Статьи

Совершенствование систем кондиционирования воздуха

Наряду с развитием оборудования и разработкой теоретических основ совершенствовались схемные решения систем кондиционирования воздуха для зданий различного назначения. В 1834 г. в здании английского парламента была смонтирована первая установка круглогодичного комфортного кондиционирования воздуха. В 1903 г. в Кельнском театре появилась установка с рассольным аккумулятором холода, что позволило сократить требуемую холодопроизводительность машины в 4-5 раз. Первичное охлаждение воздуха осуществлялось с помощью артезианской воды, используемой затем для охлаждения конденсаторов. В 1924 г. система кондиционирования воздуха была установлена в одном из универмагов Детройта, что способствовало привлечению покупателей. Начиная с 1917 г. сразу в нескольких городах США появились первые театры и кинозалы, оборудованные системой кондиционирования воздуха, что привело к резкому росту их посещаемости в жаркие летние месяцы. В 1920-е П. центральные системы комфортного кондиционирования воздуха обычно устраивались в театрах, гостиницах, торговых центрах, но мало были распространены в офисных и жилых зданиях. В первых небоскребах США были использованы системы естественной вентиляции. В реконструируемых зданиях в существующие системы приточной вентиляции встраивали воздухоохладители. В связи с разработкой и выпуском местных автономных кондиционеров в начале 20-х годов в офисных и гражданских зданиях преобладали местные системы кондиционирования воздуха. В 1930 г. большинство основных государственных учреждений США имели системы кондиционирования воздуха, в том числе Белый дом. В 30-е годы в США, а затем и в других странах, началось широкое применение комнатных, бытовых и шкафных автономных кондиционеров для жилых зданий.
Практически до середины 40-х годов системы кондиционирования гражданских зданий, в том числе офисных, это - центральные воздушные системы с местными рециркуляционными вентиляторами или температурными доводчиками. Система с температурными доводчиками применяется для помещений с высокими нагрузками по скрытой теплоте, для реконструируемых зданий с существующими системами водяного отопления, для новых зданий, в которых на первом этапе предполагается осуществлять только отопление и вентиляцию, а охлаждение в более поздние сроки - посредством добавления воздухоохладителя в центральную установку. Наибольшее распространение получила, например, для музеев и картинных галерей.
Позже стали применять двухканальные системы кондиционирования воздуха. Это системы, в которых наружный воздух смешивается с рециркуляционным, смесь охлаждается и осушается летом, увлажняется зимой, делится на два канала и в каждом потоке устанавливаются соответственно воздухонагреватель и воздухоохладитель. Возможна обработка воздуха в двух параллельных установках. Нагретый и охлажденный воздух по двум каналам поступает в помещения, где смешивается в необходимом соотношении, чтобы обеспечить заданную температуру воздуха в помещении. В США и Европе двухканальные СКВ использовались значительно реже, чем водовоздушные, а в СССР практически не применялись.
Незадолго до окончания Второй мировой войны появились новые идеи и их воплощение в архитектуре, связанные с применением новых строительных материалов - бетона, алюминия, получаемого при утилизации военной техники, и тонированного стекла, предложенные Ле Корбюзье и Р. Беллучини. Возросли нагрузки на систему кондиционирования воздуха за счет солнечной радиации, требовались новые схемные решения. Для снижения теплопоступлений от солнечной радиации через окна использовали специальные окна, внутренние жалюзи, реже - наружные солнцезащитные устройства. Первая водовоздушная система с режимами охлаждения и отопления, включая использование теплового насоса, была запроектирована Д. Крокером в 1944 г. для здания в Портланде, архитектором которого был Р. Беллучини. В здании были предусмотрены водовоздушные поэтажные системы кондиционирования воздуха для каждого фасада и внутренней зоны, обеспечивающие автоматический контроль и поддержание заданных параметров воздуха в помещении. В течение 1948 г. в построенном и функционирующем здании проводились наблюдения, показавшие отличную работу системы и хорошие экономические показатели. Затраты на систему кондиционирования воздуха выросли на 10-25% по сравнению с обычными системами отопления и вентиляции. В качестве местных агрегатов использовались эжекционные доводчики, в том числе в зданиях послевоенной постройки, например в здании ООН в Нью-Йорке. Еще в 1920 г. У В. Кэрриера возникла идея создать местные агрегаты - комнатные терминалы для снижения общего расхода приточного воздуха путем подачи первичного воздуха в меньшем количестве с низкой температурой и последующего смешения его с вторичным воздухом помещения. В 1937 г. эта идея получила развитие, и в 1940 г., за месяц до вступления США в войну, он получил патент на эжекционный доводчик «Carrier weathermaster». Преимуществами этой системы были: размещение местных агрегатов под окнами, где теплопотери и теплопоступления достигают наибольшего значения; вода оказалась более экономичным теплоносителем, чем воздух; не требовалось пространства для прокладки вертикальных воздуховодов, высокие скорости воздуха обеспечивали малые размеры воздуховодов.

{mospagebreak}

Сочетание бетонных стен, тонированных стекол, внутренних жалюзи с периметральной системой кондиционирования воздуха высокого давления с эжекционными доводчиками стало тиражироваться на протяжении последующих 20-30 лет во многих зданиях. В начале 60-х годов, с началом бума строительства новых зданий из стекла и бетона, наибольшее распространение получили водовоздушные системы кондиционирования воздуха с эжекционными доводчиками. Система кондиционирования воздуха с эжекционными кондиционерами доводчиками получила распространение и в СССР, где она называлась местно-центральной. Создателем этой системы стал О. Я. Кокорин в тесном сотрудничестве с Я. Г. Кронфельдом (Моспроект-2). Наиболее полно энергосберегающую технологию этих систем удалось реализовать в 1983 г. в новом здании Госстроя СССР (сейчас здание Совета Федерации). Расходы теплоты снизились на 60% по сравнению со зданиями аналогичного назначения (здания на Новом Арбате). В дальнейшем такие системы устраивались в новых гостиницах, общественных зданиях и цехах точного машиностроения.
В водовоздушных системах, в отечественной практике называемых местно- центральными, в кондициoниpyeмoe помещение вводится воздух, обработанный в центральном кондиционере, и вода, несущая тепло или холод. Водовоздушные системы применяются для помещений со значительными явными тепловыделениями, где не требуется жесткое поддержание заданного значения относительной влажности воздуха. Они хорошо себя зарекомендовали за рубежом в офисных зданиях, больницах, гостиницах, школах, жилых зданиях, исследовательских лабораториях, могут применяться в многозональных производственных помещениях точного машиностроения, радиотехнической, фармацевтической, пищевой промышленности и т. д. В последние годы получили широкое распространение в России. В водовоздушных системах в качестве местных агрегатов, устанавливаемых в помещении, применяют эжекционные доводчики, вентиляторные доводчики, напольные конвекторы и охлаждающие панели.
В 70-х годах вентиляторные доводчики (фэнкойлы), патент на которые был получен Р. Трейном еще в 1932 г., заменили и практически вытеснили эжекционные доводчики. Эта система имеет следующие преимущества: подача минимального расхода наружного воздуха в помещение, система среднего давления, меньше расход электроэнергии, отсутствие шума от сопел. Правда, шум создают вентиляторы, встроенные в фэнкойлы.
К концу 60-х годов ХХ в. в качестве альтернативы СКВ с вентиляторными доводчиками появилась воздушная система кондиционирования воздуха с переменным расходом воздуха. В 70-80-х годах системы с переменным расходом воздуха стали преобладающими в офисных зданиях, построенных в США в течение строительного бума 80-х годов, в Европе они получили меньшее распространение, а в СССР - практически не применялись. Общая площадь зданий, обслуживаемых системами кондиционирования воздуха в Германии в 1960-1998 ГГ., распределялась по типу систем таким образом:
- одноканальные воздушные системы - 10%;
- двухканальные воздушные системы - 18%;
- системы с переменным расходом воздуха - 19%;
- водовоздушные системы (четырехтрубные - 24%, двухтрубные - 22%);
- другие системы - 7%.
В связи с загрязнением атмосферы, необходимостью защиты от уличного шума в настоящее время значительно расширилась сфера применения комфортных систем кондиционирования воздуха (СКВ) в зданиях различного назначения. В СССР, из-за экономических соображений, нормы ограничивали круг помещений в зданиях, где предусматривалось устройство систем кондиционирования воздуха, в зависимости от климатического района строительства, на которые была разделена территория Советского Союза. В настоящее время заказчик или инвестор строительства сам определяет уровень требований поддержания расчетных внутренних условий в помещениях здания, которые при высоком уровне требований могут обеспечиваться только работой системы кондиционирования воздуха.
В России системы кондиционирования воздуха в офисных зданиях стали применять только в последние годы в связи со стремлением к повышению качества жизни, улучшению условий труда, защиты от загрязнения атмосферы, борьбы с уличным шумом. В настоящее время наибольшее распространение в офисных зданиях России получили системы с вентиляторными доводчиками (фэнкойлами).
В США кондиционирование воздуха в жилых зданиях начало быстро внедряться с 1964 г. - через 10 лет после стремительного развития кондиционирования воздуха для общественных зданий. До недавнего времени в европейских странах оконные и мобильные автономные кондиционеры для охлаждения отдельных комнат использовали сравнительно мало. Это объясняется более прохладным климатом, меньшей продолжительностью периода охлаждения, малыми объемами производства оборудования для СКВ, а также высокими эксплуатационными и капитальными затратами. Автономные оконные кондиционеры обладают двумя существенными недостатками: они создают повышенный уровень шума и ухудшают внешний вид здания при установке их в большом количестве. В США в многоэтажных многоквартирных жилых зданиях используют водовоздушные СКВ с вентиляторными доводчиками (фэнкойлами), с отопительно-охладительными панелями.
В настоящее время кондиционирование воздуха стало необходимым элементом инженерного оборудования жилых зданий. Специалисты все больше приходят к необходимости устройства механической регулируемой приточно-вытяжной вентиляции с регенерацией теплоты удаляемого воздуха в жилых зданиях. Опыт использования таких установок имеется в некоторых странах Европы, например, Германии, Швеции, Австрии.
В связи с остро стоящей энергетической проблемой в последние годы в Европе разрабатывают децентрализованные системы кондиционирования воздуха с регенерацией теплоты удаляемого воздуха и смешанные системы с использованием естественной вентиляции - «ночное проветривание», а также потенциала наружного воздуха для получения холодной воды - косвенное и комбинировaннoe испарительное охлаждение (здание «Городские ворота Дюссельдофа»).

Разработка теоретических основ кондиционирования воздуха

Разработка теоретических основ кондиционирования воздуха, создание прикладной науки кондиционирования воздуха появилось как объективная необходимость развития техники для разработки новых конструкций агрегатов, повышения их эффективности с учетом требований защиты окружающей среды и экономии энергии. Впервые термин «кондиционирование воздуха» был употреблен в 1815 г., когда француз Жанн Шабаннес получил британский патент на метод «кондиционирования воздуха и регулирования температуры в жилищах и других зданиях». Одним из создателей основ кондиционирования возду-ха можно назвать М. Ломоносова, с именем которого связана разработка теории теплоты и теории движения воздуха в каналах и трубах, а также Рихмана, заложившего основы теории психромет-рии, определяющей для кондиционирования воздуха. Основные принципы кондиционирования воздуха были впервые сформулированы профессором Берлинского королевского технологического института Германом Ритшелом, когда он в 1894 г. опубликовал «Руководство по расчету и проектированию установок вентиляции и отопления». В этой книге был раздел, посвященный охлаждению помещений. Впервые были определены основные положения: расчет нагрузки на систему охлаждения, первая и вторая рециркуляция воздуха, возможность охлаждения воздуха с осушением, необходимость применения байпаса при охлаждении воздуха, формулы для расчета расхода приточного воздуха, расчета воздухоохладителя, пример расчета охлаждения помещения. Принципы Ритшела получили развитие в выступлении американского инженера Г. Эйсерта «Охлаждение закрытых помещений» на собрании Американской ассоциации инженеров по отоплению и вентиляции в 1896 г. и в проектах одного из ведущих в то время инженеров Альфреда Вольфа, разработавшего проекты охлаждения помещений медицинского колледжа (1899 г.), фондовой биржи в Нью-Йорке (1901 г.), национального банка в Ганновере (1903 г.). Идея байпаса охладителя реализована Вудбриджем в здании Капитолия США (1895 г.) и впоследствии в Венском театре (1909 г.).
Прообразами систем кондиционирования воздуха можно считать приточные установки с увлажнением воздуха при помощи открытых наполненных водой сосудов, предложенные Флавицким и применявшиеся в зданиях больниц Петербурга. Он первым показал необходимость учета совместного действия на человека температуры, относительной влажности и подвижности воздуха в 1861 г.
Как упоминалось выше, Кэрриер исследовал и анализировал процессы тепло- и массообмена между воздухом и чистой водой, а также раствором хлористого кальция в камере орошения, а в 1911 г. опубликовал психрометрическую диаграмму влажного воздуха t-x (температура по сухому термометру - влагосодержание). В 1918 г. русский профессор Л. К. Рамзин разработал i - d диаграмму влажного воздуха (энтальпия - влагосодержание). В странах Европы обычно применяют I-x диаграмму влажного воздуха (энтальпия - влагосодержание) француза Молье, которая была им опубликована в 1921 г. Впервые на уровне международного сотрудничества признается приоритет России в лице профессора Л.М. Рамзина (1918 г.) в построении i - d диаграммы влажного воздуха в изданном ЦНИИпромзданий совместно с фирмой «Daikin» в 1980 г. «Англо-русско-японском терминологическом словаре по кондиционированию воздуха»
В последующие годы исследованиями в области влагообмена между воздухом и водой занимались Льюис, Меркель, Вольф, Акерман. В 1922 г. Льюис в работе «Испарение жидкости в газ», анализируя случай испарения жидкости при установившемся состоянии, без подвода теплоты извне, вывел, что отношение коэффициента теплообмена к коэффициенту влагообмена равно теп-лоемкости влажного воздуха. В 1925 г. Меркель, построивший на основании соотношения Льюиса стройную теорию процесса испарительного охлаждения воды, проверил соотношение Льюиса, эк-спериментируя с небольшим охладителем воды, заполненным металлическими кольцами Рашига. Дальнейшие исследования Гильперта, Шроппома, Линге в 20-30-х п. ХХ в. показали, что соотно-шение Льюиса при небольшой интенсивности теплообмена и невысоких температурах, имеющих место в аппаратах кондиционирования воздуха, можно считать справедливым. Заслугой Меркеля считают вывод основного уравнения теплообмена между воздухом и водой, названного уравнени-ем Меркеля. Линге, проводя многочисленные опыты при контакте воздуха с растворами солей в 1929 г., показал, что парциальное давление водяных паров в пограничном слое воздуха над раство-рами солей значительно ниже, чем давление над чистой водой при той же температуре. Он доказал, что парциальное давление над раствором соли зависит только от температуры замерзания раствора и практически одинаково для растворов различных солей, имеющих одинаковую температуру замерзания.
Значительный вклад в развитие теоретических основ проектирования, разработки нового оборудовании, совершенствования схемных решений внесли отечественные специалисты А. А. Гоголин, А. В. Нестеренко, Е. Е. Карпис, Е. В. Стефанов, В. И. Прохоров, П. В. Участкин, В. Н. Тетеревников, И. Г. Сенатов, А. Я. Креслинь, Л. М. Зусманович, И. Р. Щекин, А. Г. Сотников, А. А. Рымкевич, О. Я. Кокорин, Л. В. Петров, Б. И. Бялый и др. Научно-исследовательская и научно-организационная работа в СССР проводилась в крупных научно-исследовательских институтах: НИИсантехники, ГИПРОНИИполиграф, ЦНИИпромзданий, АКХ им. К. Д. Памфилова, НИИстройфизики.
В СССР в 30-е годы многочисленные эксперименты по исследованию тепло- и массообмена между воздухом и водой проводились под руководством А. А. Гоголина в ВНИХИ и непосредственно на производстве по испытанию воздухоохладителей - контактных аппаратов с насадкой из колец Рашига. Параллельно велись работы над испытанием и усовершенствованием конструкции поверхностных воздухоохладителей. В 1943 г. А. А. Гоголин был репрессирован и смог продолжить работу только после реабилитации в 1957 г.

{mospagebreak}

По материалам своих исследований в 1968 г. в НИИсантехники он защитил кандидатскую диссертацию на тему «Исследование процесса охлаждения и осушения воздуха в орошаемых регулярных насадках», впоследствии им была защищена и докторская диссертация. О. Я. Кокорин В июне 1955 г. защитил кандидатскую диссертацию «Исследование процессов тепло- и массообмена в форсуночных камерах». В 60-е гг. А. В. Нестеренко и его учениками изучались процессы тепло- и массообмена между поверхностью воды и воздухом в контактных аппаратах различного типа.Эти работы были продолжены в последующие годы Л. М. Зусмановичем, Л. В. Петровым и его учениками, изучавшими работу контактных аппаратов с использованием растворов абсорбентов при утилизации теплоты вторичных энергоресурсов. В эти годы большой объем экспериментальных исследований контактных аппаратов проводился в Ленинградском ВВИТКУ под руководством Е. В. Стефанова.
Теория расчета оребренных трубчатых теплообменников с использованием безразмерных комплексов была создана группой исследователей по результатам экспериментальных и аналитических работ, проводимых в научно-исследовательском институте Военно-морского флота США, в Стэндфордском университете, а впоследствии - в Комиссии по атомной энергетике США. С 1948 по 1954 гг. по результатам работ были опубликованы 22 доклада, изданы монография «Теплообменники газотурбинных установок», подготовленная В. Кейсом, А. Лондоном и Д. Джонсоном (1951 г.), и книга В. Кейса и А. Лондона «Компактные теплообменники» (1954 г.), русское издание которой вышло в 1962 г. Полученные данные оказались полезными при конструировании теплообменных устройств установок кондиционирования воздуха, авиационных охладителей, систем воздушного охлаждения мощных электронных приборов, ядерных установок, и не только рекуперативных, но и теплообменников другого типа. В 70-80-е гг. Б. И. Бялый и А. В. Степанов на основе обширных экспериментальных и теоретических исследований во ВНИИ «Кондиционер» создали две методики расчета камер орошения центральных кондиционеров КТЦ, основанные на решении дифференциальных уравнений, описывающих процессы тепло- и массообмена в контактных аппаратах с использованием безразмерных комплексов. В конце 70-х - начале 80-х гг. В. Н. Богословский и М. Я. Поз применили и развили эту теорию на основе теоретических и экспериментальных исследований к теплообменникам различного типа, используемых в системах регенерации и утилизации вторичной теплоты.
Важной частью системы кондиционирования воздуха является система автоматического ре-гулирования заданных параметров микроклимата в помещении. Разработке теории автоматичес-кого регулирования применительно к системам кондиционирования воздуха посвящены работы Г. В. Архипова, А. Я. Креслиня, Б. Н. Юрманова, А. Г. Сотникова, С. В. Нефелова, А. А. Рымкевича, М. Б. Халамайзера.
Подготовка специалистов по кондиционированию воздуха в нашей стране впервые началась на факультете «Теплогазоснабжение и вентиляция» Московского инженерно-строительного инс-титута (МИСИ). Дисциплина «Кондиционирование воздуха» формировалась в начале в контексте курса по вентиляции. Первые лекции читал доцент Н. В. Дегтярев - автор одной из первых отечес-твенных книг «Кондиционирование воздуха», изданной в 1939 г. Важным событием стало издание в 1940 г. в качестве учебного пособия для технических вузов перевода книги Д. Мойера и Р. Фиттца «Кондиционирование воздуха» под редакцией профессора Н. С. Комарова, инженера И. В. Гохберга с дополнениями профессора П. Н. Каменева, где были даны ответы на многие сложные вопросы по новой для того времени технике кондиционирования воздуха. В предисловии было отмечено
«Выпуск настоящего перевода не снимает с повестки дня вопроса об издании отечественного систематизированного учебника по кондиционированию воздуха». Великая Отечественная война нарушила планы. Только в 1950 г. в Промстройпроекте Б. В. Баркаловым были разработаны технические указания по проектированию и расчету системы кондиционирования воздуха (СКВ). Впоследствии вышла книга Б. В. Баркалова и Е. Е. Карписа «Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях», выдержавшая два издания (1971 и 1982 г.). В этой книге обобщался опыт проектирования систем кондиционирования воздуха. Первое учебное пособие «Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха» было подготовлено В. Нестеренко и издано в 1962 г., впоследствии вышло еще второе (1965 г.) и третье (1971 г.) издание.
Самостоятельный курс «Кондиционирование воздуха» для студентов дневного и вечернего отделения МИСИ вели профессоры А. В. Нестеренко, О. Я. Кокорин, Ю. Я. Кувшинов, доценты Л. В. Петров, В. А. Гоголин. В 1975 г. была разработана программа курса «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение», а в 1985 г. вышел первый учебник В. Н. Богословского, О. Я. Кокорина, Л. В. Петрова «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение». О. Я. Кокорин читал студентам спецкурс по энергосберегающей технологии функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха (ВОК), что описано в его монографии «Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха» (1999 г.). В настоящее время он продолжает работать над созданием нового оборудования и энергосберегающих систем ВОК, что получило изложение в монографии «Современные системы кондиционирования воздуха» (2003 г.).

Страница 10 из 70