Проектирование энергетически эффективных установок обработки воздуха

В середине прошлого века на вопрос «Какую скорость воздуха выбрать при подборе центрального кондиционера?» большинство инженеров, не задумываясь, ответили бы: 2,5 м/с. С тех пор многое изменилось, и сейчас справедливость такого ответа ставится под сомнение. В данной статье представлена попытка определить оптимальную скорость воздуха, отвечающую требованиям сегодняшнего дня.

В этом исследовании не брались в расчет трудозатраты на эксплуатацию и техническое обслуживание оборудования, поскольку они мало зависят от переменных, связанных с выбранной скоростью воздуха. Также исключены из расчета налоги на собственность и страховые выплаты.

Для экономической оценки выбран метод сравнения стоимости на текущий момент времени (Present Worth), что упрощает представление конечных результатов.

В этом методе стоимость эксплуатации на текущий момент может быть определена с использованием формулы (1).

где:
E = стоимость эксплуатации в первый год, USD
f = уровень ежегодной инфляции, %/100
r = ежегодная процентная ставка инвестирования, %/100
n = период времени, лет

Если приравнять f к r, то

И в этом случае индекс стоимости собственности (Owning Cost Index, OCI) равен

где:
FC = первоначальная стоимость (First Cost)

Эта методика может быть использована для сравнения оборудования одного типа при различных условиях эксплуатации (например, одинаковых фильтров при различных скоростях прокачиваемого воздуха). В дальнейшем, построив график, отражающий значения индекса стоимости собственности при различных скоростях воздуха, определим скорость, которой соответствует наименьшее значение индекса.

ПАРАМЕТРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В настоящем исследовании рассматривается прямоточный центральный кондиционер, обслуживающий одну зону. Он оснащен решеткой-жалюзи на входе, смесительной секцией, воздушным фильтром, водяным охлаждающим теплообменником и вентилятором (рис. 5).

Номенклатура и технические характеристики кондиционера сведены в таблицу 1. Годовые наработки 3120 и 8760 часов соответствуют расчетным условиям эксплуатации офисных зданий (10х6х52) и мест постоянного пребывания людей (24х365).

РЕШЕТКИ- ЖАЛЮЗИ НА ВХОДЕ

Проанализированы два типа входных решеток. Первые имеют обычную конструкцию со штампованными алюминиевыми горизонтальными профилями, расположенными под углом 45°. Их производители гарантируют, что при скорости воздуха во входном сечении до 2,5 м/с, сквозь них не проникнет дождевая влага. Второй тип представляет собой более совершенную конструкцию, препятствующую проникновению осадков при скорости воздуха до 3,5 м/с и обладающую значительно меньшим аэродинамическим сопротивлением. Себестоимость улучшенных решеток на 30 % — 40 % выше, чем у обычных. Проведенный экономический анализ предусматривал наличие в составе решеток данного типа защитной сетки с размером ячейки 12,7 мм и внешнего сервопривода.

На рисунках 1 и 2 представлены графики для обоих типов решеток в расчете на годовую наработку 3120 и 8760 часов.

Наилучший индекс стоимости собственности соответствует точке перегиба графиков. Таким образом, для решеток с уменьшенной потерей давления (аэродинамическим сопротивлением) в режиме годовой наработки 8760 часов и в расчете на пятилетний период окупаемости, оптимальной будет скорость воздуха около 2,5 м/с.

ФИЛЬТРЫ

Рис. 1 Жалюзийные решетки на входе – годовая наработка 3120 часов	Рис. 2 Жалюзийные решетки на входе – годовая наработка 8760 часов

Фильтры, выбранные для настоящего исследования, имеют начальную потерю давления в воздушном тракте 10 миллиметров водяного столба при скорости воздуха 2,5 м/с. Период, за который потеря достигнет конечного значения в 20 миллиметров водяного столба, равен 4000 часов. Большинство проектировщиков при расчете вентилятора используют именно конечное значение в качестве основного параметра.

На рисунке 3 представлены графики для трех конечных значений потери давления на фильтре: 10, 15 и 20 мм водяного столба. Если мы рассмотрим верхнее семейство кривых (8760 часов наработки в год, срок окупаемости 10 лет), то увидим, что для пакета фильтров при скорости воздуха 1,5 м/с индекс стоимости собственности будет минимальным только при конечной потере давления равной 10 мм водяного столба. При увеличении скорости воздуха оптимальное конечное значение потери давления также увеличивается.

Сплошными линиями обозначено геометрическое место точек (локус), определяющее оптимальный по стоимости выбор фильтра независимо от конечного значения потери давления.

Очевидным является факт, что оптимальная точка достижима лишь для нижнего семейства кривых.

ОХЛАЖДАЮЩИЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Рис. 3 Воздушные фильтры (сплошными линиями показаны оптимальные варианты)

Кривые для охлаждающих теплообменников до некоторой степени идеализированы, поскольку выбор числа рядов и расстояния между ребрами влияет на скорость воздуха, а также на плотность теплового потока (кВт.час/м ²).

Оптимальная скорость воздуха удивительным образом совпадает при различных сроках окупаемости и наработке за год, составляя от 1,25 до 1,75 м/с.

Выбор охлаждающего теплообменника осуществлялся в расчете на температуру охлажденной воды на входе 7°С. Влияние выбора теплообменника на величину капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с установкой чиллера и гидравлической системы не учитывалось. В первоначальную стоимость включены трубопроводные фитинги, опорные конструкции и поддоны для сбора конденсата.

КОРПУС ЦЕНТРАЛЬНОГО КОНДИЦИОНЕРА

По существу, корпус центрального кондиционера не связан с какими бы то ни было эксплуатационными расходами. Соответственно, в данном случае представляет интерес только первоначальная стоимость. Увеличение скорости воздуха соответствует уменьшению площади поперечного сечения и, следовательно, к снижению стоимости корпуса.

Корпус состоит из панелей заводского изготовления с двухсторонней облицовкой оцинкованной жестью, внутри которой размещен 100 миллиметровый слой теплоизолирующего стекловолокна. Между компонентами агрегата для обеспечения доступа предусматривается расстояние 1 м, расстояние между охлаждающим теплообменником и вентилятором принимается равным половине поперечного размера агрегата, чтобы угол между краем теплообменника и входным отверстием вентилятора был максимум 45°. Пропорция поперечных размеров принималась равной 1:1. Инспекционные двери, гибкие вставки и амортизирующие основания там, где они были нужны, включены в первоначальную стоимость корпуса центрального кондиционера.

На рисунке 5 представлены схема компоновки центрального кондиционера и график зависимости стоимости его корпуса от скорости воздуха.

ВЕНТИЛЯТОР

Выбор вентилятора производился в расчете на внешний свободный статический напор в 890 Па. При скорости воздуха от 1,0 до 3,0 м/с общий статический напор вентилятора класса 2 с диаметром импеллера 1250 мм составил от 1050 до 1500 Па. Электродвигатели подбирались так, чтобы развиваемая мощность не превышала 0,9 от паспортных значений.

В целях сопоставимости получаемых данных статическая эффективность во всех случаях полагалась равной 75 %.

Регулируемый V-образный ременной привод, электродвигатель, защитное ограждение ремня и пружинные амортизаторы включены в первоначальную стоимость вентиляторов. Индекс общей стоимости собственности полагался равным первоначальной стоимости вентилятора, поскольку стоимость обслуживания вентилятора незначительна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В таблице 2 представлена зависимость индекса общей стоимости собственности компонентов центрального кондиционера от увеличения скорости воздуха при условии 3120 часов наработки в год. К цене кондиционера добавлена стоимость занимаемых площадей вентиляционной камеры из расчета 215 долларов США за 1 м ².

Из рассмотрения колонки «оптимум» таблицы 2 вытекает следующее:
Проектные значения скорости воздуха во всех компонентах, кроме решеток-жалюзи и приводов, составляют 1,5 м/c в расчете на период окупаемости 10 лет и 2,0 м/с при окупаемости за 5 лет.

С экономической точки зрения наилучшее решение — решетки с уменьшенной потерей давления, работающие при скорости воздуха 3,0 м/c.

Оптимальные значения скорости воздуха для фильтров и охлаждающего теплообменника близки между собой и могут считаться равными друг другу.

Скорость воздуха для решения, выбранного исходя из оптимального значения индекса стоимости, несколько меньше 2,5 м/c — значения, рекомендуемого старым эмпирическим правилом.

Потеря напора внутри центрального кондиционера и, как следствие, годовые расходы электроэнергии в случае оптимального решения составляют 78 % от соответствующих значений для традиционного решения в расчете на пятилетний срок окупаемости. Для окупаемости за 10 лет разница возрастает до 50 %.

Расчеты, сделанные для режима непрерывной работы кондиционера в течение года, свидетельствуют о еще больших отклонениях оптимальных значений относительно старых норм. Скорость воздуха в оптимальном решении составляет 1,5 м/с для всех компонентов, кроме решеток-жалюзи. Для них оптимальные значения в зависимости от периода окупаемости — 2,0 и 2,5 м/с.

При использовании оптимальных значений скорости воздуха капитальные затраты пользователя существенно сокращаются.

Снижение потери напора внутри центрального кондиционера и, как следствие, годовых расходов электроэнергии в случае оптимального решения происходит более чем вдвое по сравнению с традиционным решением, основанным на старых нормах.

ВОЗМОЖНЫ ЛИ ОБОБЩЕНИЯ?

Следует отметить, что настоящее исследование выполнено исходя из ограниченного набора исходных параметров и типоразмеров используемого оборудования. Однако полученные выводы можно распространить и на другие случаи.

Центральный кондиционер полностью заводского изготовления производительностью 51000 м ³/ч примерно на 20 % дешевле такого же кондиционера, возводимого на месте из панелей заводского изготовления. При равной эффективности вентилятора, эксплуатационные расходы для обоих типов кондиционеров одинаковы. Следовательно, оптимальная скорость воздуха на период окупаемости 5 лет при наработке в год 3120 часов будет несколько ниже, в диапазоне от 1 до1,5 м/с.

Для кондиционера пониженной производительности (250000 м3/ч) с учетом его окупаемости за 10 лет при наработке в год 3120 часов, оптимальной скоростью воздуха будет 2 м/с.

Для агрегатов повышенной производительности оптимальную скорость воздуха можно считать равной величинам, полученным в данном исследовании.

Величина эксплуатационных расходов и первоначальная стоимость фильтров зависит от их типа. На долю фильтров приходится от 15 % до 40 % индекса общей стоимости. Фильтры с меньшей потерей напора и стоимостью замены увеличивают оптимальное значение скорости воздуха.

ЛИТЕРАТУРА

“Techniques of Life–Cycle Costing.” C. W. Griffin Jr. Construction Specifier, October, 1973.
“How to Calculate Life Cycle Cost.” Air Conditioning and Refrigeration Business, September, 1973.
“Here’s How to Calculate Payback Time.” Air Conditioning & Refrigeration Business, May, 1974.
“Evaluation Criteria for Resource Optimization.” J. W. Griffith. BRI Fall Conferences, November, 1973.
“Air Filtration: Resistances, Energy and Services Life, in. Robert H. Avery. Heating, Piping & Air Conditioning, December, 1973.
“The Cost of Clean Air.” Morton Bell. Air Conditioning, Heating & Ventilating, July, 1968.
“Characteristics and Application of High Performance Dry Filters.” P. M. Engle Jr., C. J. Bauder. ASHRAE Journal, May, 1964.
“Filter Operation at Other than Nominal Capacities.” Cambridge Filter Corporation.
“Energy Consideration in Selection and Use of Air Filters.” Robert H. Avery (unpublished).

Arthur E. Weller, дипломированный инженер, член ASHRAE

ОБ АВТОРЕ:

Arthur E. Wheeler в течение 11 лет работал в корпорации Carrier. Затем 30 лет являлся первым вице-президентом компании Henry Adams, Inc в г. Балтимор. В 1987 году начал собственную инженерно-консультационную практику в г. Таусон (штат Мэриленд). В 1960 году стал членом ASHRAE и более 40 лет работал в различных комитетах по качеству воздуха в помещениях (Indoor air Quality, IAQ), участвовал в разработке стандарта Standard 62 в качестве члена технического комитета TC 9.1. (кондиционирование больших зданий). Был председателем конференции ASHRAE IAQ в 1996 году. В 1978 году был удостоен награды ASHRAE «За выдающиеся заслуги». Скончался в 2008 г.

Редакция журнала «МИР КЛИМАТА» выражает благодарность за помощь в переводе и адаптации статьи на русский язык к. т. н. М. М. Короткевичу (Ventrade) и к. т.н. Е. П. Вишневскому

^* Следует заметить, что при a→1 выражение (1) содержит неопределенность типа 0/0, раскрывая которую по правилу Лопиталя, приходим к выражению (3).

На практике оказывается, что разница значений ежегодной процентной ставки инвестирования и уровня ежегодной инфляции должна превышать пять процентов, прежде чем точность оценок по упрощенной формуле (3) будет сколь — либо значимо отличаться от результатов вычислений по формуле (1).

Для примера сравним вентиляторы A и B. Пусть себестоимость A и расходы на его монтаж составляют 2000 USD, а ежегодные эксплуатационные расходы при текущем значении тарифов на расходуемую электроэнергию — 200 USD. Для B соответствующие значения составляют 2300 USD и 100 USD. Полагая период окупаемости равным 5 лет, имеем:

Для определения фактического периода окупаемости воспользуемся формулой

В нашем случае вентилятор B имеет более низкое значение индекса стоимости собственности и является наилучшим вариантом для приобретения.