Зависимость нагрузки на кондиционер от влагообменных процессов на внутренней поверхности ограждений
В преддверии нынешнего года состоялся официальный и деловой визит губернатора Санкт-Петербурга В. И. Матвиенко в Социалистическую Республику Вьетнам (СРВ). В состав делегации, кроме представителей городского правительства, входили бизнесмены, руководители крупнейших предприятий Санкт-Петербурга. Были проведены переговоры о сотрудничестве с СРВ в самых разных сферах, включающих строительство и создание совместных предприятий. В столице Вьетнама наша делегация посетила ТЭС «Уонг Би», строящуюся при участии петербургского концерна «Силовые машины». Таким образом, наметилась целая программа дальнейшего сотрудничества российских и вьетнамских предприятий и компаний. Она включает проектирование, строительство и эксплуатацию объектов. Их функционирование невозможно без нормальной работы климатической техники с учетом природно-климатических особенностей Вьетнама. Надеемся, данная статья будет представлять интерес для специалистов, занимающихся этим видом оборудования.
На нашей планете существуют регионы, относящиеся к жарким влажным тропикам, находящимся под влиянием муссонов. В этом отношении показателен Вьетнам, где сохраняется высокая влажность воздуха в течение года, почти одинаковая для разных местностей страны.
Одновременно общей характеристикой летнего периода является высокая температура воздуха. Более трех месяцев наблюдается температура наружного воздуха от 26 0С до 38 0С при относительной влажности 70–100 %. В России тоже есть прибрежные районы с жаркими влажными летними условиями, например в Ставропольском и Краснодарском краях. Даже в Москве в последние годы летом неделями, а в Санкт-Петербурге несколько раз по несколько дней держалась жаркая погода с температурой наружного воздуха около +28 0С и относительной влажностью выше 65 %. Подобные Вьетнаму природно-климатические условия наблюдаются в некоторых районах черноморского побережья Грузии и Турции.
Высокая температура и высокая влажность наружного воздуха, сопровождаемые потоками солнечной радиации через окна, при выделениях теплоты и влаги от внутренних источников приводят к заметному повышению температуры и влажности воздуха помещения. Улучшение внутренних условий возлагают на системы кондиционирования воздуха (СКВ).
Режим работы кондиционируемых помещений и зданий весьма разнообразен, зачастую в помещениях заданные параметры внутреннего воздуха поддерживаются только в дневное или ночное время. Системы кондиционирования воздуха в этих зданиях работают периодически, допуская увеличение температуры и влажности в нерабочее время. Поэтому тепловая нагрузка на систему кондиционирования воздуха формируется в нестационарном режиме.
В периодически кондиционируемых зданиях после выключения кондиционера в помещение проникает горячий влажный наружный воздух через неплотности в ограждениях. Это повышает влажность воздуха помещения. Если внутренние поверхности покрыты плотной цементной штукатуркой или масляной краской, то на них после выключения кондиционера может наблюдаться выпадение конденсата. Во Вьетнаме традиционно стены покрываются пористой цементно-известковой штукатуркой и не окрашиваются масляной краской. Это делается для того, чтобы стены «дышали», то есть могли бы впитывать влагу из внутреннего воздуха.
После включения кондиционер снижает влажность воздуха помещения, и влага выделяется из ограждений. Теплота на десорбцию отбирается от ограждений, но при этом в воздух помещения поступает влага, которая повышает нагрузку на кондиционер за счет скрытой теплоты.
Из опыта проектирования и эксплуатации СКВ во Вьетнаме известно, что тепловая мощность этих систем, рассчитываемая по традиционным методикам без учета прерывистости режима работы кондиционера и влагообменных процессов на поверхностях ограждений, недостаточна.
Метод расчета
Для определения тепловой нагрузки на системы кондиционирования воздуха в теплый период года разработан и реализован в программе расчета на ЭВМ конечно-разностный метод, учитывающий нестационарность во времени тепловых воздействий на помещение и прерывистость работы самой системы. Метод основан на совместном решении нестационарных тепловых и влажностных балансов воздуха и внутренних поверхностей ограждений. Он учитывает процессы сорбции влаги внутренними поверхностями ограждений, происходящие после выключения кондиционера, и десорбции — после его включения в местностях с жарким влажным климатом.
Известно, что влагопередача в толще материалов конструкции протекает медленно. Суточные колебания параметров влажности наружной среды через ограждение практически не передаются, и их можно не учитывать. Колебания с суточным периодом влажности воздуха у поверхности ограждения изменяют влажность материального слоя, прилегающего к поверхности малой толщины (3–4 мм).Кроме того, в литературе обосновано, что в практических расчетах влажностного режима ограждений явление термовлагопроводности можно не учитывать.
Поэтому, во-первых, при расчете влагообменных процессов на внутренней поверхности ограждений авторы ориентировались на методы, позволяющие оценить изменение влажности в тонком увлажняемом слое, прилегающем к поверхности ограждения, и, во-вторых, в рассматриваемой задаче не учитывалось влияние изменений влажности на коэффициент теплопроводности строительных материалов.
В качестве потенциала влагопереноса принято влагосодержание воздуха d. Этот выбор позволяет существенно упростить математическую модель баланса влаги в помещении. Считалось, что во влагообменных процессах участвует тонкий слой материалов (3–4 мм) ограждений, прилегающий к их внутренней поверхности. В расчетах использовались известные графические зависимости между влажностью материала Wj и относительной влажностью воздуха (относительной упругостью водяного пара) — изотермы сорбции (при увлажнении материалов) и десорбции (при высыхании материалов). Табличные значения изотермы сорбции для сложной штукатурки и дерева были аппроксимированы полиномом с точностью 0,0005–0,0007. Эта замена при возможных сочетаниях относительной влажности и температуры внутреннего воздуха и в порах материала увлажняемого слоя ограждения приводит к ошибке по относительной влажности не более 0,8 %.
В уравнении влажностного баланса внутреннего воздуха помещения учитывалось, что под влиянием поглощения влаги внутренним воздухом, влагообмена воздуха с поверхностями ограждений, влаговыделений от внутренних источников, инфильтрации наружного воздуха, работы систем вентиляции и кондиционирования, воздух помещения в каждый момент находится во влажностном равновесии.
Уравнения влажностного режима помещения, включающие в себя балансы влаги на поверхностях ограждений и внутреннего воздуха, записаны в конечно-разностном виде. Эти уравнения дополняют систему уравнений теплового режима помещения. Все вместе они составляют систему уравнений тепло-влажностного баланса помещения. Число неизвестных в принятой системе уравнений равно числу определяемых температур и влагосодержаний воздуха в порах материала у внутренних поверхностей ограждений, а также температуры и влагосодержания внутреннего воздуха. Для решения этой системы алгебраических уравнений применен итерационный метод Зейделя.
Исходные данные
Для расчета нестационарной тепловой нагрузки на СКВ наиболее важными параметрами являются температура и энтальпия наружного воздуха, интенсивность солнечной радиации самого жаркого месяца — июля.
При возможном разнообразии технического исполнения системы поддержания микроклимата в помещениях суммарная тепловая нагрузка на СКВ складывается из расхода теплоты на охлаждение вентиляционного приточного воздуха и на снятие внутренних теплоизбытков. При равенстве в помещениях вентиляционной нормы воздуха и тепловлажностных условий в рабочее время эта нагрузка одинакова, независимо от применяемой схемы кондиционирования (без учета потерь). Поэтому в работе рассматриваются варианты поддержания оптимальных условий в помещении с помощью фанкойла или сплит-системы, так как это позволяет работать с одним помещением, а не со зданием в целом.
Для численного моделирования было выбрано помещение объемом 78,5 куб. м на втором этаже четырехэтажного здания в г. Ханое. Двойное окно в деревянных переплетах имеет площадь 2,88 кв. м. Помещение рассмотрено в двух вариантах — рядовое и угловое (окно в одной наружной стене). Рассмотрены варианты различной ориентации окна. Наружные и внутренние стены с внутренней стороны, а также потолок оштукатурены сложным цементно-известковым раствором. Пол деревянный.
В помещении в рабочее время поддерживается температура внутреннего воздуха tв=25,5 0С и относительная влажность не выше цв=75 %. Было выделено 5 режимов эксплуатации помещения: первая смена — с 8 час. до 16 час., вторая смена — с 14 час. до 22 час., третья смена — с 22 час. до 6 час., две смены — с 6 час. до 22 час., круг-лосуточный режим. Кондиционер включается за 30 мин. до начала смены. В помещении в течение смены имеются внутренние тепловыделения, равные 875 Вт, и влаговыделения 120 г/час.
Вентиляционная норма необработанного наружного воздуха поступает с помощью механической системы вентиляции в рабочее время. В это время в помещении поддерживается подпор, исключающий инфильтрацию. В нерабочее время в помещение поступает инфильтрационный наружный воздух с расходом однократного воздухообмена. Регулирование tв и цв организовано так, что сначала с помощью ступенчатого изменения скорости (многоскоростного) рециркуляционного вентилятора на аппарате кондиционирования в помещение подается приточный воздух (в диапазоне расхода 410–960 куб. м/ч) с параметрами, соответствующими 95 % влажности охлажденного внутреннего воздуха. Затем, если температура или влажность внутреннего воздуха превышали оптимальные нормы, температура притока снижалась дальше (но не ниже 18 0С). На фанкойлах этого можно добиться, увеличив расход холодной воды через аппарат с помощью трехходового клапана, на сплит-системах —с помощью регулируемого привода на компрессоре.
Результаты расчета
Сначала выполнена оценка количества влаги, которая могла бы выпасть на поверхностях ограждений, если бы она не впитывалась в материалы ограждений помещения.
Определено изменение количества конденсата, выпадающего в единицу времени на окрашенных ограждениях, то есть в условиях, когда впитывание влаги в ограждение невозможно. Поток сконденсированной влаги определялся, если в какой-то момент времени температура внутренней поверхности какого-либо ограждения оказывалась ниже температуры точки росы для воздуха помещения. Расчет выполняется в итерационном процессе путем оценки количества конденсирующейся влаги, необходимого для повышения температуры поверхности ограждения до температуры точки росы.
Так как основной целью работы является оценка влияния различных факторов на тепловую нагрузку на СКВ, были выполнены сравнительные расчеты. Расход холода в системе в прерывистом режиме работы для одинаковых вариантов был сравнен с расходом холода в системе с круглосуточным режимом работы.
Расчеты показали, что при учете впитывания влаги внутрь ограждений средняя за смену нагрузка на СКВ по полному теплу (для г. Ханоя) за счет прерывистости работы кондиционера и аккумуляции теплоты в ограждениях до его включения в зависимости от ориентации по сторонам горизонта увеличивается:
- при работе в I смену — в 1,37–1,48 раза;
- при работе во II смену — в 1,36–1,44 раза;
- при работе в III смену — в 1,4–1,47 раза;
- при работе в две смены — в 1,08–1,12 раза.
Процессы влагообмена на внутренних поверхностях ограждений приводят к повышению температуры самих поверхностей и, как следствие, температуры внутреннего воздуха. Это объясняется сорбцией влаги в нерабочее время и выделением теплоты при этом. Обычно влагообменные процессы на поверхностях ограждений никак не учитываются, что приводит к занижению нагрузки на кондиционер.
Учет впитывания влаги в ограждение выявил отсутствие конденсации на поверхностях в расчетные летние сутки для всех рассматриваемых режимов работы помещения при однократной инфильтрации в нерабочее время. То есть показано, что для жаркой и влажной погоды необходимо учитывать влагообменные процессы на поверхностях ограждений. После выключения кондиционера происходит сорбция влаги внутрь ограждения, повышающая температуру этой поверхности. После включения кондиционера при десорбции влаги из ограждения происходит снижение температуры поверхностей, уменьшающее явную составляющую тепловой нагрузки на СКВ. Однако выделившаяся влага повышает скрытую теплоту воздуха помещения и увеличивает нагрузку на СКВ. При сравнении (для того же помещения) изменений температур поверхностей, рассчитанных с учетом процессов влагообмена и без учета, выясняется следующее. После выключения кондиционера в варианте без учета сорбции влаги наблюдается конденсация, повлекшая за собой скачок повышения температуры внутренних поверхностей ограждений, а в варианте с учетом сорбции влаги эта температура плавно повышается.
При круглосуточнной работе кондиционера явление сорбции и десорбции проявляется незначительно по сравнению с расчетом без учета влажностных процессов на внутренних поверхностях ограждений. В зависимости от ориентации окна средние нагрузки на СКВ по полной теплоте увеличиваются в 1,01–1,02 раза.
Учет влажности на внутренних поверхностях ограждений при некруглосуточной работе приводит к возрастанию средней за смену тепловой нагрузки на кондиционер:
- при работе в I смену — в 1,1–1,2 раза;
- при работе во II смену — в 1,1–1,2 раза;
- при работе в III смену — в 1,1–1,2 раза;
- при работе в две смены — в 1,05–1,1 раза.
Как видно, влияние на среднюю тепловую нагрузку влагообменных процессов мало зависит от ориентации помещения и части суток, в которые работает помещение. При большей продолжительности работы кондиционера степень влияния уменьшается.
В начальный момент после включения кондиционера при его периодической работе влагообменные процессы на внутренних поверхностях ограждений значительно увеличивают нагрузку на СКВ. Нагрузка увеличивается за счет скрытой теплоты, необходимой на испарение влаги, выделяющейся (десорбирующей) из поверхности ограждения при резком понижении влагосодержания внутреннего воздуха. Увеличение нагрузки на СКВ по полной теплоте (с учетом снижения ее явной доли) достигает 30–35 % в начальный момент после включения кондиционера.
Все вышеизложенное позволяет сделать основной вывод: при жаркой влажной погоде сорбционные процессы на внутренних поверхностях периодически кондиционируемых помещений, сопровождающиеся выделением теплоты, приводят к повышению температуры самих поверхностей и, как следствие, температуры внутреннего воздуха. При круглосуточной работе кондиционера явления сорбции и десорбции проявляются незначительно по сравнению с расчетом без учета влагообменных процессов на внутренних поверхностях ограждений. Увеличение нагрузки на СКВ происходит и за счет периодичности работы кондиционера, и за счет процессов сорбции и десорбции на поверхности ограждений.
Данный вывод может быть полезен для проектирования кондиционирования воздуха в жарких и влажных районах не только Вьетнама, но и России, а также при проектировании зарубежных объектов в странах с таким климатом.
| Автор: Ку Суан Донг, Е. Г. Малявина Дата: 19.04.2006 Журнал Стройпрофиль 2-1-06 Рубрика: вентиляция и кондиционирование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |