Судовые системы индивидуального комфортного кондиционирования воздуха : Теория, схем. решения, принципы проектирования Бурцев, Сергей Иванович

Введение к работе

Актуальность, Истории отечественного развития судовых систем кондиционирования воздуха в' 1998 г. исполняется 100 лет. Впервые системой кондиционирования был оснащен в 1898 г. пароход "Кострома". В настоящее время, согласно правилам Регистра, на всех морских судах устанавливаются системы комфортного кондиционирования воздуха (СККВ).

Морской флот составляет основу промышленно-активной экономики и социальной политики страны и является важным источником валютных поступлений (до 6 млрд. долларов в год). Распад Советского Союза разрушил единство и целостность флота и по составу и тоннажу флот России несоразмерен требуемому объему морских внешнеторговых грузоперевозок. Принятая Правительством программа возрождения национального флота предусматривает постройку и пополнение транспортного флота 580 судами сбалансированной структуры общим дедвейтом 2,43 млн. т.

Практическое воплощение данной концепции в полном объеме требует не только значительных средств, времени и поэтапного осуществления, но и новых технических и технологических решений, направленных на совершенствование всего судового комплекса. В равной степени это относится и к судовым системам комфортного кондиционирования воздуха, удельный вес которых по капитальным и эксплуатационным затратам весьма значителен.

Во многих случаях проектирование систем комфортного кондиционирования воздуха необходимо вести с учетом индивидуальных физиологических особенностей человека, его физической деятельности и среды обитания. Особенно это относится к объектам со специфическими условиями жизнедеятельности (подводные н надводные суда, космические корабли и др.), которые можно рассматривать, как искусственно замкнутые или полузамкнутые экологические системы, обеспечивающие экипажу длительное существование.

Рейсовые испытания СККВ на судах 14 серий неограниченного района плавания, оснащенных центральными прямоточно-рециркуляционными одно-н двуканальными системами, проведенные специалистами НИИ "Санита" с целью обследования эффективности их работы, показали значительное отклонение параметров микроклимата от нормируемых на промежуточных режимах и неудовлетворенность экипажа повышенной или пониженной температурой воздуха в каютах (до 50 %), повышенной влажностью или сухостью воздуха (15^10 %), недостатком свежего воздуха (30-40 %) и т. д.

Причинами указанных недостатков являются несовершенство эксплуатируемых СККВ и применяемый в настоящее время в отечественной и зарубежной практике проектирования подход по обеспечению "среднего уровня комфорта", который не учитывает индивидуальных характеристик человека.

Требования программы возрождения флота по совершенствованию судового комплекса, и в том числе СККВ, и неудовлетворительные результаты не-

питаний действующих систем по обеспечению микроклимата позволяют сформулировать основную научно-техническую проблему диссертация следующим образом:

Разработка теоретической базы по созданию высокоэффективных систем кондиционирования воздуха, обеспечивающих комфортные условия но тепло-влажностному и газовому факторам с учетом индивидуальных особенностей человека при одновременном значительном повышении их энергетической эффективности.

Работа обобщает многолетние исследования и разработки, выполненные автором диссертации и под его руководством в Санкт-Петербургской Академии холода и пищевых технологий (б. ЛТИХП), а также в созданном им для решения практических задач Бюро техники кондиционирования и охлаждения. Исследования и разработки проводились в рамках реализации координационного научно-технического плана Минвуза РСФСР "Человек и окружающая среда", координационного плана АН СССР по проблеме "Теплофизика" № 1.9.1, межвузовской комплексной целевой программе "Энергия" № 08.04, государственной межвузовской программы Минвуза РСФСР "Учебная техника", а также в инициативном порядке по заданию промышленных предприятий и организаций Санкт-Петербурга и других регионов Российской Федерации.

Для решения сформулированной научно-технической проблемы было необходимо:

1. Провести теоретическое исследование по описанию и нормированию условий индивидуального комфорта в жилых помещениях по газовому, влаж-ностному и тепловому факторам с определением критерия, учитывающего субъективные характеристики человека.

2. Составить уравнение теплового комфорта человека с введением фактора субъекта.

3. Разработать математическую модель судовых СККВ с учётом внешних и внутренних факторов кондиционируемого объекта, системы и оборудования.

4. Провести количественный анализ применяемых на судах центральных прямоточно-рециркуляциолных одно- и двухканальных СККВ с определением их соответствия требованиям индивидуального комфорта.

5. Теоретически обосновать, разработать и сформулировать требования к судовым СККВ жилых помещений.

6. Разработать принципиально новые эффективные схемы судовых систем индивидуального комфортного кондиционирования воздуха (СИККВ) жилых помещений, математическую модель с учетом уравнений теплового и газового комфорта vi на основе качественно-количественного анализа подтвердить их соответствие сформулированным требованиям.

7. Провести сравнительный анализ энергетических показателей, приме
няемых на судах центральных прямоточно-рециркуляционных СККВ с реко
мендуемыми системами.

8. Сформулировать практические рекомендации по расчету, проектированию и анализу работы новых судовых СИККВ.

9. Разработать алгоритмы и программы компьютерного проектирования СИККВ.

Научная новизна:

1. Разработан принципиально новый по сравнению с используемым в настоящее время в отечественной и зарубежной практике проектирования СККВ подход к нормированию параметров микроклимата по газовому и тепловому факторам обитаемых (жилых) помещений, учитывающий субъективные характеристики человека и уровень его физической деятельности. Впервые предложен и введен критерий, зависящий от массы и поверхности теплообмена человека, учитывающий его индивидуальные характеристики.

2. Проведена научно обоснованная классификация видов физической деятельности человека с учетом массы субъекта. Впервые теоретически разработаны количественные оценки необходимого расхода наружного воздуха, основанные на потреблении человеком кислорода при различной активности и массе человека.

3. Сформулированы и получены уравнения индивидуального теплового и газового комфорта человека с использованием экспериментальных данных и методологического подхода проф. Фангерз и введением фактора субъекта. Впервые составлены диаграммы индивидуального теплового и газового комфорта, учитывающие температурно-влажностные параметры окружающего воздуха, теплоизолирующие свойстви одежды, уровень физической активности человека и его индивидуальные характеристики.

4. Создана математическая модель центральных прямоточно-рецнркуля-ционных СККВ и центрально-местных СИККВ с раздельной обработкой наружного и рециркуляционного воздуха. Проведена теоретическая разработка новых эффективных схем судовых СИККВ. Впервые в практике проектирования СККВ предложены схемы с функциональным разделением по обеспечению газовлажностного и теплового комфорта.

На защиту выносятся:

J. Общая теория центрально-местных систем индивидуального комфортного кондиционирования воздуха с раздельной обработкой наружного и рециркуляционного воздуха и функцинальным разделением по обеспечению газовлажностного и теплового комфорта,

2. Математическая модель СИККВ и созданные на основе ее качественно-количественного анализа схемы систем.

3. Новый подход к нормированию параметров микроклимата обитаемых (жилых) помещений по тепловому и газовому факторам с учетом фактора субъекта и уровня активности.

Новый подход и результаты, полученные в диссертации, я&тяются основополагающими для дальнейшего развития и совершенствования систем нн.тн-

нішуальмого комфортного кондиционирования воздуха обитаемых (жилых) помещений различного назначения - каюты на подводных и надводных судах, жилые огсеки на космических объектах, а также номера в гостиницах, купе-люкс на железнодорожном транспорте, офисы, кабинеты и т. д. Практическую ценность работы составляют:

1. Разработка и построение диаграмм комфорта с учетом фактора субъекта, учитывающего индивидуальные характеристики человека.

2. Классификация видов физической деятельности человека по его активное! и.

3. Разработанные номограммы, графики и формулы для определения
фактора субъекта, минимально необходимого расхода наружного воздуха, теп
лопродукции организма, влаговыделений и др. величин в зависимости от инди
видуальных характеристик человека.

4. Требования к СИККВ жилых помещений.

5. Схемы судовых СИККВ с раздельной обработкой наружного и внутреннего воздуха и разделением функций по обеспечению газовлажностного и теплового комфорта.

6. Рекомендации по проектированию и расчету судовых СИККВ жилых помещений.

7 Алгоритмы и программы компьютерного проектирования СИККВ.

Апробации работы. Основные положения и результаты диссертации «складывались на Всесоюзных научно-технических конференциях молодых специалистов по холодильной технике и технологии в г. Москве в 1977 г., по холодильной технике и технологии в г. Ташкенте в 1978 г., по использованию вторичных ресурсов в г. Ленинграде в 1979 г., по повышению эффективности процессов и оборудования холодильной и криогенной технике в г. Ленинграде в 1981 г., по современному состоянию и перспективам развития кондиционирования воздуха на судах, в г. Николаеве в 1984 г., по интенсификации производства и применения искусственного холода в г. Санкт-Петербурге (Ленинграде) в 1986, 1988, 1990, 1993 и 1995 гг.; на Всесоюзном семинаре "Использование искусственного холода" в г. Калининграде в 1983 г.; на научно-техническом совещании "Повышение энергетической эффективности СВ и KB" в г.Волгограде в 1986г. и в 1990г.; на международной научно-технической конференции "Холод и пищевые производства" в г. Санкт-Петербурге в 1996 г.; на международной конференции "Использование холода на транспорте в регионах с жарким климатом" в г. Астрахане в 1997 г.

По теме диссертации опубликовано более 30 статей, 3 монографии в соавторстве, получено 18 авторских свидетельств.

Вклад автора. Научная формулировка задач, решение основных теоретических, методологических и практических вопросов проектирования систем индивидуального комфортного кондиционирования воздуха, в т. ч. разработка и введение критериев и факторов, учитывающих индивидуальные особенное і и

человека и его активность, разработка принципов и алгоритмов программ ком пыотерного проектирования систем- выполнены лично автором диссертации. Отельные вопросы но различным направлениям диссертации разрабатывались совместно с аспирантами Кипннсом В. Л., Денисовым В. А., Борисевич Л. П., инженерами Царем В. Л., Комаровой Н. Л., Тарасовым В. Л. и получили дальнейшее развитие в их исследованиях и практической деятельности.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех і лав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на ,.*л?.7 страницах, включая .7.$^.. рисунков и .гуТ. таблиц. Список литературы включаеі Я-.7.Р.. наименований.