Тропический лес в центре столицы
Михаил Быстров, Ольга СеренковаA Review of modern adiabatic air-moisturizing systems and an example of using an air-moisturizing as a fog-forming system in a Green House of the main Botanical Garden of RAS. Greenhouse of the main Botanic Garden is a unique combination of a living museum of tropical and subtropical plants. The construction is a complex translucent envelope made of glass panes and energy saving properties on a metal frame.
Фондовая оранжерея Главного ботанического сада – это уникальное сочетание живого музея тропических и субтропических растений. Данное сооружение создавалось по специальному проекту с привлечением ведущих институтов Российской Федерации и Финляндии и представляет собой сложную светопрозрачную оболочку из стеклопакетов с энергосберегающими свойствами на металлическом каркасе.
 |
Объект относится к числу уникальных и сложных как в проектировании и строительстве, так и в обеспечении системами поддержания климата. Фондовая оранжерея состоит из двух корпусов общей площадью 6 000 м2. Первый корпус предназначен для экспозиций отдела «Водная и прибрежно-водная флора тропиков», а также для отдела «Влажный тропический лес». Во втором корпусе размещены отделы «Влажные субтропики и горы тропиков» и «Сухие субтропики». Круглый год здесь должна поддерживаться влажность воздуха 70–80 % и температура 28 °C. Поэтому в качестве наиболее оптимального решения была предложена адиабатическая система увлажнения воздуха Carel серии MC.
Распыление воды осуществляется при помощи сети форсунок, расположенных по всему объёму обслуживаемых помещений. Количество форсунок подобрано исходя из условий перекрывания общей площади отделений. Всего в оранжерее предусмотрено 252 форсунки производительностью 2,7 л/ч. В Фондовой оранжерее поддержание одного и того же уровня влажности, схожего с климатом тропического леса, необходимо осуществлять в течение всего года. Поэтому благодаря технологии адиабатического увлажнения, в летний период на этом объекте успешно функционирует система прямого испарительного охлаждения и увлажнения с минимальными энергозатратами. Во время работы на максимальную нагрузку система распыляет до 680 кг влаги в час, при этом расходуется не более 70 кВт электроэнергии, в том числе на работу воздушного компрессора.
Обеспечение микроклимата с требованиями круглогодичного поддержания одного и того же уровня влажности – очень сложная и энергоёмкая задача. Для оценки выбора решения, принятого для оранжереи Ботанического сада, проведём сравнительный анализ систем адиабатического и изотермического увлажнения воздуха.
| Распыление осуществляется при помощи сети форсунок, расположенных по всему объёму обслуживаемых помещений. Количество форсунок подобрано исходя из условия перекрывания общей площади отделений. Всего в оранжерее предусмотрены 252 форсунки производительностью 2,7 л/ч. |
Адиабатическим увлажнением называется процесс повышения влагосодержания воздуха с сохранением энтальпии – без подвода или отвода энергии из системы. Увлажнители, работающие по этому принципу, распыляют воду в виде мельчайших капель, которые моментально испаряются в воздухе.
 |
Поскольку подобный процесс сам по себе является энергозатратным, для испарения 1 л воды требуется подвести энергию около 0,71 кВт/ч. Далее происходит отбор явной теплоты от воздуха и перевод её в скрытую теплоту, т. е. с понижением температуры (рис. 1.).
 |
| Во время работы на максимальную нагрузку система распыляет до 680 кг влаги в час, при этом расходуется не более 70 кВт электроэнергии, в том числе на работу воздушного компрессора. |
В противоположность адиабатическому, изотермические системы увлажнения повышают влагосодержание воздуха без изменения его температуры – увлажнение происходит с подводом внешнего источника энергии (рис. 2).
 |
| В Фондовой оранжерее поддержание одного и того же уровня влажности, схожего с климатом тропического леса, необходимо осуществлять в течение всего года. Поэтому, благодаря технологии адиабатического увлажнения, в летний период на этом объекте успешно функционирует система прямого испарительного охлаждения и увлажнения с минимальными энергозатратами. |
Физически процесс изотермического увлажнения осуществляется путём смешивания воздуха с насыщенным паром, что наиболее часто реализуется при помощи паровых увлажнителей. Энергия для испарения влаги, как правило, используется электрическая, что существенно сокращает возможности применения данных систем. В среднем для вскипания 1 л воды требуется подвести 0,75 кВт/ч электроэнергии.
К примеру, для увлажнения 10 000 м3/ч приточного воздуха с 22 ˚С 1 %-й влажности до 22 ˚С 50 %-й требуется 101 кг пара в час, что соответствует затратам электроэнергии 76 кВт.
 |
В связи с подорожанием электроэнергии в настоящее время наиболее распространённым способом промышленного увлажнения воздуха является именно адиабатическая система.
Преимущество систем адиабатического увлажнения заключается в том, что для испарения влаги используется энергия окружающего воздуха, который зачастую нагревается водяными либо газовыми теплообменниками. Таким образом, на увлажнение затрачивается не дорогая электрическая, а более доступная тепловая энергия, что даёт существенную, до 6–8 раз, экономию в затратах на энерго-ресурсы.
Наиболее распространённые типы адиабатического увлажнения, применяемые в настоящее время в системах вентиляции:
К общим недостаткам поверхностных увлажнителей относится фактическое отсутствие возможности регулировать процесс испарения с поверхности материала, ввиду этого регулировка осуществляется установкой двух нагревателей. Производительность увлажнителя регулируется с помощью изменения температуры после первого нагревателя, а температура подаваемого вентиляционной установкой воздуха регулируется вторым нагревателем.
 |
Данный подход несёт в себе дополнительные затраты, такие как:
Исторически это были наиболее популярные системы адиабатического увлажнения воздуха, поскольку, несмотря на указанные выше недостатки, они могут работать на водопроводной воде и имеют относительно небольшой общий расход воды по отношению к испаряемой – примерно 2 к 1.
| Если предположить, что содержание солей в воде составляет 0,5 г на 1 л воды, то увлажнитель производительностью 100 кг/ч подаёт в помещение более 1 кг солей в сутки. |
Ситуация начала меняться в 80–90-х годах, после расследования вспышки легионеллёза в 1976 году унёсшей жизни 34 человек. В ходе биологических исследований выяснилось, что основными источниками распространения бактерий Legionella pneumophila являются системы поверхностного увлажнения воздуха в системах вентиляции и мокрые градирни в системах кондиционирования. В результате расследование причин вспышки в большинстве стран мира были разработаны механизмы защиты людей от распространения инфекции. В частности, это коснулось систем поверхностного увлажнения воздуха: согласно VDI 6022 использование подобных систем увлажнения требует в обязательном порядке проводить раз в 14 дней микробиологический анализ воды в увлажнителе, аналогичные меры принимаются и во многих странах мира.
В России, согласно СП 3.1.2.2626-10 (актуализация 21.05.2015), требуется производить микробиологический анализ не реже, чем 2 раза в год и при обнаружении биологической плёнки на поверхностях поддонов и (или) увлажняющих насадок. Ввиду этого в настоящее время используются в основном поверхностные увлажнители без рециркуляции.
Биологическая опасность увлажнителей без рециркуляции с точки зрения распространения бактерий Legionella pneumophila и других возбудителей существенно ниже, потому как вода на системы увлажнения поступающая из системы ХВС редко когда имеет температуру превышающую 15 ˚С и после прохождения через увлажняющие насадки сливается в системы канализации, тем самым минимизируется риск развития болезнетворных организмов непосредственно в самих системах увлажнения. Однако в виду низкой эффективности испарения воды на поверхности увлажняющих кассет соотношение количества затрачиваемой воды к количеству испарённой воды очень велико и, как правило, составляет 7–20 к 1.
Таким образом, использование подобных систем увлажнения воздуха приводит к существенному увеличению суммарных затрат на эксплуатацию по сравнению со всеми остальными типами адиабатических увлажнителей.
 |
В настоящее время наибольшее распространение среди форсуночных увлажнителей получили увлажнители с форсунками высокого давления (70–85 атм), обеспечивающие очень высокую степень испарения распылённой влаги, достигающую, как правило, 95–99% и высокую точность поддержания и регулирования влажности. Размер капель, производимых подобными системами увлажнения, зависит от диаметра форсунки, но, как правило, составляет 10–12 мкм. Для сравнения площадь поверхности 1 л воды, распылённого до диаметра капель 10 мкм, составляет 600 м2.
Небольшие размеры капель позволяют также конструировать камеры увлажнения компактного размера (от 700 мм) без существенных потерь степени испарения.
Затраты энергии на распыление воды при использовании подобных систем увлажнения минимальны и составляют 4–7 Вт на 1 кг/ч испарённой влаги, так же минимизируется сопротивление камеры увлажнения, поскольку единственным источником сопротивления воздушному потоку является каплеобойник, имеющий, в зависимости от скорости воздуха в канале, сопротивление от 15 Па до 70 Па. Низкое сопротивление по воздуху, в сравнении с увлажнителями поверхностного типа, позволяет снижать капитальные затраты на вентиляционную группу и эксплуатационные затраты путём снижения расхода электроэнергии потребляемой электродвигателями.
Если рассматривать подобные системы на примере оборудования humiFog производства компании Carel, то высокая точность поддержания параметров обеспечивается бесшаговой регулировкой насоса от 15 % до 100 %, а так же включением /выключением отдельных контуров увлажнителя, имеющих различное количество форсунок (рис. 4). Таким образом, обеспечивается практически линейная производительность системы увлажнения.
 |
Основным недостатком данных систем увлажнения является необходимость устанавливать системы обратного осмоса.
В случае эксплуатации оборудования без установки обессоливания, минеральные соли, содержащиеся в водопроводной воде, поступают в воздушный канал. Поскольку их размер составляет от 0,7 мкм до 1,0 мкм системы фильтрации, устанавливаемые в системах вентиляции, не задерживают значительное их количество, и они в подавляющем большинстве попадают в обслуживаемое помещение.
Из-за крайне небольшого размера, частицы длительное время задерживаются в воздухе внутри помещения, не оседая на поверхностях, и попадают в дыхательные пути людей, находящихся в обслуживаемом помещении. Согласно ГОСТ 12.1.005–88 максимальное содержание пылевых частиц в окружающем воздухе должно составлять 10 мг/1 м3.
Подобные системы на текущий момент являются основной альтернативой систем увлажнения с применением форсунок высокого давления и имеют рабочее давление 15–20 атм. Использование воды среднего давления и соответственно форсунок большего диаметра позволяет получать аэрозоль с диаметром капель в районе 15–20 мкм, что накладывает ограничения на размеры камеры увлажнения. Как правило, минимально необходимый пробег капель воздуха колеблется от 1 000 мм до 1 300 мм при степени испарения влаги 80–90%.
Поскольку данные системы увлажнения редко конструируются более чем с 2 контурами, диапазон и качество их регулирования уступает увлажнителям высокого давления с большим количеством контуров, однако зачастую оказывается приемлемым для подавляющего большинства сфер применений, не требующих очень высокой точности поддержания параметров влажности.
Одной из сфер применения данного типа увлажнения является косвенное охлаждение воздуха, требующее высокую степень насыщения. Основной принцип косвенного охлаждения заключается в адиабатическом увлажнении вытяжного воздуха перед рекуператором со снижением его температуры до точки близкой к температуре по мокрому термометру и передача «холода» через рекуператор приточному воздуху (рис. 5, рис. 6).
 |
 |
В состав такого увлажнителя входит блок управления, который по двум независимым линиям подаёт на распылительные форсунки сжатый воздух и воду под оптимальным давлением в зависимости от текущих условий работы.
Регулирование производительности данных систем увлажнения осуществляет за счёт изменения давления нагнетаемого воздуха, который в свою очередь управляет движением иглы внутри калибровочного отверстия (рис. 6.). Вода засасывается в струю воздуха через отверстие в центре расширительной камеры, а именно в точке максимальной скорости и турбулентности. В большинстве случаев увлажнители с пневмофорсунками позволяют получать аэрозоль с наименьшим диаметром капель влаги (от 5 мкм до 8 мкм).
Использование систем увлажнения с пневмофорсунками позволяет за счёт высокой скорости испарения достигать степени насыщения воздуха 98%, однако, несмотря на очевидные преимущества, данные системы увлажнения достаточно редко применяются в системах центрального кондиционирования по причине относительно высоких капитальных затрат на установку воздушных компрессоров, а так же редкости задач, требующих высокую степень насыщения воздуха.
Для увлажнения воздуха непосредственно в помещениях в большинстве случаев используются увлажнители с форсунками высокого давления, либо с пневмофорсунками, связано это с тем, что данные системы увлажнения имеют наименьший размер капель и, следовательно, наибольшую скорость испарения среди всех атомайзеров.
Благодаря малому диаметру капель данные системы могут так же использоваться для имитации природного тумана, т. е. насыщения воздуха до влажности свыше 95% с постоянной мелкодисперсной водной фракцией, поскольку малый диаметр капель позволяет достаточно длительное время оставаться в подвешенном состоянии благодаря броуновскому движению молекул воздуха. В зависимости от степени насыщения воздуха могут формироваться как лёгкие, так и тяжёлые туманы (имеющие водность до 1,5 г влаги на 1 м3 воздуха).
Так же на формирование туманов влияют габариты помещения, большая длина пробега капли позволяет за счёт трения погасить начальную кинетическую энергию.
Подобная система туманообразования реализована в оранжерее Главного ботанического сада им. Н. В. Цицина Российской академии наук, где увлажнители Carel серии MC позволяют добиваться тяжёлого тумана высокой водности.
|
Об авторах: |
|
Об авторах: Михаил Быстров – технический менеджер «ТЕРМОКОМ-Инжиниринг». |
Ренато Лаззарин и Луиджи Налини, Увлажнение воздуха. Технические, санитарно-гигиенические и энергетические аспекты увлажнения воздуха, CAREL, 2004. ●
| О компаниях: |
|
Группа компаний ТЕРМОКОМ предоставляет услуги в области разработки и реализации проектных решений, автоматизации, поставки климатического оборудования и его сервисного обслуживания. |
|
Компания Carel (Италия) наряду с системами увлажнения предлагает средства для построения мощных, гибких и надёжных систем
|
Публикуется на правах рекламы
СТАТЬИ ПО ТЕМЕ:
«Пулково Скай»: новые стандарты комфорта микроклимата
Климатическое оборудование Aermec
Современные тенденции климатической техники в России: анализ рынка и прогнозы
Климатический центр в Бремерхафене
Прямое испарительное охлаждение в офисе. Возрождение в Фениксе
