Агрегати з тепловими насосами для обробки припливного повітря в системах кондиціонування малих льодових арен

У статті «Оптимізація систем кондиціонування малих льодових арен» [1] були розглянуті деякі принципові питання, пов'язані з проектуванням і експлуатацією муніципальних критих катків. Доповнюючи перелік заходів по оптимізації, представлений в зазначеній статті, зупинимося на одному досить важливому напрямку, яким є скорочення витрат енергії, необхідної для забезпечення нормативної якості мікроклімату в льодових залах. У цьому напрямку є два шляхи. Перший - це використання теплоти, що виробляється холодильними установками, що обслуговують льодове поле. З технічної точки зору тут все вирішується практично безальтернативно на базі відпрацьованих схем. При цьому холодильний контур, по суті, стає доповненням будь-якої з традиційних систем теплопостачання.

Другий шлях, що розглядається в цій статті, стосується утилізація теплоти повітряних потоків, що обробляються в агрегатах системи кондиціонування. Відразу відзначимо, що саме об'єднання зазначених двох шляхів дає найбільш відчутний результат.

Скорочення витрат енергії, необхідної для забезпечення нормативної якості мікроклімату в льодових залах, можливо або за рахунок використання теплоти, що виробляється холодильними установками, або утилізацією теплоти повітряних потоків, що обробляються в агрегатах системи кондиціонування

Традиційно видається, що утилізувати слід теплоту повітря, що видаляється з приміщення в холодний період року. У системах вентиляції та кондиціонування громадських будівель найбільш широко застосовуються теплообмінники-утилізатори пластинчастого або роторного типів. Однак для умов льодових арен вони не підходять. Це обумовлено високим змістом вологи d повітря, що видаляється з залу критої ковзанки. В роботі [2] показано, що можливість обмерзання зазначених теплообмінників виключається, якщо d <3,8 г / кг. При експлуатації льодових арен ця умова не виконується.

Найбільш прийнятним рішенням тут є використання теплових насосів. Аналіз характеристик різних моделей теплових насосів показав, що за технічними параметрами найбільш підходящими для умов критих тренувальних катків є агрегати, що включають ряд теплових насосів, змонтованих послідовно по ходу потоків повітря по каскадної схемою.

Використання теплоти повітря, що видаляється в холодний період року - завдання, безсумнівно, злободенна, особливо в світлі рекомендацій ГОСТ Р 54964-2012 [3]. У той же час, в силу особливостей процесів, характерних для систем кондиціонування льодових залів, припливне повітря в них необхідно нагрівати і в теплий період року. При наявності власної газової котельні проблем з теплопостачанням катка в теплий період не виникає. Для критих катків, приєднаних до мереж централізованого теплопостачання, таке завдання або вирішується за допомогою електричних калориферів, або є взагалі нерозв'язною. Тому створення умов для повноцінної експлуатації критих катків в період року, коли теплові мережі не в змозі виконати ці умови, відноситься до ряду основних завдань.

Тут можливі два рішення. Перше передбачає використання каскадного теплового насоса. Друге рішення орієнтоване на використання осушувача конденсаційного типу з серії застосовуються в басейнах. Перше рішення представляється кращим, так як могло б дозволити за допомогою одного агрегату утилізувати низько потенційну теплоту потоків вентиляційного повітря протягом усіх періодів року. Відповідно, порівняння технічних, експлуатаційних і економічних показників проведемо, розглянувши два варіанти комплектів серійного обладнання для систем кондиціонування повітря в залі стандартної льодової арени.

Перший варіант передбачає обробку зовнішнього повітря приточування в осушувачі типу Drysolair. Другий варіант орієнтований на використання припливно-витяжної агрегату з термодинамічної рекуперацією «Клімат ICE». За принципом комплектації і по процесах обробки повітря обладнання в першому і другому варіантах відрізняється.

Різниця полягає в тому, що в установці типу Drysolair зовнішній припливне повітря в теплий період року проходить по контуру: «гріє сторона пластинчастого теплообмінника → випарник теплового насоса → нагрівається сторона пластинчастого теплообмінника → конденсатор холодильної машини, що виконує роль нагрівача 2-го ступеня». Це дозволяє приблизно на 30% скоротити споживання тепла, пов'язане з компенсуючим тепловим потоком до поверхні льоду. Обставина, дуже важливе для періоду, коли теплові мережі не в змозі забезпечити необхідну потужність. Крім того, за рахунок попереднього охолодження зовнішнього повітря знижується необхідна потужність теплового насоса.

На рис. 1 як приклад представлена ​​id-діаграма, що ілюструє принцип роботи даного агрегату в комплексі з адсорбційним осушувачем. Процеси на діаграмі побудовані для умов міста Єкатеринбурга (за параметрами Б) при роботі ковзанки в тренувальному режимі. У холодний період року осушувач Drysolair працює як звичайна прямоточная припливна установка, споживаючи повний обсяг необхідної теплоти. Агрегат «Клімат ICE» особливо ефективний в холодний період року, коли встановлені в ньому каскадом теплові насоси і батарейний рекуператор дозволяють навіть при нормативних негативних розрахункових температурах зовнішнього повітря утилізувати понад 50% теплоти, що видаляється. Для більшості промислових теплових насосів це завдання є важкоздійснюваним. У теплий період року в агрегаті «Клімат ICE» здійснюється глибоке охолодження і конденсаційне осушення зовнішнього повітря. При цьому один із ступенів каскаду може працювати в реверсному режимі, нагріваючи припливне повітря до заданої температури. Як і в першому варіанті, скорочується кількість енергії, споживаної від зовнішніх джерел. Дані виробників «Клімат ICE» і Drysolair показують, що в теплий період року ефективність утилізації теплоти у них практично однакова.

Параметри систем визначалися відповідно до режимів експлуатації критої ковзанки муніципального фізкультурно-оздоровчого комплексу (ФОК) в Єкатеринбурзі (табл. 1).

Характеристики системи з агрегатом «Клімат ICE» прийняті на підставі проектних даних зазначеного ФОК, де поряд з припливно-витяжною агрегатом використаний рециркуляционний адсорбційний осушувач. Характеристики осушувача Drysolair 11 прийняті за даними компанії MENERGA і розрахунками процесів обробки повітря стосовно згаданого проекту. Зауважимо, що розгляд тільки цих характеристик дає спрощену оцінку, тому що не враховується теплота, передана повітрю в роторі адсорбционного осушувача. Економічні показники, що характеризують розглянуті системи, визначалися виходячи з таких умов. По-перше, оскільки плата за підключення до мереж постачальників енергії та енергоносіїв в даний час визначається в залежності від величини навантаження, складу і обсягу робіт, пов'язаних з приєднанням об'єкта в цілому, в даній роботі ці витрати не розглядаються. По-друге, оскільки ставилося завдання отримання тільки принципової оцінки, порівняння варіантів проводилося в скороченому вигляді за вартістю обладнання і величиною експлуатаційних витрат. Із загального переліку статей експлуатаційних витрат при аналізі беремо до уваги дві найбільш важливі складові: вартість споживаної енергії і амортизаційні відрахування. При розрахунку приймалося, що тариф за теплову енергію, яка споживається з міських теплових мереж, становить 1400 руб / Гкал, тариф за спожиту електричну енергію становить 4,5 руб. за кВт⋅ч. З урахуванням того, що виробники обладнання призначають тривалість його життєдіяльності до 20 років, амортизаційні відрахування прийняті на рівні 5% в рік від роздрібної ціни. Результати порівняння представлені в табл. 2, 3 і 4.

висновки

Виходячи зі сказаного вище, можна зробити наступні висновки:

1. Відносно забезпечення якості мікроклімату в льодовому залі обидва варіанти рівноцінні.
2. Встановлена ​​і споживана потужність електродвигунів системи з приточно-витяжною агрегатом «Клімат ICE» майже в три рази вище показника системи з осушувачем Drysolair 11.
3. При рівних умовах встановлена ​​потужність калориферів і витрата теплоти, необхідної для нагрівання припливного повітря в холодний період року, у агрегатів «Клімат ICE» практично в два рази менше, ніж у установок Drysolair 11, відповідно, і сезонний витрата теплоти буде у агрегатів «Клімат ICE »практично в два рази менше, ніж у установок Drysolair 11. у теплий період року утилізаційний ефект від використання установки« Клімат ICE »можна порівняти з ефектом Drysolair 11.
4. З позицій рівня техніки і скорочення споживання теплоти рішення з установкою «Клімат ICE» представляється кращим, так як могло б дозволити за допомогою одного агрегату утилізувати низько потенційну теплоту потоків вентиляційного повітря протягом усіх періодів року. Цей висновок можна вважати попередніми, так як більш коректна оцінка може бути дана на підставі теплового балансу критої ковзанки з урахуванням теплосодержания повітря, обробленого в адсорбционном осушувачі, і величини компенсуючого теплового потоку до поверхні льоду.
5. Однозначний прогноз і показники енергетичної ефективності систем кондиціонування льодових арен можна отримати тільки на підставі розгляду різних варіантів організації систем і пов'язаних з ними процесів тепло- і масообміну, з урахуванням умов підключення до джерел енергопостачання, з урахуванням вимог ГОСТ 54964-2012. Тому можна вважати за доцільне до початку робіт по стадії «Проектна документація» проводити попередню детальну оцінку принципово відрізняються варіантів.
6. Витрати на придбання обладнання і його експлуатацію для варіанту з осушувачем Drysolair можуть виявитися істотно нижче, ніж для варіанту з агрегатом «Клімат ICE».