Богословский - Кондицинирование воздуха и холодоснабжение (1985)

ПРЕДИСЛОВИЕ

В новом учебном плане для студентов, обучающихся по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция», а самостоятельные дисциплины выделены  курсы «Отопление», «Вентиляция», «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение» Ранее в учебном плане эти курсы составляли одну дисциплину. Настоящий учебник написан впервые в соответствии с новой учебной программой дисциплины «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение».

Укачанное изменение учебного плана имеет и положительные, и  отрицательные моменты. Положительным является расширение общего представления дисциплины в учебном плане, выделение специфики, усиление и, таким образом, более глубокое развитие основных положений с учетом перспективности систем кондиционирования воздуха (СКВ) В то же время происходит некоторый разрыв единства специальности — вопросы, имеющие важное значение для кондиционирования воздуха (например, такие, как термодинамика влажного воздуха, воздействие на помещение внешних и внутренних факторов, санитарно-гигиенические и технологические требования к условиям в помещении, аэродинамика воздуховодов, воздухораспределение, воздушный режим здания), рассматриваются в курсе «Вентиляция» или «Отоплением.

В дисциплинах «Строительная теплофизика», «Отопление», «Вентиляция» рассматривается роль ограждающих конструкций, а создании микроклимата,  вопросы обогревания помещении, их вентилирования, общее формирование  воздушного режима зданий. Они являются как бы базой для дисциплины  «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение» и предшествуют ее изучению. Эту дисциплину надо рассматривать как завершение изучения специальности, имея в виду, что СКВ являются наиболее современными перспективными устройствами для создания климатических условий в здании, благоприятствующих активному производительному и творческому труду, отдыху людей и оптимальному протеканию технологических процессов

При изложении материала в учебнике учитывалось наличие в учебном плане смежных дисциплин, что позволило сделать изложение более компактным и  целенаправленным. Специфика предмета кондиционирование воздуха состоит в том, что в нем значительно больше, чем в других инженерных дисциплинах, чисто  физические процессы и явления связаны с техническими вопросами устройства аппаратов и элементов систем, с автоматизированным регулированием и управлением, с оптимизацией режима их работы Курс в связи с этим слагается как бы из трех частей. В первой части (I — IV главы)  рассматриваются научные основы процесса кондиционирования воздуха Во второй  (главы V—IX) описаны системы кондиционирования воздуха, технические решения их отдельных элементов, а также вопросы холодо- и теплоснабжения В третьей части (главы X—XI) рассматриваются режим работы, регулирование и управление СКВ, а также эффективность использования энергии. Содержание дисциплины соответствует решению важных социальных и экономических задач нашей страны, определенных XXVI съездом КПСС и  последующими Постановлениями партии и правительства Создание благоприятных условий жизни, труда и Отдыха людей в помещениях является предметом постоянной заботы нашего общества, а поэтому и одной из его основных социальных задач.

Материал в учебнике, так же как и в программе, излагается без разделения на основной и дополнительный. В нем представлены примеры расчета процессов, аппаратов и систем, а также дан минимум необходимого справочного материала. Основной акцент сделан на изложении научных методов. Кроме того, уделено достаточное внимание эффективному использованию и экономии энергии, а также применению нетрадиционных ее источников

В учебнике использован многолетний опыт чтения курса лекций по  кондиционированию воздуха на кафедре отопления и вентиляции МИСИ им В. В. Куйбышева профессорами П Н Каменевым и А В Нестеренко, а в последующем их преемниками, а также результаты научных исследований, выполненных преподавателями и научными сотрудниками кафедры и работающими в сотрудничестве с ними специалистами научных и проектных институтов Эти материалы по мере накопления и обобщения включались в лекции основного и специального курсов. Новейшие достижения в области кондиционирования воздуха находят свое отражение в журналах «Водоснабжение и санитарная техника», «Холодильная техника», «Инженерно физический журнал», в сборниках трудов учебных и  научно исследовательских институтов, сборниках материалов различных  конференций и др.

ВВЕДЕНИЕ

Кондиционирование микроклимата зданий и сооружений  является одним из основных разделов строительной науки и техники. Система кондиционирования микроклимата (СКМ) как  совокупность всех инженерных средств и устройств, обеспечивающих  внутренние климатические условия, включает в себя наряду с  ограждениями, системами отопления и вентиляции систему  кондиционирования воздуха (СКВ). СКВ является активной, обычно  регулируемой системой, предназначенной для комплексного  поддержания заданных параметров внутреннего воздуха, которые  обеспечивают расчетные, часто оптимальные условия в помещениях  зданий и сооружений. СКВ может работать в здании совместно с  системами отопления и вентиляции, но обычно СКВ берет на себя функции последних и создает в здании или по крайней мере в его наиболее ответственных помещениях необходимые климатические условия как в холодный, так и в теплый период года. Определенное состояние воздуха является необходимым, а  часто и решающим условием для осуществления многих, особенно  новейших, технологических процессов. Здесь наряду с пищевой, текстильной, кожевенной, бумажной промышленностью  необходимо выделить производство электронных приборов,  полупроводников, счетно-решающих устройств, телерадиосистем, точного  машиностроения и приборостроения, промышленность искусственных материалов, волокон и др. Создание в медицинских учреждениях чистой, стерильной воздушной среды с заданными температурными и влажностными условиями является важной составляющей  успешного лечения людей. Большое значение имеет техника  кондиционирования микроклимата в решении Продовольственной  программы — в создании важной составляющей технологического  процесса строго заданного температурно-влажностного режима в  животноводческих и культивационных сооружениях, объектах для  переработки и хранения сельскохозяйственной продукции. Существенное значение имеют СКВ и для обеспечения безотказной работы ЭВМ при выполнении исследований в области биологии, физики, химии, при работе с радиоактивными веществами, при хранении  измерительных эталонов и работе с ними. Для сохранности культурных и исторических ценностей в зданиях и помещениях также должны поддерживаться определенные климатические условия  создаваемые СКВ.

Важность решения этих задач определяется разнообразием климата нашей страны и его резкой континентальностью в  значительной ее части. Действительно, и по экстремальным холодным и жарким условиям и по различной продолжительности  отопительного и охладительного периодов наша страна отличается от  других государств, поэтому необходим широкий диапазон решений и возможностей СКВ для поддержания требуемых условий в зданиях, находящихся в различных климатических районах страны.

Значительная часть (15—20%) капитальных вложений на  строительство производственных зданий, где ведутся современные  технологические процессы, приходится на СКВ и сопряженные с ними устройства. Затраты на эксплуатацию этих систем достигают 60— 80% общих затрат на эксплуатацию зданий. Заметная часть  затрат на энергообеспечение зданий и сооружений, составляющая более 30% в общем энергетическом балансе страны, приходится на СКВ. По сравнению с системами отопления и вентиляции в СКВ значительная доля потребления приходится на наиболее  дорогую электрическую энергию, что связано с производством холода, большим числом электроприводов, автоматизацией регулирования и управления. В связи с этим разработка методов рационального и экономного использования энергии в СКВ является важной  составляющей в реализации Энергетической программы СССР, разработанной на основе решений XXVI съезда КПСС и  последующих Пленумов ЦК КПСС.

Необходимость совершенствования СКВ определяется также задачами дальнейшей индустриализации строительства, что  связано с возведением сборных зданий из крупноразмерных  элементов, повышением их этажности, снижением веса и  материалоемкости, применением современных материалов и оптимальных равноэффективных в теплотехническом отношении ограждающих конструкций с повышенными теплозащитными свойствами. В соответствии с этим необходима разработка совершенных и  компактных СКВ, совмещенных с элементами и конструкциями зданий и обеспечивающих рациональное использование площадей и объемов, а также хорошо сочетающихся с архитектурными решениями  интерьера здания. Вся совокупность объемно-планировочных и  конструктивных решений здания и его систем обеспечения  микроклимата должна быть направлена на реализацию крупной проблемы нашего времени — создание современного здания с эффективным использованием энергии. Фундаментом для создания систем  кондиционирования воздуха послужили работы старшего поколения научных работников и инженеров в области отопления и  вентиляции. В настоящее время развитие СКВ происходит так же в  непосредственной связи с решением научных и технических вопросов отопления и вентиляции, теплового и воздушного режимов здания.

В числе создателей основ кондиционирования можно с полным правом и гордостью называть знаменитых соотечественников — академиков Ломоносова, с именем которого связана разработка теории теплоты и теории движения воздуха и газов в каналах и трубах, и Рихмана, который заложил основы теории психрометрии, являющейся определяющей для кондиционирования воздуха. Развитие отопления и вентиляции в России связывают с именами  известных архитекторов и инженеров — Львова, Лукашевича, Свиязова, Амосова, Флавицкого и др.

Амосову принадлежит A835 г.) реализация идеи воздушного отопления помещений подогретым наружным воздухом. Позднее такие «пневматические» печи, как их называли, дополнительно были оборудованы устройствами для увлажнения воздуха и поэтому их можно считать прообразами систем кондиционирования  воздуха. С работой Флавицкого A861 г.) связаны первые нормы и  приемы вентилирования помещений применительно к климатическим условиям России. Он первым показал необходимость учета совместного действия на человека температуры, влажности и подвижности воздуха в помещении. К этому же времени относится работа Комитета, возглавляемого авторитетными учеными и созданного для поиска новых средств и усовершенствования систем  вентиляции. С работами Флавицкого и упомянутого Комитета связано  создание приточно-вытяжных вентиляционных систем с увлажнением воздуха при помощи открытых наполненных водой сосудов. Таких систем в зданиях больниц к 1870 г. в Петербурге было свыше  десяти.

Первые механические системы вентиляции в России были  осуществлены Саблуковым в 1835 г. Установка обслуживалась  вручную, и вентилятор приводился в движение с помощью веревки, соединенной с маховым колесом.

Крупным событием, определившим в большой мере развитие кондиционирования воздуха, явилось создание в 1918 г. Рамзиным I — d-диаграммы влажного воздуха.

Появление в Советском Союзе отдельных систем  кондиционирования воздуха в промышленных зданиях относится к 1930-м  годам. Для оборудования Дворца Советов в г. Москве под руководством Н С. Ермолаева были разработаны проекты кондиционеров (1938 г.), но работы по их реализации были приостановлены в  начале Великой Отечественной войны. Позднее, уже после войны, продолжением этих работ явилось создание кондиционеров и СКВ в высотных зданиях Москвы и, в частности, в зданиях Московского государственного университета на Ленинских горах (под  руководством Т. А. Мелик-Аракеляна). К этому же времени также относится создание единичных центральных кондиционеров в Ленинграде. В 1950 г. в Промстройпроекте Б. В. Баркаловым были разработаны технические указания по проектированию и расчету СКВ.

Этим работам в большой мере содействовало предшествующее им издание книг А. А. Крауза, А. Н. Селиверстова, капитального труда под редакцией Н. В. Дегтярева, а также перевод на  русский язык книги Мойера и Фитца с «Приложением», в котором П. Н. Каменевым были даны ответы на многие сложные вопросы новой в то время техники кондиционирования воздуха. В 1955 г. во ВНИИСТО под руководством Е. Е. Карписа была разработана серия типовых кондиционеров Кд и начат их выпуск на  Харьковском заводе санитарно-технического оборудования и на  Домодедовском механическом заводе. Этим было положено начало  заводскому кондиционеростроению в нашей стране. В Англии, Франции, Германии и США отдельные прообразы систем кондиционирования воздуха появились еще в прошлом веке. Развитию этой отрасли в большой степени способствовали особенные требования к климатическим условиям для новых  технологических процессов и промышленная конкуренция. На рубеже XIX и XX столетий возникли первые системы KB с  оросительными камерами и холодильными установками. В 1911 г. В. Кэрриер опубликовал психрометрическую диаграмму влажного воздуха, которой и сейчас широко пользуются в США и некоторых других странах. В странах Европы обычно применяют I—х диаграмму Молье, которая была им опубликована в 1921 г. Крупным событием в технике кондиционирования воздуха  явилось получение в 1931 г. безопасного холодильного агента —  фреона, что способствовало распространению холодильных машин и кондиционеров на его основе. В 1946 г. были изобретены  абсорбционные бромисто-литиевые холодильные машины. Холодильные машины и тепловые насосы на основе абсорбции явились  перспективными устройствами для использования низкопотенциального тепла как источника энергии для СКВ.

В настоящее время в СССР ведущим в отрасли кондиционеростроения является научно-производственное объединение Союз-кондиционер с головным проектно-конструкторским и  научно-исследовательским институтом ВНИИКондиционер, рядом заводов и конструкторских бюро. Совместно с ними работают  научно-исследовательские и учебные институты: ЦНИИпромзданий Госстроя СССР и ЦНИИЭП инженерного оборудования Госгражданстроя СССР, МНИИТЭП Мосгорисполкома, НИИСТ г. Киева, Киев- ЗНИИЭП, ТашЗНИИЭП, МИСИ, ЛТИХП, РПИ и многие другие.

Основную производственную базу по изготовлению  кондиционеров составляют заводы: Харьковский машиностроительный завод «Кондиционер», выпускающий центральные кондиционеры, Домодедовский машиностроительный завод «Кондиционер», выпускающий местные кондиционеры, Бакинский завод бытовых  кондиционеров им. 50-летия СССР, производящий до 400 000 бытовых кондиционеров в год, Краматорский машиностроительный завод, выпускающий транспортные и бытовые кондиционеры. Эти и ряд других заводов производят около 500 000 кондиционеров в год.

Всего в мире изготовляется более 10 млн. кондиционеров в год.

Глава I. САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

§ 1. Факторы, определяющие внутренние условия кондиционируемых помещений зданий различного назначения

Микроклимат помещения — это совокупность факторов,  определяющих метеорологическую обстановку в нем. К числу этих факторов относятся: температура и влажность воздуха, потоки лучистого тепла, определяющие радиационную температуру  помещений; подвижность воздуха. Кроме того, внутренние условия помещений определяются давлением воздуха или перепадом его давления между смежными помещениями, допустимым  содержанием газов, паров и пыли, наличием запахов, содержанием ионов. Формирование теплового - режима помещения, тепловой баланс человека и совокупное влияние на него параметров микроклимата, условия комфортности тепловой обстановки подробно  рассматриваются в курсе «Строительная теплофизика» и поэтому здесь не описываются.

Температура воздуха является одним из основных факторов, характеризующих климатические условия помещения. Ее  требуемые значения зависят от характера деятельности человека  (спокойное состояние, работа различной интенсивности), вида  технологических процессов, климатических условий местности,  времени года и т. д.

Второй существенный фактор — влажность воздуха. В теплый период при высокой влажности в сочетании с высокой температурой ухудшается теплообмен человека с окружающей средой, что приводит к перегреву организма. При низком влагосодержании воздуха, характерном для холодного периода, возрастает отдача тепла человеком за счет интенсивного испарения влаги с  поверхности тела, высыхают поверхности слизистых оболочек  дыхательных путей, что способствует прониканию болезнетворных  микроорганизмов в органы дыхания. Кроме того, пересыхают и деформируются материалы, возрастает опасность искровых разрядов при накоплении статического электричества, а также возникает опасность конденсации водяных паров на охлажденных поверхностях. Непостоянство воздействия внешних и внутренних факторов, различная степень тепловой инерционности и влагоустойчивости ограждений и элементов оборудования помещений, инерционность самих систем кондиционирования микроклимата и систем  управления режимами их работы приводит к отклонению значений температур и относительной влажности  от заданных.

Изменение температуры обычно составляет около 1 — 1,5°С зимой и 1—4°С летом, но в некоторых случаях его необходимо снизить, например по требованиям технологии производства. Однако обеспечение узкого диапазона изменения температуры  требует значительных дополнительных затрат на устройство специальных конструкций ограждений помещений, системы теплохолодоснабжения и автоматического регулирования. Изменение  относительной влажности обычно довольно большое—15—20%. Но, иногда, например, по технологическим соображениям, его также необходимо снизить. Потоки лучистого тепла оказывают существенное влияние на общий теплообмен человека с окружающей средой и  соответственно на комфортность его состояния. Кондиционирование  воздуха лишь в малой степени позволяет изменить интенсивность  потоков лучистого тепла. В помещениях, оборудованных системами потолочного лучистого отопления-охлаждения, представляется  возможным изменять радиационную обстановку. Подвижность воздуха в помещениях тоже влияет на  интенсивность теплообмена человека с окружающим воздухом.  Значение этого параметра выбирается в зависимости от характера деятельности человека. Подвижность воздуха, кроме того,  оказывает существенное влияние на состояние внутренней среды:  распределение температур и влажности по объему помещения, наличие застойных зон и т. д. Подвижность воздуха зависит от способа организации воздухообмена, типа воздухораспределительного  устройства, скорости выпуска воздуха и его расхода. В некоторых случаях для повышения подвижности воздуха используются  настольные и потолочные вентиляторы-аэраторы. Влияние  подвижности воздуха на комфортность состояния человека необходимо рассматривать в совокупности с температурой и влажностью воздушной среды помещения. Исследования гигиенистов позволяют устанавливать зоны комфортного сочетания этих факторов [5].

Наличие в воздухе помещения различных вредных газов,  паров, а также пыли оказывает отрицательное воздействие на  самочувствие людей и на течение технологических процессов. Для большинства кондиционируемых помещений, как и для  помещений, оборудованных обычной вентиляцией, применимы  требования к воздушной среде, регламентированные нормами. В  некоторых случаях к воздушной среде могут быть предъявлены более жесткие требования, например в особо чистых помещениях  промышленных предприятий, в операционных и в ряде других.

В определенной мере на самочувствие людей оказывают  влияние запахи. Это влияние зависит от характера (приятности)  запаха, его интенсивности и от индивидуальных особенностей  каждого человека (остроты обоняния, возраста, состояния здоровья, профессии и т. п.). Запахи на здоровье людей обычно не отражаются, однако могут быть причиной их дискомфортного состояния. Для устранения неприятных запахов можно увеличить  воздухообмен, в ряде случаев применяют дезодорацию. Иногда  кондиционированному воздуху придают приятные запахи (одорация).

Барометрическое давление и его колебания, как известно, оказывают большое влияние на самочувствие и здоровье людей,  особенно тех, кто страдает сердечно-сосудистыми и некоторыми  другими заболеваниями. В обычных зданиях не представляется  возможным поддерживать барометрическое давление, заметно отличающееся от давления внешней среды. Обеспечить заданное давление можно лишь в герметизированных объектах (например, в барокамерах, самолетах, космических кораблях и др.). Однако в технике кондиционирования воздуха весьма часто приходится обеспечивать перепады давления до 10—20 Па между  кондиционируемым помещением и некондиционируемым или внешней средой, между чистыми и менее чистыми помещениями, между отдельными цехами или установками на промышленных предприятиях в зависимости от технологических требований.

Наличие ионизированных частиц (ионов), имеющих  положительный и отрицательный заряд, также оказывает определенное влияние на самочувствие людей и на состояние воздушной среды Внутренний режим помещений формируется под влиянием возмущающих и регулирующих воздействий. К возмущающим относятся как источники и стоки тепла и влаги, так и инсоляция, трансмиссионные потоки тепла и влаги, инфильтрация и эксфильтрация через наружные ограждения, поступления от людей, животных, растений, нагретых и охлажденных  поверхностей оборудования, материалов и других составляющих бытового и технологического процесса. Регулирующими являются  противодействующие возмущающим воздействиям поступления тепла и влаги от систем обеспечения микроклимата — отопления,  вентиляции и кондиционирования воздуха.

Существенное влияние на стабильность поддержания  заданного внутреннего режима помещений и на затраты энергии оказывают тепло - и влагоустойчивость ограждений, а также аккумулирующая способность материалов и оборудования,  находящихся в помещениях. Обычно воздействие источников и стоков тепла и влаги на внутренний режим помещений носит переменный во времени характер, во многих случаях подчиняющийся  периодической закономерности. Поэтому часто в инженерных расчетах с целью упрощения решения эти воздействия рассматриваются как периодические квазистационарные гармонические или  прерывистые. Это позволяет определить установочную мощность оборудования для расчетных условий, режимы потребления тепла и  холода системами в течение года и т. д. Как правило, мощности  оборудования систем кондиционирования воздуха при инженерных расчетах для условий стационарного режима оказываются завышенными Учет тепло - и влагоустойчивости помещений имеет особое значение при расчете периодического тепло - холодопотребления и технико-экономических сопоставлениях вариантов систем  кондиционирования воздуха.

Режим функционирования помещений в зависимости от их назначения может иметь непрерывный или прерывистый характер. К числу первых можно отнести жилые помещения, больницы, производства с непрерывным технологическим процессом и т. п. Большое распространение имеют объекты с прерывистым режимом функционирования: зрелищные, спортивные и административные здания, предприятия общественного питания,  промышленные предприятия с одно- и двухсменной работой и др. Если в первом случае системы кондиционирования воздуха  обеспечивают непрерывное поддержание заданного режима, то во  втором случае их работа прерывается, а ко времени ее  возобновления характер внутренних и внешних воздействий может претерпеть значительные изменения.

В некоторых случаях для одних и тех же помещений  устанавливают переменные во времени режимы. Такие случаи характерны для зрелищных, спортивных и административных зданий и  сооружений. Например, в помещениях Дворцов спорта с  искусственным льдом требуется поддержание различных по характеру температурно-влажностных условий при тренировках, матчах и выступлениях хоккеистов и фигуристов, а также при трансформации помещения в киноконцертный зал.

В последнее время получает распространение так называемый динамический микроклимат, т. е. микроклимат с определенным режимом изменения (например, в административных зданиях в течение суток). Целесообразность динамического микроклимата заключается в том, что периодическое изменение параметров в помещениях оказывает положительное влияние на самочувствие людей и позволяет снизить энергопотребление системами  кондиционирования воздуха. Монотонное выдерживание параметров внутренней среды снижает рабочую активность человека и его сопротивляемость к заболеваниям (в частности, простудным).

Требования к микроклимату кондиционируемых помещений и закономерностям его изменения во времени являются основой выбора систем кондиционирования воздуха, подбора оборудования, определения мощности систем, режима их работы, регулирования и управления.