CC BY
3УДК 629.4.048
Половинченко М.И.
аспирант,
Донской государственный технический университет,
Ростов-на-Дону Дубровина А.И. магистр,
Донской государственный технический университет,
Ростов-на-Дону Polovinchenko M.I.
Postgraduate Student, Don State Technical University, Rostov-on-Don Dubrovina A.I. Master's Degree, Don State Technical University, Rostov-on-Don E-mail: m.polovin4enko@yandex.ru
Сравнительное исследование различных систем кондиционирования воздуха для
жилых зданий
Comparative study of various air conditioning systems for residential buildings
Аннотация: Обычно существуют два типа систем кондиционирования воздуха (AC), а именно централизованные и децентрализованные системы переменного тока. Это исследование сосредоточено на трех реальных инженерных проектах жилых домов, где используются централизованные системы кондиционирования. Обсуждается и анализируется применимость централизованных систем кондиционирования воздуха в жилых зданиях. Кроме того, исследуются ключевые элементы, которые приводят к различиям в энергопотреблении зданий и эффективности систем между централизованными и децентрализованными системами переменного тока в жилых зданиях. Это исследование показывает, что в жилых зданиях, в точке, где централизованная функция системы соответствует децентрализованной функции нагрузки
пользователей, могут легко возникнуть проблемы высокого энергопотребления и низкой энергоэффективности.
Abstract: There are usually two types of air conditioning (AC) systems, namely centralized and decentralized AC systems. This study focuses on three real engineering projects of residential buildings where centralized air conditioning systems are used. The applicability of centralized air conditioning systems in residential buildings is discussed and analyzed. In addition, the key elements that lead to differences in energy consumption of buildings and system efficiency between centralized and decentralized AC systems in residential buildings are investigated. This study shows that in residential buildings, at the point where the centralized function of the system corresponds to the decentralizedfunction of the user load, problems of high energy consumption and low energy efficiency can easily arise.
Ключевые слова: жилые здания; централизованная система переменного тока; децентрализованная система переменного тока; сравнительное исследование.
Keywords: residential buildings; centralized AC system; decentralized AC system; comparative study.
Являясь типичным примером децентрализованной системы кондиционирования воздуха, сплит-система уже давно используется в большинстве жилых зданий в Китае. Недавно централизованные системы кондиционирования также появились в жилых зданиях, и они одобрены и поддерживаются государственной политикой. Они потребляют меньше энергии при более качественном обслуживании; поэтому при разработке будущих систем контроля внутренней среды в жилых зданиях следует использовать централизованные системы кондиционирования. Одним из главных преимуществ централизованных систем переменного тока является то, что они могут удовлетворить потребности в охлаждении нескольких зданий одновременно. В децентрализованных системах переменного тока не существует системы распределения, что означает, что общее потребление энергии не включает потребление вентиляторов или насосов. Таким образом, из приведенного выше анализа типов систем следует, что как централизованные, так и децентрализованные системы переменного тока имеют свои собственные
преимущества. Из сравнения можно сделать вывод, что централизованные и децентрализованные системы переменного тока представляют собой две совершенно разные концепции переменного тока.
Многие исследования были проведены с целью изучения энергопотребления в жилых зданиях в разных районах Китая. Из сравнения понятно, что годовое потребление энергии централизованными системами переменного тока выше, чем у децентрализованных систем в целом.
Таким образом, теоретический анализ систем централизованного охлаждения во многих случаях сильно отличается от фактического опыта эксплуатации, а также некоторых важных факторов, которые приводят к большим различиям в потреблении энергии между централизованными и децентрализованными системами переменного тока были проигнорированы [1]. Чтобы проанализировать причину различий в энергопотреблении между этими системами переменного тока, в этом исследовании были рассмотрены три реальных инженерных проекта в жилых зданиях с различными типами централизованных систем переменного тока.
Основная информация о трех реальных случаях наглядно представлена на рис. 1.
Рисунок 1 — Исследовательские кейсы
Системы переменного тока можно рассматривать как три сегмента теплопередачи, а именно: (1) процесс теплопередачи между терминалами переменного тока и внутренней средой, (2) процесс распределения тепла охлажденной воды между холодильными машинами и терминалами переменного тока и (3) процесс распределения тепла охлажденной воды между холодильными машинами и охлаждающая сторона. В сегменте процесса теплопередачи между клеммами переменного тока и внутренней средой пользователи в случае 1 не удается настроить клеммы переменного тока; однако в случаях 2 и 3 пользователи могут включать или выключать клеммы переменного тока в соответствии со своими требованиями. В сегменте процесса распределения тепла охлажденной воды между холодильными машинами и терминалами переменного тока, в случаях 1 и 2, все потребление энергии на охлаждение централизовано на холодном участке и обрабатывается унифицированным холодильным оборудованием большой мощности, в то время как в случае 3, применяются бытовые теплонасосные системы. В сегменте процесса распределения тепла охлаждающей воды между холодильными машинами и охлаждающей стороной во всех трех случаях в качестве источника охлаждения используется подземная вода, и охлаждающая вода собирается вместе для отвода тепла [6]. Таким образом, три случая можно резюмировать следующим образом:
1. Пример 1: централизованные холодильные машины и распределительные системы подачи охлажденной воды и охлаждающей жидкости; пользователи не могут регулировать клеммы переменного тока;
2. Пример 2: централизованные холодильные машины и система распределения охлажденной воды; пользователи могут регулировать клеммы переменного тока;
3. Пример 3: децентрализованные холодильные машины, централизованная система распределения охлажденной воды и охлаждающей жидкости; пользователи могут регулировать клеммы переменного тока.
Случаи 1 и 3 были проанализированы в предыдущих исследованиях, и энергетических данных достаточно для нашего анализа. В случае 2 мы провели полевые измерения, чтобы получить первичные данные для нашего исследования. Процедура сбора данных для каждого тематического исследования заключается в следующем [3]:
1. Пример 1: Система учета, которая регистрирует потребление энергии на охлаждение населением и электричеством - городское потребление оборудования переменного тока (насосы и вентиляторы) было установлено в системе переменного тока.
2. Пример 2: В сообществе была установлена система учета блока переменного тока, которая регистрирует состояние включения и выключения и ежедневное время работы фанкойла (РСЦ). Данные о потреблении энергии на охлаждение были получены от компании по управлению недвижимостью в жилом комплексе. Данные были зарегистрированы каждые 10 минут в системе централизованного охлаждения в июле-сентябре 2011 года. Затем на основе этих измерений были рассчитаны потребление энергии и эффективность системы.
3. Пример 3: Были получены подробные измерения системы переменного тока, включая потребление охлаждения и электроэнергии холодильной установки и насосами. Кроме того, были зарегистрированы температуры подающей и обратной воды в системе переменного тока.
1. Обследование и измерение
1.1. Случай 1: централизованные холодильные установки и системы распределения; ситуации, когда пользователи не могут настроить терминалы
Случай 1 произошел в жилом сообществе в провинции Цзянсу в 2012г. В районе насчитывается 10 жилых зданий, а общая площадь застройки составляет 114 000 м . Район включает в себя 1200 домохозяйств, в то время как коэффициент заполняемости составляет приблизительно 90% на момент измерения.
Системная схема случая 1 показана на рис. 2. На терминалах переменного тока в этом районе установлены потолочные панельные системы радиационной и вытеснительной вентиляции для удовлетворения требований к температуре и относительной влажности. В качестве источника охлаждения выбраны наземные теплонасосные агрегаты [4].
Насосы с регулируемой скоростью вращения используются на стороне охлаждающей воды и на стороне охлажденной воды. Расчетная охлаждающая нагрузка системы излучения потолочной панели составляет 1757 кВт, и установлены два тепловых насоса с регулировкой номера блока.
Например, в этом районе потребители не могут открывать окна, чтобы получить свежий воздух, а клеммы кондиционера не могут быть закрыты жителями.
Рисунок 2 — Системная схема случая 1
Потребление электроэнергии сплит-системой переменного тока получено на основе фактических измерений 780 домохозяйств в Шанхае. Среднее потребление электроэнергии составляет 4,3 кВтч/м . Из-за сходства климата в Цзянсу и Шанхае энергопотребление сплит-систем переменного тока в двух районах считается одинаковым. Из сравнения следует, что потребление электричеством системы кондиционирования в этом жилом комплексе примерно в 5 раз превышает потребление сплит-системы в подобных районах.
При высоких требованиях к охлаждению потребление электроэнергии при работе централизованной системы переменного тока в 1 случае
значительно выше, чем у сплит-систем, и распределительная система потребляет примерно 33% от общего потребления электроэнергии. С учетом 2 влияющих элементов, несмотря на высокую эффективность самого теплового насоса, и всей системы переменного тока, потребление электроэнергии системы переменного тока в 1 случае примерно в 5 раз превышает потребление при использовании сплит-систем переменного тока в том же жилом районе [2].
1.2. Случай 2: централизованные холодильные установки и система распределения, пользователи могут настраивать терминалы
Случай 2 произошел в жилом районе в провинции Хэнань.
2 2
Район занимает площадь 27944 м с жилой площадью 41200 м . В районе
12 жилых зданий с 294 домохозяйствами, и каждое здание имеет пять этажей. Заполняемость составляет 75%. В качестве центрального оборудования переменного тока используются два винтовых водонасосных агрегата с холодопроизводительностью 1463 и 542 кВт по отдельности. Насосы в системе водоснабжения работают с постоянной скоростью; насосы включают в себя два циркуляционных насоса и два погружных насоса. Погружные насосы работают под водой, перекачивая воду вверх. В этом районе с пользователей взимается плата за потребление охлаждения - в зависимости от условий эксплуатации терминалов FCU, т.е. стоимость потребления охлаждения основана на измеренных часах работы вентилятора при высоких, средних и низких скоростях. Когда клемма переменного тока закрыта, плата за охлаждение взиматься не будет.
Конфигурация системы переменного тока в случае 2 аналогична конфигурации в случае 1, как показано на рис. 3.
В случае 2 измеренный результат потребления охлаждения пользователями в течение сезона охлаждения составляет 7,5 кВт*ч/м2. В системе переменного тока в случае 2 возможность регулировки клеммы переменного тока аналогична возможности сплит-системы переменного тока; таким образом, предполагается, что потребление охлаждения в двух типах систем переменного тока одинаково. Таким образом, когда пользователи могут
свободно регулировать клеммы переменного тока и применяется разумный способ зарядки, потребность пользователей в охлаждении будет значительно снижена по сравнению с подобной в 1 случае.
При применении сплит-системы переменного тока в этом жилом доля времени обслуживания терминалов FCU, которая равна общему времени работы в каждом домохозяйстве, деленному на общее количество FCU в данном районе и часы работы теплового насоса. Данные о работе бытовых FCU получены из системы учета потребления бытового охлаждения. Результаты показывают, что почти 80 домохозяйств не открывали терминалы FCU в течение периода наблюдения, и более трети пользователей указали, что время обслуживания терминала FCU составляет менее 10%.
Основными причинами такой низкой эффективности системы являются следующие:
1. С одной стороны, как упоминалось ранее, при режиме работы переменного тока неполный рабочий день и неполное пространство в этом жилом районе коэффициент загрузки всей системы относительно низок. Лишь немногие пользователи предъявляют высокие требования к нагрузке на охлаждение, в то время как большинство пользователей предъявляют низкие требования к нагрузке на охлаждение или вообще не предъявляют их. Поэтому большую часть времени, только несколько вентиляторов будут работать в системе переменного тока.
Рисунок 3 — Схема системы для случая 2
Потребление электроэнергии водяными насосами может составлять 42% от общего потребления электроэнергии.
2. С другой стороны, из-за низких требований к охлаждающей нагрузке в данном районе тепловые насосы работают при низком коэффициенте нагрузки в течение длительного времени. КПД тепловых насосов значительно ниже номинального значения 6,4.
В заключение можно сказать, что благодаря анализу 2 случая, когда жильцы имеют возможность управлять клеммами переменного тока, потребление охлаждения со стороны жильцов значительно снизится по сравнению с централизованной системой переменного тока в 1 случае.
1.3. Случай 3: децентрализованная система переменного тока, централизованная система распределения; пользователи могут настраивать терминалы переменного тока
Случай 3 — в жилом районе Пекина (2006).
В этом районе есть 3 жилых здания с 368 домохозяйствами, а общая площадь охлаждения составляет 70000 м2. Система теплового насоса с распределенным водяным контуром принята в качестве системы переменного тока, а расчетная нагрузка на охлаждение составляет 64 Вт/м . Система переменного тока включает в себя централизованную систему циркуляции подземной воды и децентрализованную систему тепловых насосов. Подземные воды поднимаются глубинным насосом. После теплообмена охлаждающая вода подается к тепловому насосу в каждом домашнем хозяйстве через петлевую трубопроводную сеть.
В качестве терминала переменного тока в этом районе используется полностью воздушная система. Воздуховоды установлены в каждой комнате, и на входе воздуха нет регулирующего клапана. Потребление электроэнергии системой переменного тока в жилом сообществе в случае 3 примерно в три раза больше, чем в сплит-системе переменного тока. Учитывая, что средний КПД сплит-системы переменного тока равен 2,5, среднее потребление охлаждения
сплит-системой переменного тока в жилых зданиях в Пекине составляет приблизительно 7,8 кВтч/м . Измеренный расход на охлаждение в 3 случае равен 13,2 кВтч/м . Следовательно, в системах такого типа расход на охлаждение выше, чем в сплит-системах переменного тока [5]. В заключение, пример 3 показывает, что при подаче охлаждения в режиме неполного рабочего времени и полного пространства потребность пользователей в охлаждении будет меньше, чем в общей централизованной системе переменного тока.
2. Анализ и обсуждение
Во всех трех тематических исследованиях, рассмотренных выше, используется централизованные системы переменного тока; однако они отличаются способностью пользователей управлять клеммами переменного тока, типом холодильного оборудования и формой распределительной системы.
Благодаря сравнению и анализу основные выводы из трех случаев исследования заключаются в следующем:
1. Если существует условие для независимой регулировки, то пользователи должны настроить клеммы переменного тока в соответствии с работой сплит-системы переменного тока. Охлаждающая нагрузка будет демонстрировать признаки десинхронизации и низкого коэффициента нагрузки.
В холодных и экстремально холодных районах нагрузки на охлаждение и отопление в жилых зданиях имеют разный характер. Во время отопительного сезона на тепловую нагрузку в основном влияет наружный климат; таким образом, тепловые нагрузки разных пользователей синхронны.
Проведя сравнение, мы можем обнаружить, что в полностью централизованных системах переменного тока служба контроля внутренней среды на постоянной основе и на всей площади помещения (пример 1) приводит к самому высокому потреблению электроэнергии. Потребление энергии в 1 случае примерно в три раза больше, чем в ситуации, когда клеммами переменного тока можно свободно управлять (случай 2). Режим обслуживания является одним из наиболее важных факторов, влияющих на различия в потреблении энергии. В случае 1 расход на охлаждение составляет
59 кВт*ч/м2, что в 5 раз выше, чем в случаях 2 и 3. В случае 1, независимо от требований к охлаждению, внутренняя среда контролируется в соответствии с заданным стандартом комфорта, т.е. в режиме управления внутренней средой в режиме реального времени и в режиме полного пространства. В случае 3 используется домашняя централизованная система кондиционирования, а режим обслуживания - неполный рабочий день и полное пространство. В этом случае расход по охлаждению составляет 13,2 кВтч /м2, что ниже, чем в 1 случае. В случае 2 управление клеммами переменного тока аналогично управлению в сплит-системах переменного тока, и пользователи могут управлять клеммами переменного тока в соответствии со своими требованиями.
2. Например, спальня в домашнем хозяйстве будет занята только 30% дня, и жильцы предпочитают выключать кондиционер после того, как они засыпают. Таким образом, кондиционер в спальне работает только примерно 20% дня. Однако та же самая спальня в случае 1 будет кондиционироваться в течение всего дня, следовательно, расход на охлаждение был бы значительно выше фактической потребности. При таком режиме обслуживания коэффициент времени обслуживания и площади почти в 5 раз больше, чем в сплит-системах переменного тока.
3. В жилых зданиях, под влиянием требований пользовательских терминалов, потребление энергии распределения становится основным компонентом системного потребления в централизованных системах переменного тока.
В случаях 2 и 3 управление клеммами переменного тока имеет ту же особенность, что и в сплит-системах переменного тока; однако холодильные машины и распределительные системы являются обычными в централизованных системах переменного тока. В случаях 2 и 3 потребление энергии системой переменного тока составляет приблизительно 8 кВт*ч /м2, что примерно в 1,5-3 раза больше, чем в децентрализованных системах переменного тока.
Эта разница в энергопотреблении в основном вызвана распределением энергопотребления в случаях 2 и 3. Коэффициент переноса охлажденной воды и охлаждающей жидкости не может превышать 10. В случае 3, коэффициент переноса охлажденной воды составляет всего 3,7.
Как упоминалось выше, в случаях 2 и 3 потребление охлаждения существенно не отличается от такового в децентрализованных системах переменного тока. Однако циркуляционные насосы в распределительных системах работают непрерывно в течение 24 часов, таким образом, большую часть времени эффективность распределения потребления охлаждения низкая. Если электрические клапаны включения/ выключения установлены на стороне пользователя, а водяные насосы используют управление преобразованием частоты в случаях 2 и 3, то разница температур воды в системе охлажденной воды может быть увеличена, тем самым в определенной степени уменьшая потребление энергии распределительной системой в централизованной системе. Однако, с учетом десинхронизации и низкого коэффициента загрузки системы охлаждения в жилых зданиях, потребление энергии распределительной системой по-прежнему будет основным компонентом общего потребления.
4. В жилых зданиях секции, где централизованная функция сочетается с децентрализованной функцией, часто характеризуются высоким энергопотреблением.
Из приведенного выше анализа следует, что потребность в охлаждении в жилых зданиях имеет особенность неполного рабочего времени и неполного пространства. Эта функция вступает в противоречие с неотъемлемым преимуществом возможности регулировки в централизованных системах переменного тока. В реальных приложениях, когда возможности регулировки в терминалах переменного тока или распределительных системах ограничены, система часто будет потреблять много энергии.
В частности, в случае 2, процесс распределения тепла охлажденной воды между холодильными машинами и клеммами переменного тока становится
границей противоречия. Это противоречие делает распределение и потребление насосов для охлажденной воды основной причиной высокого энергопотребления. В случае 3 используется система бытового теплового насоса, таким образом, тепловые насосы и внутренняя теплопередача могут быть взятым целиком и обладать децентрализованной функцией. Однако система охлаждающей воды имеет постоянный расход. Сравнение между случаями 2 и 3, где используются оба тепловых насоса, указывает, что электроэнергия насосов охлаждающей воды в случае 2 составляет всего 20% от общего потребления, в то время как потребление системы охлаждающей воды в случае 3 составляет 51%.
Таким образом, из сравнения можно сделать вывод, что режим использования переменного тока, система распределения и возможность регулировки в значительной степени влияют на работу централизованной системы переменного тока. Особенно в жилых зданиях, где прохладно, поскольку нагрузка имеет особенность десинхронизации и низкий коэффициент нагрузки, предсказать правильный размер, метод управления и метод перекачки, которые подходят для всех типов ситуаций на этапе проектирования, сложно. Такое предсказание было бы сложной задачей и потребовало бы детального анализа.
3. Заключение
Данные из трех случаев проанализированы и обсуждены в этом исследовании, и представлены следующие выводы:
1. Когда централизованные системы переменного тока применяются в жилых зданиях, три реальных инженерных примера показывают, что возможность регулировки в каждом сегменте (терминал пользователя, холодильное оборудование и система распределения) будет значительно влиять на потребление энергии и эффективность системы.
2. Присущая нагрузке особенность десинхронизации и низкий коэффициент нагрузки повлияют на применение централизованных систем переменного тока в жилых зданиях.
3. Схема проектирования должна повысить эффективность работы системы при условии реализации возможности настройки системы.
Список литературы
1. Ананьев В.А. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. — 2003. — 416 с.
2. Баркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. — М.: Стройиздат, — 1982. — 273 с.
3. Белова Е.М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях / Е.М.Белова. — М.: ЕВРОКЛИМАТ, — 2006. — 639 с.
4. Белова Е.М. Системы кондиционирования воздуха с чиллерами и фэнкойлами, — 2003, — 400 с.
5. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. — М.: Издательство физико-математической литературы, — 2003. — 272 с.
6. Стефанов Е.В. Вентиляция и кондиционирование воздуха. — СПб.: Авок Северо-Запад. — 2005. — 399 с.
