В Угорщині Регламент імплементації 7/2006 (V. 24) TNM застосовується до визначення енергетичних показників будівель, згідно з яким проводиться енергетична оцінка будівель та систем технічного обладнання. На його основі визначається потреба в енергії центральних систем кондиціонування. Однак вирішенню цієї проблеми заважає той факт, що енергетичні потреби змінюються протягом року, однак технічні посібники та публікації, опубліковані з моменту видання цього імплементаційного регламенту, не містять достатніх вказівок.
На кафедрі технічного обладнання будівель та процесів механічних технологій BME (Будапештський технологічний та економічний університет) була розроблена нова методологія розрахунку енергетичних потреб. Використовуючи розроблену математичну та фізичну моделі, енергетичні потреби для кондиціонування повітря оцінюються за різними методологіями.
Стан навколишнього повітря як вірогідна змінна
З точки зору технології кондиціонування повітря, найважливішими змінними стану зовнішнього повітря є температура, вміст вологи та ентальпія [1], значення яких постійно змінюються. Теорія ймовірностей базується на наборі елементарних результатів певного експерименту (наприклад, вимірювання температури повітря). Тільки одне дійсне число (виміряна температура) може бути призначене кожному елементарному даному. На основі такого призначення інтерпретована залежність називається ймовірною змінною [2].
Ми матимемо справу з ймовірними змінними дискретного або неперервного розподілу. Значення стану повітря в даному інтервалі можуть приймати будь-яке значення і можуть розглядатися як вірогідна змінна безперервного розподілу [3]. Ми розглядаємо передбачуване (очікуване) значення, дисперсію, функцію розподілу та функцію щільності ймовірної змінної. Функції розподілу стану зовнішнього повітря (температура, ентальпія) можуть бути використані для визначення фактичної потреби в енергії [4].
| Фіг. 1 Курс температури зовнішнього повітря взимку (жовтень - березень), місцевість Будапешт, середні значення у 1964-1972 роках [10] | Фіг. 2 Курс ентальпії зовнішнього повітря взимку (жовтень - березень), місцевість Будапешт, середні значення у 1964 - 1972 роках) [10] |
При визначенні потреби в енергії для опалення та охолодження інтегральні значення завжди можна виразити як пропорції площ під кривими розподілу [8, 9]. На основі річного споживання енергії можна визначити щорічні витрати на споживання електроенергії та тепла.
Теоретична модель для визначення енергоспоживання кондиціонера
Центральні кондиціонери складаються з частин, призначених для подачі та витяжки повітря. Загалом вони містять такі елементи: фільтр, рекуперативний теплообмінник для рекуперації тепла, підігрівач, байпаси, адіабатичне зволоження, підігрівач, охолоджувач та припливно-витяжний вентилятор [11, 12]. З цих елементів можна побудувати повний кондиціонер для даного завдання, тоді як основними елементами для визначення потреби в енергії є:
- енергія, необхідна для опалення,
- енергія, необхідна для охолодження,
- енергія, необхідна для руху вентиляторів,
- енергія, необхідна для приводу насосів.
Розрахунки дуже ускладнюються тим фактом, що кліматичні умови змінюються протягом року, що призводить до постійно змінних умов експлуатації для всієї системи кондиціонування.
Наступне стосується потреби в енергії для повітряного опалення:
де ms - масова витрата вентиляційного повітря (кг/с),
hi - питома ентальпія вентиляційного повітря (кДж/кг),
he (τ) - питома ентальпія зовнішнього повітря, величина якої постійно змінюється (кДж/кг).
До робіт, необхідних для вентиляції [6], відноситься таке:
де Vs - об'ємний потік повітря - вихід повітря (м3/с),
∆pv - загальний робочий тиск вентилятора (Па),
ηvent, ηmot - ККД вентилятора та двигуна двигуна (-).
Наступне стосується робіт, необхідних для циркуляційних насосів:
де Vч - об'ємний потік - транспортна потужність насоса (м3/с),
Čpч - робочий надлишковий тиск насоса (Па),
ηč, ηmot - ККД насоса та електродвигуна (-).
Інтеграція повинна проводитися протягом усього періоду експлуатації, тоді як характерний період експлуатації означає лише щоденну роботу, відповідно. безперебійний 24-годинний режим роботи. У разі роботи циркуляторів та вентиляторів може бути використано спрощення інтеграції, при якому робочі точки обладнання вважаються постійними.
Потреба в енергії блоків кондиціонування
Потреба в енергії може бути визначена на основі функції розподілу та щільності зовнішнього повітря. При проектуванні обладнання необхідно враховувати порядок елементів кондиціонування та схему кондиціонування, показану на схемі h-x. Далі ми зупинимось на характерних теоретичних модифікаціях повітря, пов’язаних із зимовими умовами експлуатації.
Параметри центрального кондиціонера, який працює з рекуперацією тепла, попереднього нагрівача та підігрівача, показані для роботи взимку на рис. 3. Розрахунок можливий на основі внутрішньої та зовнішньої температури та технічних параметрів блоку рекуперації тепла.
Енергія, необхідна для попереднього нагрівання в нагрівачі, становить
(кДж/рік) (4)
де ρ - питома щільність повітря (кг/м 3),
cvz - питома теплоємність при постійному тиску (кДж/(кг. К)),
Vs - об'ємний потік повітря в попередньому нагрівачі повітря (м 3/год).
Для безперервної роботи кондиціонера (з 00.00 до 24.00) слід використовувати функцію розділення на весь робочий період. Аналогічно, з т. Зв опівдні (з 07.00 до 19.00) потрібно використовувати функцію розподілу полудня.
Потреба в енергії для підігріву є
(кДж/рік) (5)
де Vs - потік повітря через підігрівач (м 3/с).
Області, показані на фіг. 3 пропорційні енергетичним потребам окремих елементів обробки повітря (попередній нагрівач/PO, підігрівач/DOH), відповідно. економія на рекуперації тепла (SZT). Фізико-математична модель іншого блоку кондиціонування повітря може бути побудована подібним чином.
Порівняльний аналіз можливостей енергозбереження
Для подальшого аналізу використовувались кондиціонери, що складаються з наступних елементів:
- попередній нагрівач, адіабатичне зволоження, підігрів,
- рекуперація тепла, попередній нагрів, адіабатичне зволоження, підігрів,
- попередній нагрівач, циркуляція, адіабатичне зволоження, підігрів,
- рекуперація тепла, попередній нагрів, рециркуляція, адіабатичне зволоження, повторне нагрівання.
Фіг. 4 Модель кондиціонера No 4, що складається з наступних елементів: рекуперація тепла, попередній нагрів, циркуляція, адіабатичне зволоження та повторне нагрівання
PO - попередній нагрівач, DOH - підігрівач, SZT - рекуперація тепла, V - вентилятор, F - фільтр, AV - адіабатична камера зволоження, RC - циркуляція
У випадку останнього рішення найскладнішим процесом є обробка повітря (рис. 4). Процеси зміни повітря показані на діаграмі Мольє на фіг. 5. Розрахунки довели той факт, що попередній нагрів в цій моделі не є необхідним, оскільки рекуперація тепла забезпечує температуру для попереднього нагрівання навіть у проектних умовах.
Ціни за одиницю газової компанії Capital City використовувались для визначення попиту на тепло. з. (0,012 €/МДж). Ціни в точці споживання в Будапешті (Elektorozvodný závod, Західний Будапешт) використовувались за ціну електроенергії. У випадку ціни на електроенергію, поставки протягом періоду пікового споживання та нічного тарифу враховувались середньою ціною (Pday = 0,203 €/кВт-год; Pnoc = 0,169 €/кВт-год).
Резюме
Споживання енергії під час денної та нічної роботи окремих пристроїв центральної обробки повітря (позначені вище та однаково в таблицях цифрами від 1 до 4) показано в табл. 1 і 2, а графіки на фіг. 6 і 7.
Використовувані ярлики:
PO - попередній нагрівач, DOH - підігрівач, AV - адіабатична камера зволоження, SZT - рекуперація тепла, RC - циркуляція.
| Фіг. 6 Щоденне споживання енергії (з 07.00 до 19.00) | Фіг. 7 Нічне споживання енергії (з 19.00 до 7.00) |
Загальне споживання енергії досліджуваних центральних очисних споруд протягом зимового періоду в жовтні-березні наведено у таблиці. 3 і фіг. 8. Нарешті, з відомим значенням загального споживання енергії, ступінь економії енергії можна визначити в окремих випадках роботи центру кондиціонування (Таблиця 4 та Рисунки 9 та 10).
| Фіг. 8 Загальне споживання енергії | Фіг. 9 Норма енергозбереження (МДж) |
З наведених вище результатів видно, що рівень економії енергії при роботі обладнання з циркуляцією повітря та рекуперацією тепла є значним, сучасне застосування обох методів дозволяє заощадити енергію до 79%.
Під час дослідницької роботи була складена програма розрахунку для точного розрахунку та оцінки енергетичного аналізу. За допомогою розробленої фізико-математичної моделі споживання енергії влітку може бути розраховане подібним чином. Однак для обмеженого обсягу цей внесок міг би лише пояснити результати аналізів, пов'язаних з експлуатацією взимку, він не містить результатів аналізів, пов'язаних з роботою влітку.
Зображення: архів авторів
Примітка редактори: Аналіз споживання енергії для кондиціонування повітря, який був обраний авторами статті, має інші процедури, що застосовуються у Словаччині. Ми спробуємо підійти до них в одному з наступних номерів журналу.