Расчет системы кондиционирования офисных помещений на базе чиллера-фанкойлов

Информация о проекте

Проект охватывает офисные пространства, включающие в себя семь комнат общей площадью 150 квадратных метров с высотой помещений составляющей 3 метра. В коридоре установлен подвесной потолок системы «Armstrong». Комнаты оснащены возможностью естественного проветривания через функцию открывания и закрывания окон (согласно плану помещений, представленному на рисунке 1).

Важной особенностью является расположение фасада здания, выходящего на центральную улицу, где монтаж наружных блоков сплит-систем на фасаде запрещён.

Учитывая эти условия, для обеспечения комфортных климатических условий в офисах предлагается использование системы кондиционирования «чиллер-фанкойл». Чиллер (холодильная установка) предполагается установить на крыше здания. Фанкойлы (конвекторы) будут монтироваться под потолком в каждом из помещений.

Рис. 1. План этажа

Для надежной подачи горячей воды с температурой 45-40°С не только в летний период, но и во время переходных сезонов, когда система отопления еще не активирована, рекомендуется использовать чиллер с функцией «теплового насоса». Этот чиллер обеспечивает возможность работы в режимах «тепло-холод» благодаря реверсивному холодильному контуру (тепловому насосу) с высокой энергоэффективностью.

Чиллер имеет корпус из сплава, устойчивого к внешним условиям. Модель оснащена микропроцессорной системой управления, позволяющей точно настраивать, регулировать и оптимизировать функционирование устройства. Кроме того, предусмотрен пульт дистанционного управления, подключаемый к микропроцессору, для удобства контроля и настройки работы чиллера на расстоянии.

Система включает внутренние блоки (фанкойлы) и наружный блок (чиллер), соединенные стальными водогазопроводными трубами. Важно тщательно изолировать эти трубы для предотвращения конденсации на их поверхности при циркуляции хладагента с температурами Tподающ. = +7°С и Tобрат. = +12°С в режиме охлаждения. У каждого фанкойла имеется поддон для сбора конденсата, снабженный дренажным трубопроводом. Все дренажные трубы соединены в общий коллектор и подключены к существующей системе канализации. Коммуникации прокладываются в коридоре в области подшивного потолка. Для дренажных труб необходимо обеспечить уклон в 10 мм на каждый метр длины трубы.

Расчет холодопроизводительности фанкойла для кондиционирования помещения

1. Сбор исходных данных

• Объем помещения: 35 м³.
• Численность людей в помещении: 1 человек.
• Количество компьютеров: 1 шт.
• Наличие окна на южной стороне размерами 2000x1500 мм.

2. Расчет внутренних источников тепла

• Тепловыделение от человека: примерно 100 Вт.
• Тепловыделение от компьютера: от 300 до 400 Вт

3. Оценка внешних источников тепла

Для расчета внешних источников тепла важно учитывать несколько ключевых факторов, включая теплопередачу через окна, стены, потолок и пол, а также влияние тепла от смежных помещений.

а) Теплопередача через окно:

• Размер окна: 2000x1500 мм (3 м²).
• Расположение: южная сторона.
• U-значение окна: 2,8 Вт/м²·°С.
• Разница температур: 10°С.
• Тепловыделение через окно: 3 м² x 2,8 Вт/м²·°С x 10°С = 84 Вт.

б) Расчет тепловыделения через стены, потолок и пол:

• U-значение стен, потолка и пола: 0,5 Вт/м²·°С.
• Общая площадь: 40 м².
• Тепловыделение: 40 м² x 0,5 Вт/м²·°С x 10°С = 200 Вт.

в) Влияние тепла от смежных помещений:

• Разница температур: 5°С.
• Площадь смежных стен: 20 м².
• Тепловыделение: 20 м² x 0,5 Вт/м²·°С x 5°С = 50 Вт.

Общее тепловыделение от внешних источников: 84 Вт + 200 Вт + 50 Вт = 334 Вт.

4. Анализ вентиляции и инфильтрации воздуха

а) Вентиляционные потери:

• Рекомендуемые воздушные обмены: 3 обмена в час.
• Объем помещения: 35 м³.
• Общий объем воздуха в час: 35 м³ x 3 = 105 м³.
• Температурная разница: 10°С.
• Теплоемкость воздуха: 0.33 Вт·ч/м³·°С.
• Вентиляционные потери: 105 м³/ч x 0.33 Вт·ч/м³·°С x 10°С = 346.5 Вт.

б) Потери из-за инфильтрации воздуха:

• Инфильтрация: 0.5 обмена воздуха в час.
• Объем инфильтрируемого воздуха: 35 м³ x 0.5 = 17.5 м³.
• Тепловые потери: 17.5 м³/ч x 0.33 Вт·ч/м³·°С x 10°С = 57.75 Вт.

Общие потери тепла: 346.5 Вт + 57.75 Вт = 404.25 Вт.

5. Суммарный расчет тепловой нагрузки

• а) Внутренние источники тепла: Предположим, что общее тепловыделение от человека и компьютера составляет 500 Вт (100 Вт от человека и 400 Вт от компьютера).
• б) Внешние источники тепла: Как было рассчитано ранее, тепловыделение через окна, стены, потолок и пол составляет 334 Вт. Тепловыделение от смежных помещений и солнечного излучения также включено в эту цифру.
• в) Потери из-за вентиляции и инфильтрации: Общие потери тепла из-за вентиляции и инфильтрации были рассчитаны как 404.25 Вт.
• г) Суммирование всех нагрузок: Общая тепловая нагрузка: 500 Вт + 334 Вт + 404.25 Вт = 1238.25 Вт
• д) Применение коэффициента запаса: Для обеспечения надежности системы и компенсации возможных непредвиденных потерь применяется коэффициент запаса. Обычно используется значение в диапазоне от 10% до 20%. Предположим, что мы используем коэффициент запаса 15%: 1238.25 Вт * 15% = 185.74 Вт
• е) Итоговая Тепловая Нагрузка: Итоговая тепловая нагрузка для помещения: 1238.25 Вт + 185.74 Вт = 1423.99 Вт. Это итоговое значение тепловой нагрузки будет использоваться для определения холодопроизводительности фанкойла, необходимого для эффективного охлаждения помещения.

Обеспечение циркуляции хладагента в кондиционирующей системе достигается за счет установки насосной станции.

Насосные станции, оснащены автоматическими управляющими системами и всем необходимым технологическим оборудованием для их интеграции. Эти станции готовы к эксплуатации немедленно после их подключения к электросети и гидравлической системе здания.

Чтобы выбрать подходящие размеры и характеристики оборудования, входящего в систему кондиционирования, необходимо выполнить соответствующие расчеты.

Расчеты тепловых нагрузок и выбор оборудования

Для каждого помещения проводится анализ общего объема теплоизбытков. Исходя из этого анализа, подбираются модели фанкойлов, соответствующие по холодопроизводительности. Детали расчета и выбора фанкойлов представлены в таблице 2.

Учитывая общую холодопроизводительность всех фанкойлов, равную 19,6 кВт, выбирается чиллер, обладающий холодопроизводительностью 20,6 кВт и теплопроизводительностью 23,1 кВт. Эта модель выбрана из-за ее способности обеспечивать как охлаждение, так и нагрев, что делает её идеальной для использования в переходные периоды года, когда отопительная система еще не активирована.

В результате расчетов теплоизбытков были определены следующие параметры системы: общая тепловая нагрузка системы составляет 19,6 кВт, используемый теплоноситель — вода с параметрами температуры 7-12°С. Для соединения чиллера и фанкойлов используются стальные водогазопроводные трубы.

Чиллер выбран без встроенного насосного контура и имеет холодопроизводительность 20,6 кВт. Фанкойлы подобраны в соответствии с данными таблицы 1.

Гидравлический расчет системы

В случае использования чиллера с интегрированной насосной станцией (гидравлическим контуром), важно удостовериться, что предоставляемое давление достаточно для стабильной работы всей системы.

Если же применяется чиллер без встроенной насосной станции (гидравлического контура), то на основании данных гидравлического расчета подбирается соответствующая насосная станция.

Для визуализации системы «чиллер-фанкойлы» разрабатывается аксонометрическая схема, основанная на планах помещений. На схеме обозначаются номера отдельных участков системы и указываются их длины (см. рис. 2).

Определение потерь давления производится для самого удаленного фанкойла, в данном случае для фанкойла FC 30. Общие потери давления складываются из потерь, связанных с длиной трубопровода, и местных потерь на сопротивления. Потери, связанные с длиной, определяются с использованием таблиц для расчета водопроводных труб. Местные потери сопротивления могут быть оценены как 30% от потерь, связанных с длиной трубопровода.

Далее рассматривается методика гидравлического расчета на примере участка № 1, представленного на рисунке 2.

Рассмотрим методику гидравлического расчета на примере участка № 1 (см. рис. 2)

Рис. 2

Тепловая нагрузка участка Q1 определена как 19,7 кВт, что эквивалентно:

Q2 = 19,7 кВт, переведенных в калории, равно 19,7 / 1,16 · 1000 = 16 982 ккал/ч.

Согласно спецификациям, предоставленным производителем фанкойлов, температурный перепад воды на входе и выходе из фанкойла составляет Dt = 5°С. На основе этого параметра можно провести расчет объема воды, циркулирующего через участок № 1:

[Продолжение расчета водного расхода для участка № 1 системы кондиционирования]:

В данном участке расчет тепловой нагрузки Q2 составляет 16 896 ккал/ч, а теплоемкость воды © равна 1 ккал/кг·°С. Таким образом, расход воды G1 на этом участке вычисляется следующим образом:

G1 = 16 896 ккал/ч / (1 ккал/кг·°С × 5°С) = 3376 кг/ч, что эквивалентно примерно 0,939 литра в секунду.

Используя таблицу для расчета водопроводной системы, например, из «Справочника проектировщика», определяется, что подходящий диаметр трубопровода для данного участка составляет 32 мм. Это решение основано на условии, что скорость воды в системе не должна превышать 1 м/с.

Для расчета удельных потерь давления по длине R используется информация из того же «Справочника проектировщика». В данном случае удельная потеря давления составляет 77 мм водного столба на метр длины трубопровода.

а) Исходя из известной величины удельной потери давления R и длины рассматриваемого участка, можно вычислить общее сопротивление участка R_I. В данном случае оно составляет 385 мм водяного столба.

б) Подобный расчет повторяется для всех участков системы, и результаты этих расчетов заносятся в таблицу 2 для дальнейшего анализа и оптимизации системы.

в) Гидравлическое сопротивление для каждого фанкойла, равное 900 мм водяного столба, определяется на основе данных, предоставленных в каталогах производителя.

г) Для определения сопротивления теплообменника внутри чиллера, учитывая общий расход воды и выбранную модель чиллера. Обычно сопротивление теплообменника на воде берется из расчета 0.5 бар. Также падение давления 0.3 бар может быть Эти данные помогают точно определить эффективность и соответствие выбранного чиллера требованиям системы.

В рассматриваемом примере гидравлическое сопротивление теплообменника чиллера составляет 28 кПа, что эквивалентно 2800 мм водяного столба.

д) Для определения общих потерь давления в системе, сначала суммируются сопротивления всех участков. Затем к этой сумме добавляется 30% в качестве запаса на местные сопротивления. Это дает нам минимально необходимое давление, которое должна обеспечивать насосная станция. В данном случае, расчетное давление Dрн должно быть равно или превышать 106 кПа.

Расчетное давление DP определяется как сумма сопротивлений R1 плюс 30% от R1: 8154 мм вод.ст. + 0,3 × 8154 мм вод.ст. = 10600 мм вод.ст., что соответствует 106 кПа.

Используя диаграмму, выбирается модель насосной станции, способная обеспечивать давление в системе на уровне 135 кПа, что значительно превышает требуемые 106 кПа. Это гарантирует, что насосная станция будет способна поддерживать необходимое давление даже при возможных дополнительных потерях давления в системе.