Вывод уравнения воздухообмена на ассимиляцию явных теплоизбытков

ТЕМА 6 Расчет воздухообменов при кондиционировании — УКЦ

Теплый период ТП (см.рис.1)

При кондиционировании изначально определяются параметры внутреннего воздуха для ТП.

Границы оптимальных условий для кондиционирования наносят на i-d диаграмму.

Кондиционирование ТП требует охлаждение приточного воздуха.

В зоне оптимальных условий наносят (.)В (параметры внутреннего воздуха)

Составляется тепловой баланс помещения для ТП

по явному теплу ΣQ ТП _я

по полному теплу ΣQ ТП _п

Делается расчет по влаговыделениям. — ΣW

Определяем тепловую напряженность помещения

где, V — объем помещения

Исходя из величины теплового напряжения находим градиент повышения температуры по высоте

Градиент температуры воздуха по высоте помещений общественных и гражданских зданий

и рассчитываем температуру удаляемого воздуха

H — высота помещения, в м;

h_р.з. -высота рабочей зоны, в м

Температуру приточного воздуха t_п задаем на 4-5°С ниже температуры внутреннего воздуха

Определяем величину тепловлажностного отношения

и на i-d диаграмме проводим луч процесса через точку 0,0°С

(для нашего примера примем ε=ΣQ ТП _п/W=3800)

а затем через(.)В параллельную линию лучу процесса до пересечения с изотермами t_у и t_п получаем (.)У и (.)П.

И воздухообмен по влаге

Внимание!

Остается самое главное, а именно как из(.)Н-параметры наружного воздуха t “Б” _нар. = 28,5°C, i “Б” _нар. = 54 кДж/кг попасть в (.)П-параметры приточного воздуха t_п=17°С; i_п=40кДж/кг.

Рис. 1

Возможно несколько решений этой задачи,а именно:

Классический вариант(рис.1)

Используем оросительную камеру и калорифер второго подогрева.

Из (.)П проводим прямую линию по d=const до φ=90%(это стабильный вариант для оросительной камеры).

Полученная (.)0-характеризует охлажденный воздух.

Далее (.)0 соединяем с (.)Н-это политропический процесс в оросительной камере.

Процесс ОП-нагрев в калорифере 2-го подогрева (т.к. мы рассматриваем ТП,то теплоносителем является вода из системы горячего водоснабжения).

Подобная обработка воздуха в блоках центрального кондиционирования не является идеальной:

• сначала воздух охлаждается по политропическому процессу;
• затем воздух нагревается.

Рис. 2

И все эти процессы в теплый период года ТП.

Мало того, теплоноситель из системы ГВС нестабилен, следовательно, 2 подогрев необходимо осуществлять в электрокалорифере, что повлечет значительное увеличение энергозатрат.

Второй вариант

При использовании воздухоохладителя возможны два случая.

случай а)
если влагосодержание наружного воздуха ниже влагосодержания приточного воздуха

т.е. тепловлажностное отношение — луч процесса — имеет большую величину (значительное выделение тепла и небольшие влагопоступления)

В нашем случае бралось

Тогда охлаждать наружный приточный воздух необходимо до температуры притока t_п (.)О₁ и далее увлажнять воздух паром до (.)П по изотерме t=const

Рис. 3

случай б) если влагосодержание наружного воздуха выше содержания приточного воздуха

т.е. тепловлажностное отношение – луч процесса имеет незначительную величину (незначительное выделение тепла и большие влагопоступления)

Для нашего случая бралось

Необходимо «глубоко» охлаждать наружный воздух.

Третий вариант

Возможность байпасировать, а затем смешивать наружный и охлажденный воздух дает дополнительные возможности. В данном случае этот вариант не рассматривается.

Холодный период ХП (см.рис.4)

При кондиционировании изначально определяются параметры внутреннего воздуха для ХП.

Границы оптимальных условий для кондиционирования наносят на i-d диаграмму.

• при выборе внутренних параметров относительную влажность следует выбирать по минимальному значению (φ_в=30%) т.к. это снизит затраты на увлажнение воздуха.
• при наличии теплоизбытков внутреннюю температуру следует выбирать максимальной.

Построение процесса начинают с нанесения точек:

(.)Н t_нар. = -28°С, i_нар. =-27.8кДж/кг

(.)В t_в =22°С, φ _в=30%

(.)В1 t_в1 =22°С, φ _в1=50%

Составляется тепловой баланс помещения для ХП

по явному теплу ΣQ ХП _я

по полному теплу ΣQ ХП _п

Делается расчет по влаговыделениям — ΣW

Определяем тепловую напряженность помещения

где, V — объем помещения, м 3

Исходя из величины теплового напряжения, находим градиент повышения температуры по высоте

Градиент температуры воздуха по высоте помещений общественных и гражданских зданий

и рассчитываем температуру удаляемого воздуха

H -высота помещения, в м;

h_рз -высота рабочей зоны ,в м

Температуру приточного воздуха tп задаем на 4-5 о С ниже температуры внутреннего воздуха

Определяем величину тепловлажностного отношения

и на i-d диаграмме проводим луч процесса через точку 0,0°С (для нашего примера примем ε=Σ Q хп _п =6600 )

а затем через(.)В через (В1) параллельную линию лучу процесса до пересечения с изотермами t_у и t_п и получаем

Возможностей достигнуть (.)П несколько:

1. Первый способ – классический (см. рис.4)

   Рис. 4

   • нагрев наружного воздуха в калорифере 1-го подогрева;
   • увлажнение по адиабатному циклу;
   • нагрев в калорифере 2-го подогрева.

Из (.)П по d=const проводим линию до φ=90%(эту относительную влажность стабильно обеспечивает оросительная камера) -это (.)0.

Однако температура (.)0 близка к нулю,следовательно ,относительную влажность воздуха (.)В следует увеличить (.)В1.

Далее из (.)П1 по d=const проводим линию до φ =90% -получаем (.)01.

Из (.)01 по i=сonst (адиабатный цикл) проводим до пересечения d=сonst из (.)Н и получаем (.)К

Линия НК
— нагрев в калорифере 1-го подогрева

Линия КО1
— адиабатическое увлажнение в оросительной камере

Линия Q1П1
— нагрев в калорифере 2-го подогрева

Линия П1В1
— ассимиляция теплоизбытков

ЛинияВ1У1
— нагрев воздуха за счет нарастания gradt температуры по высоте помещения

Количество приточного воздуха

Требуемое количество тепла калорифера 1-го подогрева

Требуемое количество влаги

Требуемое количество тепла калорифера 2-го подогрева

Величину С принимаем:

C=1.005 кДж/кг x °C — удельная теплоемкость воздуха

Чтобы получить тепловую мощность калориферов1-го и 2-го подогрева в кВт необходимо величины Q₁ и Q₂ разделить на 3600 кДж/чхкВт

Рис. 5

Второй способ позволяет избежать нагрева в калорифере 2-го подогрева (см. рис.5)

Все исходные данные остаются аналогичными как и для 1-го способа (классического).

Далее проводим линию i=сonst через (.)П до φ =90% и до линии d=const (точка К1).

Смешиваем при помощи байпаса воздух с параметрами О₂ и K₁ ,в такой пропорции,чтобы точка С накладывалась на точку притока П.

Эта операция выполняется либо по датчику температуры,либо по датчику относительной влажности после камеры смешения.

Количество воздуха,проходящего через оросительную камеру можно определить по отношению отрезков

Расход воды:
— нагрев в калорифере при d=const;

Линия К
₁О₂ — адиабатическое увлажнение в оросительной камере при i=const приточного воздуха в количестве G₀ ;

В камере смешения происходит смешивание воздуха в количестве:

G
₀ — количество воздуха, проходящее через оросительную камеру;

G
_П-G_О — количество воздуха, проходящего через байпас.

Третий способ самый простой – увлажнение приточного воздуха в пароувлажнителе (см. рис.6)

Рис. 6

Линия НК
— нагрев в калорифере при d=const;

Линия КП
— увлажнение паром при t=const;

Линия ПВ
— ассимиляция теплоизбытков при ε =6600;

Линия ВУ — нагрев воздуха за счет нарастания grad t по высоте помещения при ε =6600.

Количество приточного воздуха

Количество тепла на нагрев приточного воздуха

C
= 1,005 кДж/кгх°С – удельная теплоемкость воздуха.

Для получения тепловой мощности калорифера в кВт, необходимо величину Q кДж/ч разделить на 3600 кДж/ч х кВт.

Такое увлажнение применяется, как правило, для отраслей: медицинская, радиоэлектронная т.п.

Четвертый способ. ( см. рис. 7 )

Рис. 7

Применение сотовых увлажнителей дает возможность наиболее оптимального с точки зрения энергозатрат решить вопрос увлажнения воздуха. Задавшись фронтальной скоростью V_ф=2,3м/сек приточного воздуха в сотовом увлажнителе можно достичь относительной влажности:

• глубина сотовой насадки 100мм — φ=45%;
• глубина сотовой насадки 200мм — φ =70%;
• глубина сотовой насадки 300мм — φ=90%.

Далее, как и в предыдущем случае, применяя байпасирование воздуха, мы имеем возможность попасть точкой С – точкой смеси в точку П – точку притока.

Этот вариант, с точки зрения энергозатрат, самый экономичный.

Однако, вероятность совпадения количества подачи приточного воздуха, рассчитанная для ХП и ТП очень мала.

Нахождение общего решения

Возможны три варианта решения этой проблемы.

Рис. 8

Первый вариант (см. рис.8)

Принять G_хп=G_тп=G_п и выполнить перерасчет параметров (•) П.

Для этого определяют приращение тепла и влагосодержания в приточном воздухе

на пересечении с лучом процесса ε_хп получаем точку П.

Этот вариант самый простой, но и самый затратный.

Второй вариант (применяя рециркуляцию)

Рис. 9

А)Оптимальное применение рециркуляции (см. рис. 9)

Смешение уходящего воздуха и наружного воздуха в рециркуляционной камере (камера смешения) в ХП в климатический условиях России возможно лишь в случае, когда температура точки смеси является положительной в пределах +5 ÷ +7 С. В этом случае количество наружного воздуха составляет 25-30% (эта величина не должна быть меньше минимальной санитарной нормы подачи наружного воздуха на одного человека от общего количества приточного воздуха. (см. рис. 9). Если требуется подать большее количество наружного воздуха (более 25-30%) при том же общем количестве приточного воздуха, то наружный воздух необходимо подогреть до положительных температурных параметров.

Б) Применение рециркуляции с камерой орошения. (см. рис.10)

Количество приточного воздуха берем по ТП

Рис. 10

Количество наружного воздуха принимаем по нормативному воздухообмену

Количество рециркуляционного воздуха определяем по формуле

Линию влагосодержания определяем

Построение процесса (см. рис.10)

• определяем зону оптимальных параметров внутреннего воздуха для ХП;
• принимаем в зоне оптимальных параметров точку В – параметры внутреннего воздуха;
• составляем тепловой баланс помещения по ХП

по явному теплу ΣQ хп _я

по полному теплу ΣQ хп _п
делается расчет влаговыделений в помещении по ХП

ΣW
определяется тепловая напряженность помещения

смешиваем подогретый наружный воздух G_н ( с параметрами в (•) К) и уходящий – рециркуляционный воздух (с параметрами в (•)У), получаем (•)С

линия УК
— общее количество приточного воздуха G_п тп , кг/ч;

линия СК
— количество рециркуляционного воздуха G_p , кг/ч;

линия УС
— количество наружного воздуха G_норм, кг/ч.

в точку притока (•)П попадаем, смешав воздух с параметрами (•)С и параметрами (•)О

линия ПС
— количество воздуха, которое прошло через оросительную камеру;

линия ОП
— количество байпасированного воздуха (минуя оросительную камеру);

линия ОС
— общее количество приточного воздуха G_п тп , кг/ч;

линия ПВ
— ассимиляция теплоизбытков;

линия УВ
— нагрев воздуха за счет нарастания grad t температуры по высоте помещения.

Этот вариант с рециркуляцией воздуха значительно сокращает расход тепла(греть воздух надо не весь, а только воздух по нормативному воздухообмену G_норм):

и уменьшает расход влаги в оросительной камере

В) Применение рециркуляции и пароувлажнения. (см. рис.11)

Этот вариант аналогичен варианту Б

Количество приточного воздуха берем по ТП

Количество наружного воздуха принимаем по нормативному воздухообмену

G
_норм, кг/ч

Количество рециркуляционного воздуха определяем по формуле

Рис. 11

Построение процесса (см. рис.11)

• определяем зону оптимальных параметров внутреннего воздуха для ХП;
• принимаем в зоне оптимальных параметров точку В – параметры внутреннего воздуха;
• составляем тепловой баланс помещения по ХП

по явному теплу ΣQ хп _я

по полному теплу ΣQ хп _п
делается расчет влаговыделений в помещении по ХП

ΣW
определяется тепловая напряженность помещения

Линия НК
₁ — нагрев воздуха в калорифере;

Линия К
₁У — процесс смешения наружного воздуха Gн, кг/ч с уходящим/рециркуляционным воздухом G_р , кг/ч. В результате смешения получим

Причем: линия WУ — количество наружного воздуха G_норм , кг/ч.

линия К
₁W — количество рециркуляционного воздуха G_p , кг/ч;

линия К1У
— количество приточного воздуха G_п хп , кг/ч;

При применении пароувлажнителя снижается температура предварительно подогретого наружного воздуха G_норм , кг/ч в калорифере (и как следствие уменьшается количество тепла) по сравнению с вариантом Б.

Большое отличие Gхп от Gтп (на 50% и более). В этом случае необходимо заложить две пары вентиляционных систем:

• одна пара приток-вытяжка-рециркуляция на ХП:
• вторая пара приток (без калорифера)-вытяжка-рециркуляция на ТП.

При этом капитальные вложения возрастут, но снизятся эксплуатационные издержки.

Этот вариант встречается крайне редко и здесь не рассматривается.

Расчет воздухообмена

Как выполняют расчет воздухообмена? В общем случае воздухообмен определяют по виду загрязнителей воздуха, встречающихся в данном помещении.

Воздухообмен – количество воздуха, необходимого для полной или частичной замены загрязненного воздуха в помещении. Воздухообмен измеряют в метрах кубических за час.

Основными расчетами воздухообмена являются расчет за санитарными нормами, расчет за нормированной кратностью, расчет за компенсацией местных вытяжек. Также существует воздухообмен на ассимиляцию явной и полной теплоты, на удаление влаги, на разбавление вредоносных веществ в воздухе. Для каждого из этих критериев существует своя методика расчета воздухообмена.

Перед началом расчета воздухообмена нужно знать такие данные:

• количество вредных выбросов в помещение(теплоты, влаги, газов, паров) за один час;
• количество вредных веществ на один кубометр воздуха в помещении.

Расчет по кратности

Воздухообмен за кратностью определяется по формуле:

где k – нормированная кратность воздухообмена;

V- объем помещения, м 3 .

Показатель k для разных помещений и подробности расчета по кратности представлены в статье Кратность воздухообмена и Таблицы кратности воздухообмена по СПиПам.

Воздухообмен по теплоизбыткам

Воздухообмен по тепловыделениям определяется в том случае, если в помещении присутствует большое количество теплоты, которую нужно удалить.

Расчет воздухообмена по теплоизбыткам ведут по формуле:

где Q_изл – количество теплоты, которая выделяется в помещение, Вт;

ρ — плотность воздуха в помещении, кг/м 3 ;

с – массовая теплоемкость воздуха;

t_уд – температура воздуха, который удаляется вентиляцией, ºС;

tпр – температура воздуха,что подается, ºС.

Расчет воздухообмена по влаговыделениям

Нужный воздухообмен по избыткам влаги в помещении можно рассчитать за формулой:

где W – выделение влажности в помещении, ;

ρ — плотность воздуха в здании, кг/м 3 ;

d_уд – содержание влаги в воздухе, что удаляется системой вентиляции;

d_пр – содержание влаги в воздухе, который подается.

Воздухообмен по газовыделениям

Воздухообмен по газовым выделениям в помещение рассчитывают за формулой:

где К – весовое количество газов, что выделяются в помещение;

К_гдк – предельно допустимая концентрация газов;

К_пр – концентрация газов в подающемся воздухе.

Воздухообмен по санитарным нормам

Расчет воздухообмена в помещении по санитарным нормам (по количеству людей) определяется с условия обеспечения человека необходимым количеством свежего воздуха. Для общественных зданий санитарные нормы предусматривают подачу 20 м 3 /час•чел при временном пребывании человека в помещении, 40 м 3 /час•чел при длительном пребывании и 80м 3 /час•чел для спорт зала.

Формула расчета воздухообмена:

где n — количество людей, чел;

l — санитарная норма подачи воздуха, м 3 /час•чел.

Расчетный воздухообмен

За расчетное значение воздухообмена принимают максимальное значение из расчетов по теплопоступлениям, влагопоступлениям, поступлением вредных паров и газов, по санитарным нормам, компенсации местных вытяжек и нормативной кратности воздухообмена.

Воздухообмен жилых и общественных помещений обычно рассчитывают по кратности воздухообмена или по санитарным нормам.

После расчета требуемого воздухообмена составляется воздушный баланс помещений, подбирается количество воздухораспределителей и делается аэродинамический расчет системы. Поэтому советуем вам не пренебрегать расчетом воздухообмена, если хотите создать комфортные условия вашего пребывания в помещении.

Пример расчета воздухообмена по избыткам явной и полной

Теплоты и влаги

Исходные данные. Административное здание в г. Волгограде, рассмотренное в разд.4.

Вентиляция. Расчетное помещение – зал совещаний на 46 мест, высота зала в «чистоте» 3м, объем зала V =205м 3 . Параметры микроклимата приведены в разд. 4.2. Схема организации воздухообмена – приток воздуха осуществляется в верхнюю зону помещения, удаление воздуха также из верхней зоны. Результаты расчета теплопотерь, полученные в разд. 3 (табл. 4) и тепловлаговыделений, полученных в разд. 4, сведены в виде теплового баланса в табл. 11.

ТП –t_в= 30,6 о С

Определяем температуру приточного воздуха:

t_п = + (0,5…1,0) = 27,6 + 1,0 =28 6 о С

Вычисляем удельную теплонапряженность помещения зала совещаний :

q_уд= /V = 3180/205 = 17,1 Вт/м 3

По табл. 9 принимаем величину grad t и определяем температуру воздуха, удаляемого из верхней зоны помещения, принимая высоту рабочей зоны h_р.з = 1,5 м, т.к. люди в помещении сидят

Тепловой баланс для зала заседаний на 46 человек.

Источники теплопоступлений, влагопоступлений, теплопотери	Периоды года
Холодный	Переходный	Теплый
, Вт	, Вт	, г/ч	, Вт	, Вт	, г/ч	, Вт	Вт	, г/ч
Теплопоступления Люди
Освещение	—	—	—	—	—
Солнечная радиация	—	—	—	—	—	—	—
ИТОГО
Теплопотери через ограждающие конструкции
—	—	—	—	—
на инфильтрацию	—	—	—	—	—
ИТОГО	—	—	—	—	—
БАЛАНС тепла без учета отопления	-854
Теплоотдача системы отопления	—	—	—	—	—	—
БАЛАНС тепла с учётом отопления

Определяем воздухообмен по избыткам явной теплоты:

м 3 /ч

Для уточнения воздухообменов по избыткам полной теплоты и влаги необходимо построить процессы изменения состояния воздуха в помещении на I-d диаграмме (рис. 3)

Построение начинают с нанесения на I-d диаграмму точки наружного воздуха Н( =27,6 о С; 55,2 кДж/кг), затем из этой точки проводят вертикальный луч до пересечения с изотермой t_п = 28,6 о С и получают точку П(приточного воздуха). Далее вычисляют значение углового коэффициента луча процесса:

кДж/кг.

Для построения луча процесса используется угловой масштаб, нанесенный на рамке I-d диаграммы. Начинают построение с проведения луча, соединяющего начало координат со значением углового коэффициента на угловом масштабе, а далее перемещают этот луч параллельным переносом (с помощью двух треугольников) в заданную точку – в нашем случае это точка П.

Далее на пересечении луча процесса с изотермой t_в = 30,6 о С наносят точку В, а на пересечении с изотермой t_у = 31,4 о С наносят точку У.После этого с помощью I-d диаграммы ( рис.3) определяют значения энтальпии (I, кДж/кг), влагосодержания (d, г/кг) и относительной влажности (φ, %) для всех расчетных точек и полученные значения заносят в табл. 12.

Воздухообмен по избыткам полной теплоты:

м 3 /ч.

Воздухообмен по влаговыделениям

м 3 /ч.

Отклонение воздухообменов, вычисленных по полной теплоте и влаге, от определенного по явной теплоте, не превышает 10%, что находится в допустимых пределах.

Полученные значения воздухообменов также заносятся в табл. 12.

ПП —t_в= 20 о С.

q_уд= /V = 3921/205 = 19 Вт/м 3

м 3 /ч

кДж/кг

м 3 /ч;

м 3 /ч.

Отклонение воздухообменов, вычисленных по полной теплоте и влаге, от определенного по явной теплоте, не превышает 10%, что находится в допустимых пределах.

Поскольку в теплый период в зале совещаний можно осуществлять требуемый воздухообмен через открытые проемы, в качестве расчетного предварительно принимаем воздухообмен, определенный в переходный период по явной теплоте, L р = = 1094 м 3 /ч.

ХП – t_в = 20 о С

В холодный период расчет сводится к определению температуры приточного воздуха, исходя из принятого расчетного воздухообмена

q_уд= /V = 2091/205 =10,2 Вт/м 3 ;

Определяем температуру приточного воздуха в холодный период

о С;

В дальнейшем значение может быть уточнено с последующим пересчётом воздухообмена по результатам проверки параметров приточной струи на входе её в обслуживаемую зону помещения.

Вычисляем угловой коэффициент луча процесса:

кДж/кг

После построения процессов изменения состояния воздуха в помещении в ХПна I –d диаграмме ( рис. 3) параметры расчетных точек заносятся в табл. 12.

Далее расчетный воздухообмен сравниваем с минимальным количеством воздуха:

а) по выделениям углекислого газа

,

где С_п =0,5 л/м 3 , С_ПДК = 1,5 л/м 3 ( см. табл. 10); л/ч, л/ч

(см. пример в разд. 4.2);

м 3 /ч ; = 530 м 3 /ч ;

б) по удельным нормам подачи наружного воздуха на одного человека

L_min = N× m , где N = 46 чел.; m = 20 м 3 /чел [2, прил. М]

L_min = 46 × 20 = 920 м 3 /ч

Поскольку определенные выше воздухообмены меньше воздухообмена, вычисленного по избыткам явной теплоты для переходного периода, в качестве расчетного оставляем L р = = 1094 м 3 /ч.

Все полученные воздухообмены переносим в табл. 12.

Расчетные параметры вентиляционного воздуха и требуемые расчетном воздухообмены в помещении

Наименование расчетных величин	Периоды года
Холодный	Переходный	Теплый
t,	I,	d,	φ, %	t,	I,	d,	φ, %	t,	I,	d,	φ, %
Параметры воздуха: · наружного
-25	-23,9	0,3	26,5	6,5	27,6	53,5	10,0
· приточного	14,8	15,2	0,3	10,5	27,0	6,5	28,6	54,5	10,0
· внутреннего	23,8	1,3	42,7	8,7	30,6	58,5	11,2
· удаляемого	20,5	24,5	1,4	21,2	44,2	9,1	31,4	61,5	11,6
Расход воздуха, м 3 /ч по избыткам : · явной LЯ · полной LП теплоты · влаги LW
·CO2
Минимальный расход наруж-ного воздуха Lmin	20·23 = 430	20·46 = 920	20·46 = 920

Рис. 3. I – d диаграмма ( для примера в разд. 5.2)