Технико-экономическая оптимизация воздуховодов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технико-экономическая оптимизация воздуховодов

А.И. Василенко

А.А. Федосенко

В России 40% топлива и до 10% производимой электроэнергии тратится на обеспечение работы систем отопления, охлаждения, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха зданий [1]. В общем энергопотреблении системами инженерно-технического обеспечения зданий значительная доля приходится на системы кондиционирования воздуха и вентиляции (СКВиВ) [2]. Зарубежная практика показывает, что в современных зданиях СКВиВ потребляют более 40% от общей электрической мощности, потребной для жизнеобеспечения зданий [3-5]. В то же время с каждым годом увеличивается доля затрат на СКВиВ в общих затратах на строительство и эксплуатацию зданий, поэтому поиск решений, направленных на энергосбережение и оптимизацию СКВиВ приобретает в настоящее время важнейшее значение. Исследования по данной проблематике осуществляются в разных направлениях - повышение аэродинамической эффективности систем [6-8], совершенствованию алгоритмов управления СКВиВ [9], разработки эффективного и энерго-экономичного вентиляционного оборудования [10]. Одной из значимых задач в этой области является технико-экономическая оптимизация размеров поперечных сечений воздуховодов. Постановка задачи очевидна - с уменьшением размеров поперечных сечений воздуховодов уменьшается их стоимость, но увеличиваются потери давления воздуха и, следовательно, электропотребление вентилятором системы. Это дает основание предположить возможность поиска размеров поперечного сечения воздуховода, соответствующих технико-экономическому оптимуму затрат на устройство воздуховода и эксплуатационных расходов на электроэнергию, необходимую для транспортировки воздуха по данному воздуховоду. Основы исследований в этом направлении оптимизации вентиляционных систем были заложены Л.Д. Богуславским, разработавшим способ оптимизации поперечных сечений воздуховодов по методу приведенных затрат [11]. Однако алгоритм данного метода не позволял получить общее аналитическое решение задачи. Кроме того, этот метод был разработан в конце ХХ века, до коренного изменения экономических реалий в России, поэтому его использование для оптимизации воздуховодов в настоящее время невозможно без внесения необходимых корректив.

Выделим произвольный участок вентиляционной системы и рассмотрим влияние вариации диаметра воздуховода на затраты по его устройству и эксплуатации. Отнесем данные затраты к 1 году эксплуатации вентиляционной системы.

Затраты на устройство воздуховода с круглой формой поперечного сечения, длиной l, м, отнесенные к 1 году его эксплуатации, С_м, руб./год, пропорциональны диаметру воздуховода, D, м, и равны

(1)

где - коэффициент, учитывающий увеличение затрат на устройство воздуховода из-за наличия фасонных деталей на рассматриваемом участке вентиляционной системы; с_м, руб/м²•год - затраты на устройство воздуховода, отнесенные к 1 м² его поверхности и к одному году эксплуатации,

Годовые затраты на электроэнергию, , кВт час/год, необходимую для транспортировки заданного объемного расхода воздуха, L, м³/с, по рассматриваемому участку воздуховода, равны

(2)

где N_эл - электрическая мощность, потребляемая электродвигателем вентилятора, кВт; ?Р - потери давления воздуха в воздуховоде, Па; n - число часов работы вентиляционной установки в год, час/год; с_эл - стоимость электроэнергии, руб/кВт•час; b_м.с. - коэффициент, учитывающий потери давления воздуха в местных сопротивлениях на участке; з - интегральный кпд вентилятора.

Зависимость (2) приводится к виду:

(3)

где с - плотность воздуха, кг/м³.

Общие, отнесенные к 1 году, затраты на устройство и эксплуатацию воздуховода на участке, С, руб/год, c учетом (1) и (3) равны:

(4)

Из анализа таблиц аэродинамического расчета воздуховодов нами установлено, что вариация диаметров воздуховодов не приводит к значимым изменениям коэффициента трения при условии L =const и диапазоне изменения скоростей воздуха в воздуховоде от 3,0 до 12,0 м/с. Это позволяет при вариации диаметра воздуховода рассматривать последнюю зависимость как функцию одной переменной .

С учетом этого минимум функции (4) соответствует оптимальному в технико-экономическом отношении диаметру воздуховода, , м, который определяется двумя условиями:

;

.

Из последней зависимости:

(5)

Проверка вида экстремума:

Следовательно, D_опт., определенный по формуле (5), соответствует минимуму выражения (4)

Оптимальная скорость движения воздуха в воздуховоде, w_опт, м/с, соответствующая его оптимальному диаметру, равна:

(6)

Комплекс А в формуле (6) объединяет аэродинамические и технико-экономические характеристики прямолинейного воздуховода и местных сопротивлений на участке вентиляционной сети. Функция w_опт = f(А) в графическом виде представлена на рис. 1.

Необходимо отметить, что в зависимость (6) не входит объемный расход воздуха на участке, поэтому данная зависимость носит универсальный характер и применима для любого участка, независимо от его местоположения в вентиляционной системе.

Вид зависимостей (5) и (6) позволяет включить их в компьютерные программы аэродинамического расчета воздуховодов.

Конкретизируем полученные результаты на практическом примере.

Определим значения D_опт и w_опт для воздуховода вентиляционной системы при следующих исходных параметрах: L = 3600 м³/час; =0,017; =5,0 руб/кВтчас; = 0,75; с_м = 200 руб/м²год; b_м.с.= 1,5; = 1,3; с = 1,2 кг/м³.

Рассмотрим два варианта эксплуатационного режима системы:

а) при круглосуточной работе вентиляционной системы:

n =8760 час/ год, D_опт=0,455 м, А=0,145; и w_опт = 6,2 м/с.

б) при работе вентиляционной системы 12 часов в сутки:

n = 4380 час/год, D_опт=0,400 м; А =0,290; w_опт = 7,8 м/с.

Рис. 1. График зависимости w_опт = f(А)

Технико-экономические характеристики вентиляционной системы и режим ее эксплуатации оказывают существенное влияние на величину оптимальной скорости воздуха в воздуховодах. Повышение затрат на устройство воздуховодов, уменьшение часов работы вентиляционной системы в сутки, снижение доли затрат на фасонные части воздуховодов, уменьшение стоимости электроэнергии приводят к увеличению w_опт. и, соответственно, к уменьшению D_опт.

Литература

воздуховод вентиляция поперечный сечение

1. Кокорин О.Я. Энергосбережение в системах отопления, вентиляции, кондиционирования. М.: Издательство АСВ, 2013. 256 с.

2. Абрамян С.Г., Матвийчук Т.А. К вопросу энергетической эффективности зданий и сооружений // Инженерный вестник Дона, 2017, № 1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/3993/.

3. K.F. Fong, V.I. Hanby, and T.T. Chow, - HVAC system optimization forenergy management by evolutionary programming//Energy Build., vol. 38, no.3, pp. 220 -231, 2006.

4. E. Mathews, C. Botha, D. Arndt, and A. Malan, - HVAC control strategies to enhance comfort and minimise energy usage // Energy Build., vol. 33, no. 8, pp. 853 - 863, 2001.

5. Wong Kwok Wai Johnny. Development o f Selection Evaluation and System Intelligence Analytic Models for the Intelligent Building Control Systems, Hong Kong Polytechnic University, 2007. - 414 p.

6. Караджи В.Г., Московко Ю.Г. Способы увеличения аэродинамической эффективности вентиляционных систем //АВОК, 2009, № 5. С. 28.

7. Галкина Н.И. КПД систем вентиляции // Инженерный вестник Дона, 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4106.

8. Василенко А.И. Исследование параметров работы вентилятора в термически нестационарной вентиляционной системе // Инженерный вестник Дона, 2017, № 4: URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4397.

9. Нгуен Суан Мань. Алгоритм управления подсистемой отопления, вентиляции и кондиционирования в составе интеллектуального управления зданием// Инженерный вестник Дона, 2015, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3178.

10. Гвоздков А.Н., Суслова О.Ю., Авдонин А.В., Викстрем А.А. Разработка современных энергоэффективных воздухоприготовительных центров систем кондиционирования воздуха и вентиляции // Инженерный вестник Дона, 2017, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4195.

11. Богуславский Л.Д. Экономика теплоснабжения и вентиляции. М.: Стройиздат, 1988. - 351 с.

Размещено на Allbest.ru