 1-11 представлена возможная схема классификации, составленная с использованием данных /1/ и /6/, а также учетом увеличивающейся доли новых типов и конструкций климатических устройств и систем (а именно сплит-систем для частичного кондиционирования воздуха).
Рис. 1-11. Классификация устройств систем для полного и частичного кондиционирования воздуха по их конструкции
1. Децентрализованные
2. Комнатный кондиционер
3. Мобильной прибор (напольный)
4. Стационарный компактный прибор (оконный, настенный)
5. Устройства
6. Системы (6а для частичного кондиционирования воздуха)
7. Системы для полного кондиционирования воздуха
8. Централизованные
9. Сплит-системы для частичного (полного) кондиционирования воздуха
10. Прямое / косвенное охлаждение или обогрев
11. Центральный кондиционер
12. Крышные (навесные), шкафные и т.д.
13. Моносплит-системы
14. Мультисплит-системы
15. «Другая климатехника»
Термодинамические функции обработки воздуха
По количеству термодинамических функций обработки воздуха системы классифицируют на
Климатические системы (установки и системы для полного кондиционирования воздуха), выполняющие 4 возможные функции – обогрев, охлаждение, увлажнение, осушение.
и на
Системы для частичного кондиционирования воздуха с двумя или тремя функциями.
Эти термодинамические функции обработки воздуха рассматриваются как «изменения состояния влажного воздуха», которые представляются и рассчитываются с помощью h,x-диаграммы.
1.3. Представление термодинамических функций обработки воздуха на h,x-диаграмме
Все процессы кондиционирования воздуха можно свести к так называемым «изменениям состояния влажного воздуха». При этом под «влажным воздухом» подразумевается двухкомпонентная смесь, состоящая из «сухого воздуха» и водяного пара.
Для облегчения практических расчетов и для наглядного представления изменений состояния на основе расчетных методов была разработана и представлена в 1923 году так называемая i,x-диаграмма Мольера1). На ее основе в процессе совершенствования и приведения в соответствие с текущими требованиями были созданы сегодняшние h,x-диаграммы различного вида. На рис. 1-12 показана одна из традиционных форм с обозначением зоны комфорта. С помощью этого достаточно важного рабочего инструмента климатехника графически представлена в зависимости от атмосферного давления зависимость между параметрами h – энтальпией, t – температурой, х – абсолютной влажностью, φ – относительной влажностью для текущего состояния воздуха. Дополнительная информация на эту тему приведена в /11/.
Для понимания последующих объяснений необходимо рассмотреть некоторые основные понятия и термины.
– Температура сухого шара в °С
Температура «влажного воздуха» в ненасыщенной области (pD < pS); считывается по «сухому термометру» аспирационного психометра Асманна.
– Температура мокрого шара в °С
Температура (воды), которая устанавливается при смешивании ненасыщенного «влажного воздуха» и воды (предел охлаждения); считывается по «мокрому термометру» аспирационного психометра Асманна.
– Кривая насыщения
Здесь x = xS, φ = 1 (относительная влажность 100%). Все точки состояния на кривой насыщения описывают насыщенный влажный воздух при температуре точки росы или температуре мокрого шара.
– Температура точки росы (точка росы) в °С
Если охлаждать влажный воздух при х = const до pD = pS, то достигается так называемая температура точки росы на линии насыщения. Здесь влага, содержащаяся в воздухе, начинает конденсироваться и превращаться в воду.
– Тепловлажностный (или угловой) коэффициент линии процесса или луч процесса Δh/Δx
Его используют, например, чтобы определить направление изменения состояния, при котором влажный воздух поглощает воду (жидкую или газообразную, т.е. изменяет свое влагосодержание), и при этом изменяется его энтальпия (hW и hD соответственно).
1) Мольер преподавал в 1896 г. в Гёттингене и с 1897 по 1931 год в Высшем техническом учебном заведении в Дрездене
Рис. 1-12. h,x-диаграмма влажного воздуха (при р = 1 бар) с обозначением лучей процесса и зоны комфорта, упрощенная (рис. ILK Дрезден)
1. Температура воздуха в °С
2. Удельная энтальпия в г/кг
3. Δh/Δx в кДж/кг
h = 0 используется для точки следующей состояния: Температура сухого шара ttr = 24 °С
Относительная влажность φ = 50 %
Смешивание двух воздушных масс, находящихся в различном состоянии
Для двух любых масс m1 и m2 действительно выражение:
.
Точка смешивания М лежит на прямой линии, соединяющей точки состояния 1 и 2 (см. рис. 1-13).
Рис. 1-13. Смешивание двух воздушных масс на h,x-диаграмме
1. t в °С
2. h в кДж/кг
3. х в г/кг
Точка состояния 1: m1, 30 °С, относительная влажность 55 %.
Точка состояния 2: m2, 10 °С, относительная влажность 30 %.
Если, например, m1 = 2 • m2, то
, M:m1 + m2; ≈ 23 °С, относительная влажность ≈ 60 %.
Охлаждение без осушения (сухое охлаждение воздуха, например, с помощью охлаждающих перекрытий)
Если значение температуры поверхности охлаждения О лежит выше температуры точки росы ТР, то происходит «сухое охлаждение». Оно представляется на h,x-диаграмме в виде вертикальной линии (см. рис. 1-14). Абсолютная влажность х (например, 10,6 г/кг сухого воздуха) не изменяется, т.е. не происходит отделение влаги! Температура точки росы ТР не достигается.
Рис. 1-14. Охлаждение без осушения на h,x-диаграмме
1. t в °С
2. h в кДж/кг
3. х в г/кг
Для определения параметров климатических устройств, которые работают мо методу сухого охлаждения (например, охлаждающих перекрытий), точка росы является важнейшим параметром расчетов. Она ограничивает холодильную мощность на единицу площади охлаждающей поверхности. Регулирование влажности с помощью такой системы не возможно. Для влагопередачи необходимо использовать дополнительные системы кондиционирования и вентиляции воздуха.
Рассмотрим еще раз, как важно иметь хорошие знания о термодинамических процессах обработки воздуха. Только на их основе можно провести достоверное и понятное сравнение стоимости, например, климатических сплит-систем и охлаждающих перекрытий. В этой связи можно еще раз убедиться, что квалифицированная профессиональная консультация на этапе планирования является основой долговременного успеха.
Охлаждение с одновременным осушением (влажное охлаждение, например, сплит-системы для частичного кондиционирования воздуха)
Если значение температуры поверхности охлаждения О лежит ниже температуры точки росы ТР, то происходит «влажное охлаждение». Идеализированное состояние воздуха на выходе 2 определяется как точка смешивания состояний воздуха 1 и 0 (см. рис. 1-15).
Рис. 1-15. Охлаждение с одновременным осушением на h,x-диаграмме
1. t в °С
2. h в кДж/кг
3. х в г/кг
Масса сконденсированной воды: Δх = х1 – х2 = 1,2 г на кг сухого воздуха
Примечание: для отделения воды нет необходимости охлаждать весь объем воздуха ниже температуры точки росы.
Для расчета требуемой холодильной мощности при влажном охлаждении всегда используется разность теплосодержания (энтальпии) Δh. Для этого наряду с явной долей холодильной нагрузки необходимо учесть и скрытую долю, которая относится к осушению. Таким образом, мокрая поверхность испарителя сплит-системы для частичного кондиционирования воздуха производит не только снижение температуры, но и несет нагрузку по увлажнению. Кроме этого, она действует как «мокрый сепаратор» для некоторых вредных газообразных веществ, частиц пыли и т.д.
Обогрев и увлажнение
При нагревании влажного воздуха изменение состояния на h,x-диаграмме происходит вертикально в направлении, противоположном изменению состояния при сухом охлаждении. При этом относительная влажность воздуха в помещении частично принимает недопустимо низкие значения. Поэтому необходимо проводить увлажнение воздуха в помещении водой и паром, чтобы привести воздух в «комфортное» состояние (см. рис. 1-16). Основы расчета и проектирования для различных задач в области кондиционирования для комфорта и технологического кондиционирования приведены в /11/.
Рис. 1-16. Обогрев и увлажнение на h,x-диаграмме
1. t в °С
2. h в кДж/кг
3. х в г/кг
Изменение состояния НВ → 1: Нагрев наружного воздуха до температуры помещения (ZU = R)
Изменение состояния 1 → 2: Увлажнение паром (удельная масса пара Δх = 6 г на кг сухого воздуха), t ≈ const для электрического увлажнения паром
Изменение состояния 1 → 1': Дополнительный нагрев наружного воздуха
Изменение состояния 1' → '2: Адиабатное увлажнение водой, h ≈ const
Изменение состояния 2' → 2: Заключительный нагрев при увлажнении водой для выполнения условия ZU = R
Примечание: направления изменений состояния 1 → 2 или 1' → '2 могут быть точно определены с помощью так называемого тепловлажностного коэффициента (луча процесса, на рис. 1-16 не представлен, см. рис. 1-12).
В главах 5.1 и 6.3 будет представлено практическое использование h,x-диаграммы на примере расчетов параметров сплит- и мультисплит-систем для частичного кондиционирования воздуха.
1.4. Об использовании климатехнических терминов
В области вентиляционной и климатической техники достаточно сложно сформулировать однозначные определения понятий. Показательным примером является термин «теплообменник», который на самом деле является теплопередатчиком, так как постоянно передает теплоту от одной среды к другой и ничего не обменивает!
Так же обстоит дело с международным постоянно употребляемым термином «комнатный кондиционер», например, если при этом подразумевается мобильной циркуляционный прибор для охлаждения воздуха (напольный). Конечно же, пользователь напрасно будет ждать от него выполнения всех функций кондиционера, так как согласно DIN 1946 «кондиционером» называется прибор или система для полного кондиционирования воздуха.
Создается впечатление, что «общее понятие» комнатный кондиционер с точки зрения развития «другой климатехники» является устаревшим. Так как потенциальные пользователи и операторы климатического оборудования из-за отсутствия точных определений понятий и терминов не осознают в полной мере основные различия между системами для полного или частичного кондиционирования воздуха, это обязательно вызовет неприятные последствия в виде «антирекламы» в СМИ, потери имиджа и заказов. Общая фраза «Речь идет о «комнатном кондиционере» или о «комнатной климатической установке» является недостаточной и вводит в заблуждение. Поэтому во всех изданиях данной книги авторы пытаются избежать таких «неточных» понятий1) и использовать термины согласно рис. 1-8.
Вне территории Европы, в частности на японском и американском рынке используются следующие обобщающие понятия:
Вместо термина «комнатный климатический прибор» используется термин RAC (Room Air Conditioner). Он объединяет моноблочные приборы для оконного и настенного монтажа (оконные кондиционеры), все мобильные приборы (напольные) и все стационарные моносплит-устройства, холодильная мощность которых не превышает 7 кВт.
Все приборы и системы с большей мощностью классифицируются как PAC (Packaged Air Conditioner2)). Сюда также относятся все моносплит-устройства с холодильной мощностью > 7 кВт и все мультисплит-системы.
Другая классификация включает в себя понятия Residential Air Conditioning (кондиционирование жилых помещений) и Commercial Air Conditioning (промышленное кондиционирование).
Наряду с этими общими понятиями также используются и другие термины, важные в первую очередь для расчетов и определения параметров, специализированная терминология согласно /1/ и т.д.
Холодильная нагрузка: тепловой поток, который должен быть отведен из помещения, чтобы достичь и сохранить требуемое состояние воздуха.
Отопительная нагрузка: тепловой поток, который должен быть подведен в помещение, чтобы достичь и сохранить требуемое состояние воздуха.
Тепловая нагрузка: обобщающее понятие для холодильной и отопительной нагрузки.
Холодильная мощность: расчетная мощность холодильной установки или холодильной машины (полезная холодильная мощность).
1) Исключение: определения понятий из цитируемых источников литературы.
2) Компактные климатические приборы / системы со встроенной холодильной установкой.
Современная техника для ремесленных предприятий-производителей и установщиков холодильного оборудования
Сегодня, именно во время кризиса, предприятия-производители и установщики холодильного оборудования демонстрируют свою ответственность за окружающую среду и мышление, ориентированное на будущее. Сплит- и VRF-мультисплит-системы – это технология будущего, которая в виде систем для частичного кондиционирования воздуха и тепловых насосов уже сейчас оказывает большое влияние на экономичное и экологичное охлаждение, обогрев и осушение воздуха в зданиях. Для специализированных предприятий по холодильной и климатической технике это технология, которая находит все более широкое применение и обеспечивает работой многих людей. Я рад, что в данной книге четко представлены понятия сплит- и VFR-мультисплит-систем в области кондиционирования помещений. Только специализированное предприятие в состоянии провести грамотный монтаж такой системы и выполнить все предписания и требования, которые сегодня предъявляются законодателями к деятельности в данной области.
Бонн, июнь 2002 Вальтер Ф. Шпехт
Председатель германской гильдии
Принятие решения в пользу определенной климатической системы зависит от различных обстоятельств. Экономичность и индивидуальный комфорт относятся к решающим факторам. При этом VRF-мультисплит-системы для частичного кондиционирования воздуха за последние годы смогли выдвинуться на передний план. С уверенностью можно сказать, что причины этого, с одной стороны, кроются в хорошем регулировании мощности и малой потребности в площади и пространстве. Но с другой стороны, в качестве решающего фактора необходимо назвать, прежде всего, способность к их интеграции в вентиляционные системы здания, обеспечивающие основную подачу воздуха. Комбинированные системы типа «воздух-вода» являются конкурентами при оснащении офисных и административных зданий. Благодаря технической готовности мультисплит-систем к серийному производству с точки зрения отсутствия акустических дефектов и неисправностей в системах автоматического регулирования, сохраняются и другие достоинства. Вследствие этого климатические VRF-мультисплит-системы будут иметь значительные конкурентные преимущества и в будущем.
Дрезден, июль 2002 Профессор, доктор инженерных наук
Уве Францке
ILK Дрезден
В английском языке слово Air-Conditioning является синонимом не таких видов климатической техники, как в немецком. В то время как в Германии под термином «климатехника» в первую очередь понимается обработка и подача наружного воздуха, термин Air-Conditioning обозначает преимущественно осушение и охлаждение воздуха в помещении. Приборы и системы «другой климатехники» при подключении по схеме теплового насоса можно использовать для обогрева. При этом, как и при охлаждении и осушении, возможно регулирование по отдельным помещениям или зонирование больших помещений, в том числе и при отоплении. В современных зданиях с большой площадью остекления фасада и высокими внутренними нагрузками вследствие освещения, компьютерных систем и т.п. основное энергопотребление сдвигается от отопления зимой в сторону охлаждения и осушения воздуха летом. При массивных внутренних конструкциях зданий используемая энергия накапливается в аккумулирующей массе, благодаря чему температура воздуха в помещениях остается низкой. Однако относительная влажность воздуха в помещении при этом увеличивается настолько сильно, что, несмотря на низкую температуру воздуха, климат в помещении становится почти невыносимым. Директива о рабочих местах строго регламентирует минимальную температуру воздуха в помещении. Ограничение температуры воздуха в помещении летом является рекомендацией, а какое-либо ограничение на максимальную влажность воздуха отсутствует вовсе. И практически не учитывается, что человек не может воспринимать каждый из факторов – температуру или влажность – по отдельности. Для его теплового обмена оба эти фактора являются одинаково важными. При сравнении различных характеристик воздуха в помещении многие участники опытов отметили, что воздух при температуре 27 °С и относительной влажности 30 % воспринимаются как более холодный, чем воздух температурой 24 °С и относительной влажности 70 %. Особенно в помещениях, в которых находятся люди, занимающиеся различными видами деятельности, осушение воздуха является важным моментом для ощущения термического комфорта. Люди, занимающиеся малоактивной деятельностью, чувствуют себя комфортно при 26 °С. Если значение влажности воздуха при этом составляет 35 %, то лица, занимающиеся активными видами деятельности, не будут иметь проблем с выравниванием теплового баланса благодаря отдачи влаги с поверхности тела. Поэтому климатехника, в которой обогрев, охлаждение и осушение воздуха регулируются по отдельности, имеет во многих случаях применения значительные преимущества. В частности, если теплопередача от отдельных приборов к центральному устройству происходит с помощью хладагента, испаряющегося в трубопроводах маленького сечения, а не с помощью системы водопроводных труб большого диаметра при малой разнице температур ΔТ.
Эссен, июль 2002 Профессор, доктор инженерных наук
Фриц Штаймле
Университет Эссена
В первом издании книги «Другая климатехника» было наглядным образом показано, какие инвестиционные и эксплуатационные затраты необходимо учитывать для современных VRF-мультисплит-систем. Также книга рассказывала возможностях и ограничениях при использовании данной технологии и о том, какие санитарно-гигиенические и требования необходимо соблюдать при кондиционировании. Для специализированных предприятий по холодильной и климатической технике данное издание является отличным путеводителем в повседневной работе. Оно помогает принять решение при рассмотрении проблем кондиционирования и в равной мере способствует положительному приему систем вентиляции у проектировщиков и пользователей. В области холодильной и климатической техники действует принцип: Кто хочет добиться успеха, должен вовремя распознать новую тенденцию, настроиться на нее и иметь возможность использовать все технологические достижения в интересах своих клиентов. Долговременный экономический успех в значительной мере зависит от того, как выполняются и экологические требования в этой области. «Другая климатехника» – это необходимое справочное пособие для специалистов по холодильной и климатической технике. Выражаю свою благодарность авторам – Петеру Изельту и доктору Ульриху Арднту – за подготовку и выпуск второго издания.
Бонн, июль 2002 Дипломированный экономист
Рудольф Пютц
Ответственный секретарь VDKF/BIV
От авторов
Высокий спрос на книгу, в которой очень подробно рассказывается о «другой климатехнике», привел к тому, что в свет вышло 2 издание с соответствующими дополнениями и изменениями.
То, что 1-е издание книги быстро станет бестселлером о «других» климатических решениях, в Германии было не столь очевидно. Между тем сейчас трудно представить себе работу специализированных предприятий по холодильной технике, а также многих архитектурных и инженерных бюро без использования справочника «Другая климатехника». Особенно радует, что тема кондиционирования с помощью сплит- и VRF-мультисплит-систем все чаще входит в учебный процесс в технических и высших школах и универсистетах.
Выведенная авторами еще в первом издании взаимосвязь между Предписанием по теплозащите, герметичностью зданий и потребностью в осушении воздуха к настоящему времени стала одними из важнейших критериев при использовании VRF-мультисплит-систем. Так как после вступления в силу Предписания об энергосбережении (EnEV 2002) осушение воздуха в помещении имеет преимущество перед отводом тепла (охлаждением), сплит- и VRF-мультисплит-системы являются оптимальным и компактным решением для осушения, охлаждения и обогрева. Ведь комфортный климат в помещении достигается только при одновременном регулировании относительной влажности и температуры воздуха! В этом контексте Директива о рабочих местах, которая, как известно, должна гарантировать полную работоспособность человека, приобретает все большее значение.
Высказывания из предисловия доказывают, что в условиях современной архитектуры и использования зданий, требований Предписания по энергосбережению, а также связанных с этим требований по техническому оснащению зданий больше нельзя пройти мимо другой климатехники, в особенности VRF-мультисплит-систем.
Само собой разумеется, что высказывания совпадают с общим положительным резонансом, который вызвало появление первого издания книги «Другая климатехника». 2-м изданием, содержащим изменения и дополнения, в частности в главах 4.4, 5.2, 6.1-6.3, 6.5 и 7, хотелось бы закрепить этот успех. Кроме этого, приведенный в приложении список немецких предприятий по производству и установке холодильной и климатической техники, поможет заказчикам найти необходимую информацию и получить консультацию у специалистов.
Также мы хотели бы выразить признательность за помощь при подготовке данной книги. Здесь необходимо отдельно поблагодарить специализированные фирмы за предоставление фотографий выполненных ими систем. За подготовку документов благодарим г-на А. Целлера, DAIKIN Airconditioning Germany GmbH (главы 6.3 и 6.5) и инженера Л. Лёшера, MITSUBISHI Electric Europe (главы 6.2 и 6.5).
Также мы благодарим всех сотрудников фирмы Kaut, которые помогали нам в работе над вторым изданием. Следует подчеркнуть всестороннюю поддержку, оказанную г-ном Уве Янцом при компьютерной обработке документов. Выражаем благодарность за сотрудничество издательству и нашему редактору, г-ну Тёпферу.
Дрезден и Вуппертал, август 2002 Петер Изельт
Др. Ульрих Арднт
Предисловие к первому изданию
С 80-х годов в Германии наряду с традиционными системами вентиляции все чаще стали применяться и «другие климатические решения», начиная с портативных приборов до мощных сплит- и мультисплит-систем для частичного кондиционирования воздуха.
Данная книга учитывает этот факт и описывает уровень развития и возможности использования так называемой «другой климатехники». Очевидно, что все еще встречающееся пренебрежение к этой технике является недальновидным. Наоборот, с помощью данных технологий можно расширить область применения климатехники в целом и оптимизировать многие решения. Поэтому данная книга будет полезна для всех, занятых в климатической области, и конечно же, для пользователей и заказчиков климатических систем.
Во времена, когда автоматические климатические системы (также и для частичного кондиционирования) стали почти стандартным оборудованием у многих поставщиков и продавцов, необходимо обратить внимание и на оснащение жилых и офисных помещений комнатными кондиционерами или климатическими системами. Здесь необходимо подчеркнуть, что в связи с предписанием по теплозащите (WSVO 1995) большое значение приобрел, в частности, эффект осушения воздуха, достигаемый с помощью оборудования для кондиционирования помещений.
Также нельзя не заметить тенденции к вентиляции жилых помещений и квартир с использованием рекуперации тепла в сочетании с претенциозными сплит-системами (тепловыми насосами типа «воздух-воздух».
Но и при проектировании офисных зданий, банков, клиник и т.д. все чаще возникает вопрос: выбрать ли полное или частичное кондиционирование с помощью традиционных централизованных систем или с помощью сплит- и мультисплит-систем?
Особой проблемой является установка климатической техники в уже построенные здания. Здесь все чаще выявляются значительные преимущества по стоимости систем в пользу децентрализованных решений. И это действительно не только для зданий, находящихся под охраной, как памятник архитектуры, но и для обычных сооружений.
В данной среди прочего книге подробно рассказано об инвестиционных и эксплуатационных затратах современных мультисплит-систем, возможностях их применения и ограничениях, санитарно-гигиенических требованиях, предъявляемых к кондиционированию, и т.д.
Жаркие летние месяцы прошедших лет, требования Директивы о рабочих местах и не в последнюю очередь уже упомянутое Предписание по теплозащите значительно увеличили сбыт оборудования для децентрализованного кондиционирования, в частности переносных кондиционеров и мультисплит-систем для частичного кондиционирования. Но к сожалению очень часто при принятии решения об инвестициях или покупки той или иной системы оценивается только изменение температуры воздуха в помещении. Известно, что летом в Германии климатическое оборудование должно использоваться для снижения температуры воздуха в помещениях только лишь 25-30 рабочих дней в году. В течение намного большего периода, а именно более 100 дней в году, оно служит для осушения и непосредственно благодаря этому создает в помещении такой климат, который кажется «комфортным» и благоприятен для здоровья людей. Основы термодинамики, требуемые для понимания этих закономерностей, также представлены в этой книге.
Одной из важнейших целей книги является представление требований и возможностей для круглогодичного и экономичного кондиционирования воздуха в помещении с помощью мультисплит-систем. Приведены примеры того, что часто просто невозможно создать необходимые условия только с помощью строительных мероприятий и естественной вентиляции.
Читателю еще раз напоминают о том, что тщательное проектирование и исполнение систем является важнейшей предпосылкой для достижения оптимального состояния воздуха, выполнения гигиенических требований, а также хорошего психического и физического самочувствия людей. Например, мультисплит-системы для частичного кондиционирования, основным элементом которых является холодильная машина, могут устанавливаться только специализированными предприятиями по холодильной и климатической технике, сотрудники которых обладают высокой квалификацией.
Нам бы хотелось, чтобы эта книга дала застройщикам, инженерам-проектировщикам, строителям и учащимся необходимые знания, облегчила решение проблемы кондиционирования и одновременно способствовала одобрению таких систем архитекторами и пользователями.
Мы хотели бы принести благодарность за помощь при подготовке данной книги всем, кто принимал в ней участие, особенно г-на профессора, дипломированного инженера Е. Вобста из Института вентиляционной и холодильной техники (ILK), Дрезден (глава 4.2); г-на Г. Фишера из фирма Copeland (глава 4.3), г-на дипломированного инженера Г. Андерша из Института вентиляционной и холодильной техники (ILK), Дрезден (глава 6.2.3), г-на профессора, доктора естественных наук Б. Иллинга из Западносаксонской Высшей школы Цвикау (глава 6.5.1) и г-на профессора, дипломированного инженера Ч. Рейнхольда из Государственной Академии Глаухау (глава 6.2.2).
Многочисленные документы и фотографии уже установленных и функционирующих систем, предоставленные известными производителями и специализированными предприятиями по холодильной и климатической технике, позволили нам очень подробно и наглядно представить главную тему книги. Выражаем им свою признательность за помощь и поддержку.
Также мы благодарим всех сотрудников фирмы Kaut, которые тем или иным образом помогали нам в работе над этим изданием, в частности, г-на дипломированного инженера Й. Хетманка и г-жу М. Зайбт за помощь в графическом и художественном оформлении.
Отдельную благодарность за сотрудничество выражаем нашему издательству.
Дрезден и Вуппертал, август 1999
1. Введение в климатехнику
1.1. Климатехника и гигиена
1.1.1. Тепловой комфорт и качество воздуха
«Современный» человек живет и работает преимущественно в созданной им самим искусственной окружающей среде. Например, 90% времени люди проводят в закрытых зданиях, в помещениях, в которых должны обеспечиваться условия жизни, соответствующие природным условиям. Особенно это касается такого «продукта жизнеобеспечения», как свежий воздух. Из этого можно вывести основную задачу климатехники – приведение воздуха в помещениях, где пребывают люди, в такое состояние, которое соответствует требованиям гигиены, а именно сохранению и улучшению здоровья человека с помощью устранения вредных факторов окружающей среды и усиления полезных. Эта задача считается выполненной в том случае, если человек в месте своего нахождения чувствует себя хорошо и комфортно, т.е. находится в таких условиях, которые способствуют его здоровью, хорошему настроению и работоспособности. «Ощущение комфорта» в значительной мере определяется с помощью термических и нетермических параметров.
а) Термические факторы комфорта
Так называемый «тепловой комфорт» в основном характеризуют следующие факторы:
– температура воздуха,
– влажность воздуха,
– температура ограждающих поверхностей,
– скорость перемещения (подвижность) воздуха,
– одежда людей,
– вид деятельности, выполняемой человеком.
Рис. 1-1. Область комфортных температур воздуха в помещении /1/
1. Оперативная температура в помещении
2. Температура наружного воздуха
С помощью определенных эмпирическим путем нормативных показателей можно задать такую область теплового комфорта, которая с достаточной точностью будет удовлетворять климатехническим расчетам:
– температура воздуха в помещении от 22 до 26 ºС,
– относительная влажность воздуха от 40 до 60 %.
Значения других параметров приведены на рис. 1-1 и 1-2, а также в директиве о рабочих местах /2/.
На рис. 1-1 наглядно представлена зависимость комфортных температур воздуха в помещении от температур наружного воздуха. Например, разность температур > 7 К для летнего режима охлаждения в климатической установке недопустима и может вызвать простудные заболевания.
Рис. 1-2. Значение средних скоростей воздуха как функции от температуры и интенсивности турбулентности воздуха в области комфорта /1/
1. Температура воздуха в помещении, ºС
2. Средняя скорость воздуха, м/с
3. Интенсивность турбулентности: 5 %
Для наглядности и упрощения расчетов размеров и параметров климатических установок область теплового комфорта графически представлена на так называемой h,x-диаграмме (другие модели см. в главе 1.3) в виде «зоны комфорта» (рис. 1-3).
Но как объяснить комплексное влияние различных факторов? Одним из свойств человеческого организма является способность сохранять при различных внешних и внутренних условиях постоянную температуру тела, равную 37 ± 0,8 ºС. Поэтому особое значение приобретает обеспечение в окружающей среде соответствующего содержания теплоты и влаги. Среди прочего это означает то, что количество выработанной внутренней тепловой энергии (также регулирование температуры с помощью химических процессов) и внешняя теплоотдача (также регулирование температуры с помощью физических процессов) должны быть уравновешены. Регулирование температуры с помощью физических процессов основано на известных механизмах теплопередачи (см. также рис. 1-4):
– конвекция между поверхностью тела и воздухом,
– теплопроводность между поверхностью тела и соприкасающимися поверхностями,
– тепловое излучение между поверхностью тела и ограждающими поверхностями помещения,
– испарение воды на поверхности тела (в том числе испарение пота) и при дыхании.
Рис. 1-3. H,x-диаграмма с обозначенной на ней зоной комфорта (рис. предоставлен Kaut)
1. Плотность ρ (кг/м3)
2. Температура сухого шара (ºС)
3. 1 бар = 105 Па 1 Па = Н/м2
4. мбар
5. х (г/кг сухого воздуха)
6. Температура мокрого шара (ºС)
7. Удельная энтальпия h/(1+х) кДж/кг сухого воздуха
Принципиальное взаимодействие этих механизмов при различных условиях окружающей среды представлено на рис. 1-5.
Рис. 1-4. Распределение теплоотдачи находящегося в покое человека при температуре в помещении 20 ºС /3/
1. Доля
2. Вид теплопередачи
3. Способ теплопередачи
4. Излучение 46 %
5. Сухое или явное тепло QS 79 %
6. Теплоотдача
7. Теплопроводность и конвекция 33 %
8. Через кожу 88 %
9. Влажное тепло или теплота испарения QV 21 %
10. Испарение воды 19 %
11. – Дыхание 2 %,
12. Через легкие 12 %
Рис. 1-5. Механизмы теплопередачи между телом человека и окружающей средой
1. Кожа
2. Излучение, например, солнечное
3. Конвекция
4. Испарение пота
5. Поступление тепла в кровоток
6. В слишком холодной окружающей среде
7. В помещении с комфортным климатом
8. В слишком холодной окружающей среде
На этой диаграмме особенно заметна высокая доля испарения пота при слишком теплой окружающей среде. В то время как при нормальных, комфортных климатических условиях человек испаряет в день примерно 1 л воды и не замечает этого (Perspirativ insensibilis), то при повышении температуры воздуха в помещении и температуры ограждающих поверхностей до 35 ºС эта величина увеличивается до 3 литров. Столь сильное потоотделение вызывается рефлексами нагретой кожи. Удельная теплоотдача составляет около 2,5 кДж/г испаренной воды. Пот выделяется через примерно 2,5 млн. пор в поверхности кожи и содержит от 0,3 до 0,6 % хлористого натрия. Интенсивность испарения пота зависит от градиента давления пара между поверхностью кожи (давление насыщения pS) и воздухом помещения (парциальное давление пара pD), т.е. чем ниже относительная влажность воздуха, тем больше тепла может быть отведено от тела при испарении (см. также главу 1.3). Именно по этой причине высокая относительная влажность воздуха в теплое время года воспринимается человеком как нечто неприятное и утомляющее (духота). Этот эффект появляется уже при температуре 24 ºС в сочетании с относительной влажностью более 60 %.
В этой связи интересен тот факт, что по статистике в Германии климатическое оборудование используется для охлаждения в среднем только 25-30 рабочих дней в году, в то время как для осушения воздуха оно служит около 100 дней в год и именно благодаря этой функции создает комфортные условия. На рис. 1-6 показана диаграмма типичного состояния наружного воздуха в теплое время года в Германии.
Рис. 1-6. Типичное состояние наружного воздуха в теплое время года в Германии, представленное на h,x-диаграмме (рис. предоставлен Kaut)
1. Плотность ρ (кг/м3)
2. Температура сухого шара (ºС)
3. 1 бар = 105 Па 1 Па = Н/м2
4. мбар
5. х (г/кг сухого воздуха)
6. Температура мокрого шара (ºС)
7. Удельная энтальпия h/(1+х) кДж/кг сухого воздуха
8. Данные о погоде в июне 1994 г. На диаграмме указаны дни, погода в течение которых была вне зоны комфорта
При слишком холодной окружающей среде низкая относительная влажность воздуха также является нежелательной, так как это оказывает отрицательное влияние на сохранение тепла из-за усиления теплоотдачи посредством испарения. Поэтому в данном случае имеет смысл поддержание определенной относительной влажности с помощью соответствующего оборудования для увлажнения воздуха.
Чтобы ограничить представленные доминирующие доли конвекции и излучения (см. рис. 1-5) при слишком холодной окружающей среде, температуру воздуха в помещении и температуру ограждающих поверхностей необходимо поддерживать в определенных границах с помощью соответствующего отопительного оборудования. Если температура кожного покрова человека опускается ниже 33 ºС, то человек ощущает холод.
Также нельзя забывать о том, что воздействие приведенных выше факторов – температуры, влажности и скорости воздуха – очень сильно зависит от одежды и вида деятельности, выполняемой человеком (см. рис. 1-7).
Рис. 1-7. Теплоотдача человека при одинаковой одежде при различных видах деятельности /5/
1. Покой, положение сидя
2. Работа за компьютером
3. Разговор (доклад)
4. Работа официанта
5. Танец
6. Теплоотдача (ватт)
7. Излучение (ватт)
8. Конвекция (ватт)
9. Испарение (ватт)
10. Вода (г/час)
Видно, что «тепловой комфорт» определяется только знанием о взаимодействии человека и окружающей его средой, характеризуемой совокупностью факторов.
а) Нетермические факторы комфорта
Эти факторы обобщают термином «качество воздуха», так как они характеризуют комфорт именно с позиции характеристик воздуха. Важнейшими из этих факторов являются:
– пыль,
– газы и пары,
– запахи,
– шум,
– освещение.
Благодаря использованию соответствующих фильтров, подбору кратности воздухообмена и эффекту мокрого пылеуловителя на поверхностях охладителя при «влажном охлаждении» современная климатехника может внести решающий вклад в сокращение количества вредных веществ в воздухе. Особого внимание требует соблюдение так называемых ПДК на рабочем месте (предельно допустимых концентраций вредных для здоровья веществ на рабочем месте). Основа знаний в области гигиенических требований к воздуху была заложена Петтенкофером1), в частности, им была введена шкала для измерения содержания СО2 /6, с. 63 и далее).
Табл. 1-1. Нормативные показатели для уровня А звукового давления вентиляционных установок согласно /1/
Тип помещения Пример Уровень звукового давления в дБ(A), требования
высокие низкие
Рабочие помещения Небольшие офисные помещения 35 40
Большие офисные помещения 45 50
Мастерские 50
Типография 60
Общественные помещения Театры 30 35
Концертный зал, оперный театр 25 30
Кинозал 35 45
Конференц-зал 35 40
Столовая 40 50
Жилые помещения Комната в гостинице 351) 35"
Бытовые помещения Помещения для отдыха, но не в больницах (см. DIN 1946 ч. 4) 30 35
Комнаты для отдыха 35 40
Душевые 45 55
Помещение туалетов 45 55
Помещения для обучения Классные комнаты 35 40
Помещение для семинарских занятий 35 40
Читальный зал 30 35
Лекционный зал 35 40
Помещения с Выставочный павильон 45
движением публики Торговые помещения 45 60
Музеи 35 40
Общественные столовые 40 55
Кассовые залы 40 45
1) Нормативный показатель для ночного времени суток на 5 дБ(A) ниже
1) Макс фон Петтенкофер (1818 – 1901) – немецкий ученый, один из основателей гигиенической науки.
2) Системы вентиляции: вентиляционные установки с механической подачей воздуха, используемые для поддержания воздуха в помещении в заданном состоянии согласно /1/.
Конечно же, из-за использования климатехники не должен быть превышен предельно допустимый уровень шума в помещениях, где пребывают люди (допустимые значения см. табл. 1-1). Другие нормативные показатели приведены в VDI-директивах 2081 (3.83) и 2058 (9.85), а также в Директиве о рабочих местах /2/. Для сравнения в табл. 1-2 перечислены некоторые известные источники шума и создаваемые ими уровни звукового давления.
Табл. 1-2. Уровень звукового давления некоторых источников шума согласно /7/
Уровень
звукового Шум
давления Lp, дБ(A)
0 Начало слухового восприятия
10 Отчетливо слышимый звук
15...20 Тихий шелест листьев, в чистом поле ночью, в церкви
25...30 Шепот, читальный зал
30...40 Спокойный жилой район
40...50 Тихая беседа, тихое офисное помещение
50...60 Обычная беседа, работа тихой печатной машины
55...65 Пылесос
60...65 Универмаг, шумное офисное помещение
65...70 Звонок телефона на расстоянии 1 м, лай собаки
55...75 Купе поезда
70...80 Оживленное движение транспорта
75…85 В вагоне метро
80...85 Громкий крик
80...90 Проезжающий мимо грузовик, типография
90...100 Проезжающий мимо скоростной поезд, турбогенератор
100...110 Котельный завод, сильный раскат грома
110...120 Самолет, пропеллер на расстоянии 3 м
120...130 Болевой порог
130...150 Реактивный самолет
1.1.2. «Синдром больных зданий» (SBS)
В 1991 году в Берлине состоялся семинар на тему «Синдром больных зданий» (Sick-Building-Syndrom, SBS) /8/. На нем были представлены результаты многочисленных исследований HBI (Healthy Building International) их Фэйрфакса, США. Организация HBI, которая ввела термин SBS, была основана в 1981 году Грэем Робертсоном и занимается контролем воздуха в общественных и торговых зданиях. Синдром больных зданий встречается как в зданиях с системами кондиционирования, так и в зданиях без них. О SBS говорят, если проявляются следующие симптомы:
1. Характерные проявления типа головной боли, тошноты, потери концентрации, расстройства ЖКТ, сердцебиение, раздражение глаз и горла.
2. Эти симптомы появляются у одного или нескольких работников, одновременно или по очереди находящихся в рабочих помещениях.
3. Характерным является исчезновение этих синдромов в выходные дни и во время отпуска.
Причиной SBS являются перечисленные ниже загрязнения воздуха, которые появляются независимо от вида вентиляции в здании.
Табл. 1-3. Загрязнения воздуха в офисных зданиях и их последствия
Загрязнение воздуха Жалобы
Волокна Раздражение глаз
Бактерии и вирусы Сухость в горле
Плесень и грибы Насморк
Озон Головная боль
Диоксид азота Заложенность носа
Диоксид серы Кашель
Вредные органические вещества Усталость
Пыльца и пыль
Табачный дым
Конечно же, существует непосредственная связь между SBS и влажностью воздуха. Увлажнение воздуха в течение отопительного периода в рабочих помещениях играет важную роль как прямо, так и косвенно. Это в равной степени относится к помещениям, оборудованным системами принудительной вентиляции, так и к помещениям с естественной вентиляцией.
Уже было сказано о том, что в настоящее время человек около 90 % своего времени проводит в закрытых помещениях. Поэтому важно обеспечить такой воздух для дыхания, который бы не только удовлетворял требования по необходимому воздухообмену, но и был достаточно увлажненным, особенно зимой, во время отопительного периода. Так как природа не может помочь в этом, то требуется дополнительное искусственное увлажнение. В таблице 1-4 показаны результаты исследований, проведенных известными учеными по проблеме Синдрома больных зданий. Особенно часто встречаются жалобы на раздражение носоглотки.
Табл. 1-4. Исследования по SBS /8/
Иссле-дование Количество людей Тип системы вентиляции Встречающиеся жалобы в %
Глаза Нос Глотка Кожа Головная боль Усталость Тошнота
Крелинг, 1983 699 без кондиционирования 16 16 15 4
420 с кондиционированием 29 21 20 7
Хельсинг и др., 1985 316 без кондиционирования 2 3 14 9
156 с кондиционированием 12 5 25 22
Финнеган и др., 1987 259 без кондиционирования 6 6 6 16 14
692 с кондиционированием 14 18 10 32 40
Гаррисон и др., 1987 537 без кондиционирования 11 13 6 21 19
2050 с кондиционированием 23 25 13 37 47
Крелинг, 1984 1241 без кондиционирования 21 24 42 9
1853 с кондиционированием 43 39 63 19
Гансен, 1983 55 без кондиционирования 53 60 55 48 51 54 23
45 с кондиционированием 11 26 20 39 20 23 6
Гедже и др., 1987 459 без кондиционирования 24 50 45 47 60
786 с кондиционированием 38 65 63 56 77
Σ 3566 без кондиционирования 14 27 22 9 24 31 8
6002 с кондиционированием 24 32 44 13 38 52 17
Недостатком является то, что до сих пор не составлено каких-либо единых опросных листов, на основании которых можно было бы достоверно исследовать Синдром больных зданий и разрабатывать меры борьбы с ним в каждом конкретном случае.
Если, например, в системе кондиционирования воздух увлажняется с относительной влажности в 30 % до 35%, и несмотря на это сохраняются жалобы на раздражение слизистой оболочки, сухость в носу, слезоточивость, то необходимо срочно принять соответствующие меры. Статистические данные по симптомам позволяют сказать, что увеличение относительной влажности воздуха с 40% до 45% могло бы облегчить или устранить эти синдромы. В этой связи необходимо заметить, что соответствующие жалобы на здоровье людей, которые работают, например, в общественных плавательных бассейнах, вообще не известны.
Тщательное планирование и разработка систем увлажнения является важной предпосылкой для безупречной эксплуатации систем кондиционирования. Однако при недостаточном техническом обслуживании этих систем возникает повышенная опасность для здоровья из-за появления бактерий, грибов и вирусов. Как показано в табл. 1-4, это наоборот является основной причиной увеличения заболеваемости по сравнению с оборудованием без кондиционирования.
Слишком низкая относительная влажность воздуха в рабочих помещениях может влиять на Синдром больных зданий и косвенно. Чем ниже относительная влажность воздуха (< 35%), тем больше будет образоваться пыли, которая является дополнительным раздражителем для слизистых оболочек. Частички пыли являются носителями бактерий. В помещениях без кондиционеров, где значение относительной влажности воздуха 30% и менее, может быть зафиксировано повышенное пылеобразование от ковровых покрытий, текстиля и бумаги. При соприкосновении с горячими поверхностями, например, отопительных приборов, пыль тлеет и выделяет газы, среди них аммиак, которые дополнительно раздражают слизистую оболочку. Все эти явления ведут к ухудшению качества воздуха. Важнейшие факторы, влияющие на качество воздуха, представлены в табл. 1-5.
Табл. 1-5. Параметры качества воздуха (КОЕ = колониеобразующие единицы)
Измеряемая величина Запись
Бактерии в воздухе Бактериальная обсеменённость воздуха в помещении, КОЕ / м3
Бактериальная обсеменённость воздуха у выходного отверстия СКВ, КОЕ / м3
Микроорганизмы в СКВ Бактериальная обсеменённость воды, КОЕ / мл
Бактериальное загрязнение поверхности, КОЕ / м2
Легионеллы Концентрация легионел в СКВ, КОЕ / мл
Аллергены Концентрация различных аллергенов плесневых грибов
Эндотоксины Концентрация эндотоксинов к воздухе помещения
Табл. 1-6. Жалобы SBS и их возможные причины (по Крелингу) /8/
Жалобы SBS Возможные причины
Подверженность простудным заболеваниям и ревматические боли вследствие сквозняка • Слишком высокая скорость движения воздуха
• Слишком сильная турбулентность
• Дефекты воздухопровода
• Слишком низкая температура приточного воздуха
Раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей и глаз, ощущение сухости воздуха • Микробиологические аллергены (плесень, пыль, клещи в ковровых покрытиях)
Повышение температуры
Затруднение дыхания
Боли в конечностях • Микробиологические эндотоксины из воды для увлажнения воздуха
Усталость
Потеря концентрации
Бессознательное состояние
Головная боль • Нарушение терморегуляции из-за:
– температуры > 23 ºС,
– непривычного изменения температур в течение дня,
– повышения влажности.
• Невозможность вентиляции через окно,
• Низкочастотный звук (< 100 Гц)
• Аллергены, эндотоксины
Температурный дискомфорт (без сквозняков) • Недостатки:
– защиты от солнца (отсутствует, внутренняя),
–оконных поверхностей (слишком большая площадь),
– теплоаккумулирующей массы (слишком маленькая),
– мощности, регулирования, технического обслуживания СКВ
Неудовлетворительное качество воздуха • Негативные факторы из СКВ:
– технические (материалы, фильтры),
– микробиологические (увлажнение)
• Недостаточный эффективный воздухообмен,
• Примешивание окружающего воздуха
• Дефицит «натурального» озона в качестве оксиданта и агента запахов
В заключение приведем некоторые важные мероприятия по планированию, эксплуатации и техническому обслуживанию систем кондиционирования воздуха (СКВ), с помощью которых можно ограничить синдром больных зданий:
• Проверка необходимости СКВ или отдельных термических функций при обработке воздуха.
• Дифференцированный выбор климатических систем в соответствии с требованиями и краевыми условиями.
• Обеспечение хорошей возможности для регулярного технического обслуживания СКВ.
• Поддержание относительной влажности воздуха ≥ 40%.
• Наличие минимум одного поворотно-откидного окна на помещение с выключающим контактом для СКВ.
• Чистота на строительной площадке: загрязненные каналы необходимо очистить.
• Регулярная проверка количества колониеобразующих единиц в воде.
• Последняя ступень в фильтре – минимум EU7.
• Дополнительная дезинфекция ультрафиолетом для сокращения числа возбудителей в промывочной воде, регулярный спуск воды из промывочных ванн и сушка устройств включением вентилятора на холостом ходу.
1.2. Кондиционирование воздуха – но как?
Правильный путь1)
Целью кондиционирования воздуха является выполнение основной задачи климатехники, сформулированной в главе 1.1.1, т.е. приведение воздуха в местах пребывания людей, зданиях и помещениях в такое состояние, которое соответствует требованиям гигиены, а именно сохранение и укрепление здоровья людей посредством устранения вредных воздействий и усилению благоприятных факторов окружающей среды.
Преобразованная, более современная структура зданий оказывает значительное влияние на требования по кондиционированию воздуха. Для выполнения условий Предписания по теплозащите (WSVO) от 95 года здания сегодня должны иметь намного более высокий уровень теплоизоляции и герметичности по сравнению со зданиями, построенными до 1995 года. Как следствие не обеспечивается совсем или лишь в недостаточной мере требуемый по гигиеническим соображениям минимальный воздухообмен и естественная влагопередача. Поэтому традиционная концепция вентиляции зданий должна быть пересмотрена (см. например, /9/). Увеличение так называемой внутренней тепловой нагрузки (например, из-за работы оргтехники) и эффекта инсоляции (из-за больших площадей остекления) ведут к смещению отношения отопительной и холодильной нагрузки в сторону последней и делает необходимым работу СКВ круглый год.
Очевидно, что эти качественно новые требования к оптимальному кондиционированию воздуха не могут быть выполнены традиционными методами и средствами, типа ударного проветривания через открытое окно, специальной отделки зданий, озеленения и т.д. Напротив, нужно современное, эффективное с энергетической точки зрения климатическое оборудование, которое при тесном сотрудничестве между архитекторами и разработчиками бытовой техники сделает возможным интенсивное использование здания. Так как энергопотребление современных систем мало, то благодаря рекуперации тепла и тепловому сдвигу по сравнению со зданиями без СКВ можно даже получать и накапливать энергию! Кроме этого нельзя недооценивать тот факт, что использование климатического оборудования является выгодным и с экономической точки зрения, так как предотвращается потеря рабочей силы вследствие болезни и несчастных случаев, а работоспособность и результаты работы улучшаются.
Классификация климатического оборудования
Климатическим оборудованием называются отдельные устройства или целые системы, которые могут выполнять полное или частичное кондиционирование воздуха (см. рис. 1-8). Их задача заключается в том, чтобы с помощью соответствующей обработки поддерживать воздух в помещении в таком состоянии, чтобы его температура, влажность и частота лежали в определенных пределах. То есть это оборудование выполняет важный постулат гигиены. В общем случае мероприятия по кондиционированию воздуха можно разделить на две большие области применения:
а) Кондиционирование для комфорта2)
Оно направлено на потребности человеческого организма и со временем приобретает все большее значение.
б) Технологическое кондиционирование
Здесь на первом плане стоит оптимизация технологических процессов и состояние материалов, при этом, естественно, также должны учитываться и гигиенические аспекты.
Особое положение СКВ занимают в музеях и библиотеках. Здесь они служат сохранению чувствительных предметов искусств и одновременно создают в помещениях комфортный климат. Другие области, где к СКВ предъявляются специальные требования – это больницы, фармацевтические предприятия, измерительные и испытательные лаборатории, лабораторное оборудование и т.д.
1) С использованием /10/.
2) Эти устройства являются главной темой данной книги.
Рис. 1-8. Климатическое оборудование, обобщенная классификация
1. Системы, установки и приборы для полного и частичного кондиционирования воздуха
2. Вентиляционная техника
3. Холодильная техника
4. Преимущественно централизованная обработка воздуха
5. Мощности от средней до большой
6. Центральный кондиционер
7. Крышные (навесные), шкафные и т.д.
8. Преимущественно децентрализованная обработка воздуха
9. Маленькая мощность
10. Мощность от маленькой до большой
11. Комнатный кондиционер
12. Мобильной прибор (напольный)
13. Стационарный компактный прибор (оконный, настенный)
14. Сплит-системы для (частичного) полного кондиционирования воздуха
15. Прямое / косвенное1) охлаждение или обогрев
16. Моносплит-системы
17. Мультисплит-системы
18. «Другая климатехника»
19. Методическая основа
1) В предыдущем издании книги речь шла только о прямом охлаждении / обогреве
В основе современных методов определения параметров в основном лежат два различных метода (стратегии), которых восходят к различным историческим исходным позициям и путям развития (вентиляционная техника, холодильная техника). На рис. 1-8 представлена обобщенная классификация климатического оборудования, включая классификацию универсальных приборов и систем.
В то время как в Европе традиционные системы вентиляции (см. также рис. 1-9) развивались на -протяжении веков (уже древние римляне знали и использовали системы вентиляции для зданий), колыбелью «другой климатехники» (согласно рис. 1-8 это все приборы и системы, методической основой которых является холодильная техника) считаются США.
Здесь в 30-е годы 20-го века был разработан так называемый «оконный климатический прибор». Хотя это и не было нечто неслыханное, однако соответствовало уровню техники своего времени. Гораздо больше внимания привлекают современные высокотехнологичные мультисплит-системы японского производства.
На сегодняшний день это оборудование по всему миру достигло такого высокого технического уровня, что может выполнить все эквивалентные требования, предъявляемые к современным вентиляционным системам. Однако при планировании необходимо учитывать некоторые особенности, например, отверстий для выхода воздуха, воздухопроводы, подготовку наружного воздуха и т.д. Это в свою очередь делает неизбежным переосмысление и новый подход к планированию и расчетам. Именно здесь необходимо ликвидировать нехватку информации и дополнить специализированную литературу. Этой задаче и посвящена данная книга.
Рис. 1-9. Классификация климатических систем в области вентиляционной техники /1/
1. Техника вентилирования
2. Техника подачи технологического воздуха
3. Системы подачи технологического воздуха
4. Системы вентилирования помещений
5. Техника вентилирования помещений
6. Системы естественной вентиляции
7. Системы с функцией вентиляции
8. Системы без функции вентиляции
9. Вентиляция через наружную оболочку или окна
10. Шахтная вентиляция
11. Вентиляция через вентиляционный раструб
12. Вентиляционные системы
13. Системы для частичного кондиционирования воздуха
14. Климатические системы
15. Системы для циркуляции воздуха
16. Циркуляционные системы для частичного кондиционирования воздуха
17. Циркуляционные климатические системы
Для всего климатического оборудования, представленного на рис. 1-8, с использованием данных /1/ можно привести следующие классификационные признаки:
а) функция вентиляции,
б) конструкция и
в) термодинамические функции обработки воздуха.
Функция вентиляции
Системы могут работать с выполнением функции вентиляции (примешивание наружного воздуха), так и без нее (только циркуляция воздуха). Возможная схема прокладки воздуховодов с обозначениями воздушных потоков представлена на рис. 1-10.
Рис. 1-10. Прохождение воздушных потоков в системе вентиляции согласно /1/
1. Нагнетание воздуха
2. Помещение
3. Обработка воздуха
AU = НВ наружный воздух
FO = ВВ вытяжной воздух
AB =ОВ отработанный воздух
UM =ЦВ циркулирующий воздух
MI = СВ смешанный воздух
ZU = ПВ приточный воздух
Желаемая или требуемая чистота (качество воздуха) достигается за счет постоянного обновления воздуха (потоки наружного и удаляемого воздуха) в комбинации с подходящей фильтровальной и сепарационной техники (также посредством воздействия мокрых поверхностей воздухоохладителя в климатических сплит-системах!).
Результаты исследований и опытов показали, что на мокрых поверхностях испарителя можно отделить около 35% вредных водорастворимых газообразных веществ типа оксида азота и диоксида серы, однако также и частички пыли, цветочную пыльцу, споры плесневого грибка и т.д. (см. также главу 1.1). Этот эффект, как известно, наблюдается только при достижении на поверхности охлаждения точки росы. В будущем, когда число аллергических заболеваний различной этиологии значительно увеличится, это преимущество «мокрого» охлаждения привлечет заслуженное внимание. В конце концов, приведение воздуха в помещении в состояние, соответствующее гигиеническим условиям, и является основной задачей климатехники (см. также главу 1.3).
Конструкция климатического оборудования
На рис. 1-11 представлена возможная схема классификации, составленная с использованием данных /1/ и /6/, а также учетом увеличивающейся доли новых типов и конструкций климатических устройств и систем (а именно сплит-систем для частичного кондиционирования воздуха).
Рис. 1-11. Классификация устройств систем для полного и частичного кондиционирования воздуха по их конструкции
1. Децентрализованные
2. Комнатный кондиционер
3. Мобильной прибор (напольный)
4. Стационарный компактный прибор (оконный, настенный)
5. Устройства
6. Системы (6а для частичного кондиционирования воздуха)
7. Системы для полного кондиционирования воздуха
8. Централизованные
9. Сплит-системы для частичного (полного) кондиционирования воздуха
10. Прямое / косвенное охлаждение или обогрев
11. Центральный кондиционер
12. Крышные (навесные), шкафные и т.д.
13. Моносплит-системы
14. Мультисплит-системы
15. «Другая климатехника»
Термодинамические функции обработки воздуха
По количеству термодинамических функций обработки воздуха системы классифицируют на
Климатические системы (установки и системы для полного кондиционирования воздуха), выполняющие 4 возможные функции – обогрев, охлаждение, увлажнение, осушение.
и на
Системы для частичного кондиционирования воздуха с двумя или тремя функциями.
Эти термодинамические функции обработки воздуха рассматриваются как «изменения состояния влажного воздуха», которые представляются и рассчитываются с помощью h,x-диаграммы.
1.3. Представление термодинамических функций обработки воздуха на h,x-диаграмме
Все процессы кондиционирования воздуха можно свести к так называемым «изменениям состояния влажного воздуха». При этом под «влажным воздухом» подразумевается двухкомпонентная смесь, состоящая из «сухого воздуха» и водяного пара.
Для облегчения практических расчетов и для наглядного представления изменений состояния на основе расчетных методов была разработана и представлена в 1923 году так называемая i,x-диаграмма Мольера1). На ее основе в процессе совершенствования и приведения в соответствие с текущими требованиями были созданы сегодняшние h,x-диаграммы различного вида. На рис. 1-12 показана одна из традиционных форм с обозначением зоны комфорта. С помощью этого достаточно важного рабочего инструмента климатехника графически представлена в зависимости от атмосферного давления зависимость между параметрами h – энтальпией, t – температурой, х – абсолютной влажностью, φ – относительной влажностью для текущего состояния воздуха. Дополнительная информация на эту тему приведена в /11/.
Для понимания последующих объяснений необходимо рассмотреть некоторые основные понятия и термины.
– Температура сухого шара в °С
Температура «влажного воздуха» в ненасыщенной области (pD < pS); считывается по «сухому термометру» аспирационного психометра Асманна.
– Температура мокрого шара в °С
Температура (воды), которая устанавливается при смешивании ненасыщенного «влажного воздуха» и воды (предел охлаждения); считывается по «мокрому термометру» аспирационного психометра Асманна.
– Кривая насыщения
Здесь x = xS, φ = 1 (относительная влажность 100%). Все точки состояния на кривой насыщения описывают насыщенный влажный воздух при температуре точки росы или температуре мокрого шара.
– Температура точки росы (точка росы) в °С
Если охлаждать влажный воздух при х = const до pD = pS, то достигается так называемая температура точки росы на линии насыщения. Здесь влага, содержащаяся в воздухе, начинает конденсироваться и превращаться в воду.
– Тепловлажностный (или угловой) коэффициент линии процесса или луч процесса Δh/Δx
Его используют, например, чтобы определить направление изменения состояния, при котором влажный воздух поглощает воду (жидкую или газообразную, т.е. изменяет свое влагосодержание), и при этом изменяется его энтальпия (hW и hD соответственно).
1) Мольер преподавал в 1896 г. в Гёттингене и с 1897 по 1931 год в Высшем техническом учебном заведении в Дрездене
Рис. 1-12. h,x-диаграмма влажного воздуха (при р = 1 бар) с обозначением лучей процесса и зоны комфорта, упрощенная (рис. ILK Дрезден)
1. Температура воздуха в °С
2. Удельная энтальпия в г/кг
3. Δh/Δx в кДж/кг
h = 0 используется для точки следующей состояния: Температура сухого шара ttr = 24 °С
Относительная влажность φ = 50 %
Смешивание двух воздушных масс, находящихся в различном состоянии
Для двух любых масс m1 и m2 действительно выражение:
.
Точка смешивания М лежит на прямой линии, соединяющей точки состояния 1 и 2 (см. рис. 1-13).
Рис. 1-13. Смешивание двух воздушных масс на h,x-диаграмме
1. t в °С
2. h в кДж/кг
3. х в г/кг
Точка состояния 1: m1, 30 °С, относительная влажность 55 %.
Точка состояния 2: m2, 10 °С, относительная влажность 30 %.
Если, например, m1 = 2 • m2, то
, M:m1 + m2; ≈ 23 °С, относительная влажность ≈ 60 %.
Охлаждение без осушения (сухое охлаждение воздуха, например, с помощью охлаждающих перекрытий)
Если значение температуры поверхности охлаждения О лежит выше температуры точки росы ТР, то происходит «сухое охлаждение». Оно представляется на h,x-диаграмме в виде вертикальной линии (см. рис. 1-14). Абсолютная влажность х (например, 10,6 г/кг сухого воздуха) не изменяется, т.е. не происходит отделение влаги! Температура точки росы ТР не достигается.
Рис. 1-14. Охлаждение без осушения на h,x-диаграмме
1. t в °С
2. h в кДж/кг
3. х в г/кг
Для определения параметров климатических устройств, которые работают мо методу сухого охлаждения (например, охлаждающих перекрытий), точка росы является важнейшим параметром расчетов. Она ограничивает холодильную мощность на единицу площади охлаждающей поверхности. Регулирование влажности с помощью такой системы не возможно. Для влагопередачи необходимо использовать дополнительные системы кондиционирования и вентиляции воздуха.
Рассмотрим еще раз, как важно иметь хорошие знания о термодинамических процессах обработки воздуха. Только на их основе можно провести достоверное и понятное сравнение стоимости, например, климатических сплит-систем и охлаждающих перекрытий. В этой связи можно еще раз убедиться, что квалифицированная профессиональная консультация на этапе планирования является основой долговременного успеха.
Охлаждение с одновременным осушением (влажное охлаждение, например, сплит-системы для частичного кондиционирования воздуха)
Если значение температуры поверхности охлаждения О лежит ниже температуры точки росы ТР, то происходит «влажное охлаждение». Идеализированное состояние воздуха на выходе 2 определяется как точка смешивания состояний воздуха 1 и 0 (см. рис. 1-15).
Рис. 1-15. Охлаждение с одновременным осушением на h,x-диаграмме
1. t в °С
2. h в кДж/кг
3. х в г/кг
Масса сконденсированной воды: Δх = х1 – х2 = 1,2 г на кг сухого воздуха
Примечание: для отделения воды нет необходимости охлаждать весь объем воздуха ниже температуры точки росы.
Для расчета требуемой холодильной мощности при влажном охлаждении всегда используется разность теплосодержания (энтальпии) Δh. Для этого наряду с явной долей холодильной нагрузки необходимо учесть и скрытую долю, которая относится к осушению. Таким образом, мокрая поверхность испарителя сплит-системы для частичного кондиционирования воздуха производит не только снижение температуры, но и несет нагрузку по увлажнению. Кроме этого, она действует как «мокрый сепаратор» для некоторых вредных газообразных веществ, частиц пыли и т.д.
Обогрев и увлажнение
При нагревании влажного воздуха изменение состояния на h,x-диаграмме происходит вертикально в направлении, противоположном изменению состояния при сухом охлаждении. При этом относительная влажность воздуха в помещении частично принимает недопустимо низкие значения. Поэтому необходимо проводить увлажнение воздуха в помещении водой и паром, чтобы привести воздух в «комфортное» состояние (см. рис. 1-16). Основы расчета и проектирования для различных задач в области кондиционирования для комфорта и технологического кондиционирования приведены в /11/.
Рис. 1-16. Обогрев и увлажнение на h,x-диаграмме
1. t в °С
2. h в кДж/кг
3. х в г/кг
Изменение состояния НВ → 1: Нагрев наружного воздуха до температуры помещения (ZU = R)
Изменение состояния 1 → 2: Увлажнение паром (удельная масса пара Δх = 6 г на кг сухого воздуха), t ≈ const для электрического увлажнения паром
Изменение состояния 1 → 1': Дополнительный нагрев наружного воздуха
Изменение состояния 1' → '2: Адиабатное увлажнение водой, h ≈ const
Изменение состояния 2' → 2: Заключительный нагрев при увлажнении водой для выполнения условия ZU = R
Примечание: направления изменений состояния 1 → 2 или 1' → '2 могут быть точно определены с помощью так называемого тепловлажностного коэффициента (луча процесса, на рис. 1-16 не представлен, см. рис. 1-12).
В главах 5.1 и 6.3 будет представлено практическое использование h,x-диаграммы на примере расчетов параметров сплит- и мультисплит-систем для частичного кондиционирования воздуха.
1.4. Об использовании климатехнических терминов
В области вентиляционной и климатической техники достаточно сложно сформулировать однозначные определения понятий. Показательным примером является термин «теплообменник», который на самом деле является теплопередатчиком, так как постоянно передает теплоту от одной среды к другой и ничего не обменивает!
Так же обстоит дело с международным постоянно употребляемым термином «комнатный кондиционер», например, если при этом подразумевается мобильной циркуляционный прибор для охлаждения воздуха (напольный). Конечно же, пользователь напрасно будет ждать от него выполнения всех функций кондиционера, так как согласно DIN 1946 «кондиционером» называется прибор или система для полного кондиционирования воздуха.
Создается впечатление, что «общее понятие» комнатный кондиционер с точки зрения развития «другой климатехники» является устаревшим. Так как потенциальные пользователи и операторы климатического оборудования из-за отсутствия точных определений понятий и терминов не осознают в полной мере основные различия между системами для полного или частичного кондиционирования воздуха, это обязательно вызовет неприятные последствия в виде «антирекламы» в СМИ, потери имиджа и заказов. Общая фраза «Речь идет о «комнатном кондиционере» или о «комнатной климатической установке» является недостаточной и вводит в заблуждение. Поэтому во всех изданиях данной книги авторы пытаются избежать таких «неточных» понятий1) и использовать термины согласно рис. 1-8.
Вне территории Европы, в частности на японском и американском рынке используются следующие обобщающие понятия:
Вместо термина «комнатный климатический прибор» используется термин RAC (Room Air Conditioner). Он объединяет моноблочные приборы для оконного и настенного монтажа (оконные кондиционеры), все мобильные приборы (напольные) и все стационарные моносплит-устройства, холодильная мощность которых не превышает 7 кВт.
Все приборы и системы с большей мощностью классифицируются как PAC (Packaged Air Conditioner2)). Сюда также относятся все моносплит-устройства с холодильной мощностью > 7 кВт и все мультисплит-системы.
Другая классификация включает в себя понятия Residential Air Conditioning (кондиционирование жилых помещений) и Commercial Air Conditioning (промышленное кондиционирование).
Наряду с этими общими понятиями также используются и другие термины, важные в первую очередь для расчетов и определения параметров, специализированная терминология согласно /1/ и т.д.
Холодильная нагрузка: тепловой поток, который должен быть отведен из помещения, чтобы достичь и сохранить требуемое состояние воздуха.
Отопительная нагрузка: тепловой поток, который должен быть подведен в помещение, чтобы достичь и сохранить требуемое состояние воздуха.
Тепловая нагрузка: обобщающее понятие для холодильной и отопительной нагрузки.
Холодильная мощность: расчетная мощность холодильной установки или холодильной машины (полезная холодильная мощность).
1) Исключение: определения понятий из цитируемых источников литературы.
2) Компактные климатические приборы / системы со встроенной холодильной установкой.