Гидравлика систем отопления и охлаждения

Конструирование систем водяного охлаждения

Системы водяного охлаждения состоят из основных элементов: источника холода и потребителей холода, соединенных системой трубо­проводов с циркулирующей охлажденной водой. Такие системы приоб­ретают все более широкое распространение в банках, гостиницах, адми­нистративных и общественных зданиях и т. д. Они позволяют обеспечи­вать тепловой комфорт в помещении в течение всего года. Главные достоинства:

• универсальность — применяются для охлаждения, отопления и вентиляции помещений;

• гибкость — возможность постепенного подключения к одному чиллеру потребителей при поэтапном вводе объекта в эксплуата­цию;

• независимость — в каждом помещении могут создаваться инди­видуальные температурные условия;

• автоматизация — условия теплового комфорта в помещениях могут задаваться индивидуально пользователем либо централи­зованно с диспетчерского пункта;

• экологичность — минимальное использование охлаждающих газов (хладагентов);

• экономичность — вода является лучшим холодоносителем, чем воздух; меньше потери холода в трубопроводах, чем в воздухово­дах; меньше эксплуатационные расходы в больших зданиях по сравнению со сплит-системами.

Источником холода является чиллер, который представляет собой холодильную машину, предназначенную для снижения температуры жидкости (воды либо водогликолевой смеси). Температура воды на вы­ходе из чиллера обычно составляет 5...8 °С. Оптимальная разность тем­пературы в системе, как правило, равна 5...6 °С. Некоторые чиллеры мо­гут работать в режиме теплового насоса, т. е. обеспечивать потребителей теплой водой с температурой примерно 50 °С в период межсезонья.

Потребителями холода являются теплообменные приборы: фен­койлы, потолочные панели, потолочные балки (chilled beam), блоки кондиционеров и т. д. Процесс теплообмена между ними и охлаждае­мым воздухом зависит от конструктивного исполнения и может быть либо в режиме свободной конвекции, либо вынужденной конвекции под действием как рециркуляционного, так и наружного свежего воз­духа. Все эти приборы имеют малую тепловую инерцию и практичес­ки моментально реагируют на качественное (изменение температуры воды) и количественное (изменение расхода воды) регулирование.

В особенности это касается приборов с воздушным принудительным обдувом.

Соединение чиллера с потребителями холода осуществляют трубо­проводами по двух - и четырехтрубным схемам, показанным на рис. 9.2. Трехтрубные схемы, в которых теплоноситель смешивается с холодоно - сителем в необходимой пропорции перед теплообменным прибором и затем отводится общим трубопроводом, не рассматриваются, т. к. явля­ются неэкономичными.

Двухтрубная система водяного охлаждения (рис. 9.2), используемая самостоятельно, по гидравлической сущности аналогична двухтрубной

Двухтрубная система охлаждения

хт

XT

Двухтрубная система охлаждения и отопления с трехходовым распределительным клапаном

системе водяного отопления. Отличие состоит в том, что из-за малого перепада температур в системе гравитационное давление теплоносителя не оказывает существенного влияния. С теплотехнической точки зрения отличие более существенно. Приборы охлаждения чувствительнее к ре­гулированию теплового потока и поэтому обеспечение равномерности регулирования (см. рис. 6.5) сложнее, чем в системах отопления. Осо­бенно это касается потолочных панелей, в которых перепад температур теплоносителя составляет 2...4 °С. Приблизиться к идеальному регули­рованию можно при внешних авторитетах терморегуляторов, равных единице. Достигают таких авторитетов лишь при использовании автома­тических регуляторов перепада давления либо расхода теплоносителя, устанавливаемых у терморегуляторов. Такая система является идеаль­ной для здания, требующего только охлаждения помещений. Для нее ис­пользуют термостатические регуляторы FEK-FF либо FED-IF (см. табл. 4.1 в п. 4.1.1) с термостатическим клапаном RA-С (см. рис. 4.8). При переменном климате (зима - лето) в межсезонье эту систему необ­ходимо синхронизировать с системой отопления для предотвращения одновременной работы в помещении. С этой целью используют термо­статические регуляторы FED-FF либо FED-IF.

Верхнюю схему на рис. 9.2 невозможно применить для отопления, т. к. термостатический регулятор RA-C+FEK-FF/FEK-IF при повыше­нии температуры в помещении открывается. При отоплении следует использовать термостатический клапан в комплекте с регулятором, ко­торый с повышением температуры воздуха в помещении закрывается, например, RA-C+FEV-FF/FEV-IF, поэтому при совмещении двухтруб­ной системы и для отопления, и для охлаждения помещения следует применять трехходовой разделяющий клапан (см. среднюю схему на рис. 9.2), который при изменении процессов отопления и охлаждения направляет воду в соответствующий термостатический клапан.

Преимуществом двухтрубной системы отопления и охлаждения с трехходовым распределительным клапаном является ее дешевизна. Для нагревания и охлаждения используют одни и те же трубопроводы и теп­лообменные приборы (минус — охлаждение, плюс — нагревание). Гид­равлические расчеты и подбор теплообменных приборов в такой систе­ме осуществляют для наиболее энергоемкого процесса: либо отопления, либо охлаждения. Как правило, гидравлические нагрузки этих процес­сов не совпадают. Не совпадают также перепады температур воды. Сле­довательно, при различных процессах будут различные гидравлические ха­рактеристики системы. Если система рассчитана для охлаждения, то при отоплении внешние авторитеты терморегуляторов увеличатся, т. к. при отоплении используют большие перепады температур и, следовательно,
меньшие расходы теплоносителя при одних и тех же трубах. Увеличит­ся также авторитет теплоты помещения, т. к. площадь теплообменного прибора будет завышенной. В целом работоспособность системы улуч­шится. При всей простоте система обладает существенным недостат­ком: не может одновременно обеспечивать тепловой комфорт в помеще­ниях с различными дополнительными теплопоступлениями и теплопо - терями. Особенно это касается межсезонья, когда помещения, выходя­щие на солнечный фасад здания, необходимо охлаждать, в то время как другие помещения следует нагревать. Недостатком рассматриваемой системы является то, что теплообменный прибор применяют для охлаждения и отопления помещения. Это не позволяет создать идеаль­ное распределение температуры воздуха в помещении (см. рис. 1.5) в разные периоды года.

При использовании в одном помещении совмещенной системы либо раздельных систем для отопления и охлаждения следует устанавливать регулятор FED (рис. 9.3). Он последовательно управляет термостатичес­ким клапаном на приборе отопления и термостатическим клапаном на при­боре охлаждения. Когда работает клапан отопления, клапан охлаждения за­крыт, и наоборот. Для этого в адаптере охлаждения 2 предусмотрен ревер­сивный механизм, который приводится в действие актуатором 3. Такая конструкция регулятора весьма удобна, т. к. имеет общий регулятор температуры 1, предназначенный как для отопления, так и охлаждения.

В регуляторе FED-IF имеется допол­нительная бухта с капиллярной трубкой 5 (рис. 9.3). Это позволяет применять дан­ный регулятор для управления термоста­тическими клапанами, расположенными на значительном расстоянии друг от дру­га, например, на потолочной панели ох­лаждения и радиаторе у наружной стены помещения. Функциональное разделение теплообменных приборов дает возмож­ность создания идеального распределе­ния температуры воздуха в помещении и достижения теплового комфорта.

Регулятор FED-FF комплектуют выносным датчиком температуры 6 (рис. 9.3), устанавливаемым в темпера­турной зоне помещения с характерной
температурой воздуха. При этом регулятор температуры 1 располагают в удобном для пользователя месте. Такая конструкция регулятора более точно поддерживает тепловой комфорт в помещении.

Универсальным конструкторским решением создания теплового комфорта в любую пору года является четырехтрубная система обеспе­чения микроклимата (нижняя схема рис. 9.2). Конструктивно она пред­ставляет сочетание гидравлически невзаимосвязанной двухтрубной си­стемы отопления с двухтрубной системой охлаждения. Поэтому обеспе­чивают авторитеты термостатических клапанов и регулирующих клапа­нов в четырехтрубной системе раздельно: для системы отопления и сис­темы охлаждения. Управление системами в помещении осуществляет регулятор FED. При этом реализуются все конструктивно заложенные свойства данного регулятора.

В регуляторе предусмотрена возможность установки нейтральной зоны от 0,5К до 2,5К согласно диаграмме на рис. 1.2. Для этого следует повернуть уста­новочную кнопку в верхней части адаптера охлаждения против часовой стрелки для уменьшения нейтральной зоны; по часовой стрелке — для увеличения (рис. 9.4). Поло­жение нейтральной зоны визуально отоб­ражается на указателе. При выходе темпе­ратуры воздуха в помещении за пределы установленной нейтральной зоны регуля­тор FED включает либо систему охлажде­ния, либо систему отопления. Он предот­вращает их одновременную работу. Если температура воздуха находится в пределах нейтральной зоны, термостатические клапаны обеих систем закрыты. Положение нейтральной зоны можно смещать при установке пользо­вателем температуры воздуха в помещении, отличающейся на At при­мерно от 22 °С (рис. 9.5). Таким образом, в любом положении настрой­ки регулятора температуры создается эффективное управление рабо­той термостатических клапанов.

Новое поколение термостатических регуляторов прямого дей­ствия (FEK, FEV и FED) позволяет управлять любыми водяными си­стемами как в отдельности, так и в сочетании друг с другом. Комплек­сным подходом к созданию микроклимата помещений является со­вмещение систем отопления, охлаждения и вентиляции, что достига­ется применением четырехтрубных систем и активных (с подачей све­жего воздуха) потолочных балок (chilled beams). Использование

терморегуляторов с различными теплообменными приборами показа­но на рис. 9.6.

Для удобства обслуживания теплообменных приборов с регулято­рами серии FEK, FEV и FED необходимо предусматривать отключение теплообменных приборов с обеих сторон. Перед термостатическим кла­паном следует устанавливать шаровой кран. После теплообменного прибора — клапан RLV, через который, при необходимости, опорожня­ют теплообменный прибор. Пример присоединения теплообменных

приборов к трубопроводам двух - и четырехтрубных систем обеспече­ния микроклимата показан на рис. 9.7.

Некоторое отличие имеют узлы обвязки потолочных панелей охлаждения. В них предусмотрено предотвращение образования конденсации водяного пара (рис. 9.8). Для этого используют электрон­ный сигнализатор точки росы с выносным датчиком EDA (табл. 4.1), управляющий термоприводом ABN (табл. 4.1). Сигнализатор отслежи­вает температуру точки росы и при необходимости подает электричес­кий импульс на термопривод ABN для перекрытия клапана RA-С, пре­кращая поступление холодоносителя в потолочную панель. Особенно важна роль сигнализатора при включении системы охлаждения. В этот

момент разность между темпе­ратурой воздуха в верхней зоне помещения и температурой хо­лодоносителя может привести к образованию конденсата, по­этому сигнализатор способ­ствует постепенному установ­лению заданного теплового режима в помещении.

В моменты отключения терморегуляторов системы ох­лаждения прекращается цир­куляция холодоносителя в подводящих к теплообменному прибору трубопроводах. При этом холодоноситель начинает

Автоматическое регулирование системы Рис. 9.9. Система охлаждения с переменным гидравлическим режимом

Ручное регулирование системы Автоматическое регулирование системы

Рис. 9.10. Система охлаждения с постоянным гидравлическим режимом

нагреваться до температуры окружающего воздуха, что замедляет про­цесс достижения теплового комфорта в помещении после открывания терморегуляторов. Для устранения этого рекомендуется создавать цир­куляцию холодоносителя в трубопроводах приборной ветки системы с переменным гидравлическим режимом охлаждения при закрытых тер­морегуляторах. С этой целью устанавливают перепускной клапан AVDO в конце приборной ветки между распределительным и сборным трубопроводами (рис. 9.9), если это допускается эксплуатационными требованиями к работе чиллера. Настройка AVDO должна превышать на 10 % давление в точке установки.

В системах с постоянным гидравлическим режимом нет необходи­мости в применении перепускных клапанов (рис. 9.10), т. к. в трубопро­водах осуществляется постоянная циркуляция теплоносителя через трехходовой терморегулятор.

На рис. 9.9 и 9.10 показаны варианты комплектации клапанами авто­матического и ручного регулирования систем охлаждения с переменным и постоянным гидравлическим режимом. Идеальные условия работоспо­собности системы создают автоматические регуляторы перепада давле­ния и автоматические регуляторы расхода, устанавливаемые непосред­ственно в узлах обвязки теплообменных приборов. Внешний авторитет терморегуляторов при этом стремится к единице. На схеме обвязки водя­ного охладителя в блоке кондиционера автоматическим регулятором ASV-PV внешний авторитет терморегулятора будет равен единице (рис. 9.9), поскольку на клапане расходуется все располагаемое давление регулируемого участка. Внешний авторитет клапана AVQM также равен единице, т. к. это реализовано в его конструкции. Если используют кла­пан RA-С для регулировки точки росы и автоматический регулятор пере­пада давления ASV-PV непосредственно в узле обвязки теплообменно­го прибора, то следует устанавливать RA-С за пределами регулируемо­го ASV-PV участка, чтобы избежать влияния на терморегулятор.

В системе с ручным регулированием внешние авторитеты терморе­гуляторов будут тем ниже, чем больше гидравлическое сопротивление регулирующих клапанов, поэтому рекомендуется устанавливать регули­рующие клапаны с пониженным гидравлическим сопротивлением и ло­гарифмической либо логарифмическо-линейной расходной характерис­тикой, каковыми являются соответственно клапаны MSV-C и MSV-F.

Четырехтрубные системы обеспечения микроклимата являются универсальным техническим решением обеспечения теплового комфорта в помещении.