Модернизация системы кондиционирования на судах типа Стэркодер

1. ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

1.1. Значение систем кондиционирования воздуха

Здоровье, работоспособность и просто самочувствие человека в значительной степени определяются условиями микрокли­мата и воздушной среды в жилых и обще­ственных помещениях, где он проводит зна­чительную часть своего времени. Что это за воздух, какова его свежесть и чис­тота, душно, жарко или холодно человеку в помещении, во многом зависит от инженер­ных систем, специально предназначенных для обеспечения воздушного комфорта.

Среди таких систем можно выделить: си­стему вентиляции, систему отопления (либо комбинированную отопительно-вентиляционную систему) и систему кондиционирова­ния воздуха (СКВ). Воздушное отопление, совмещенное с вентиляцией, создает в поме­щении вполне удовлетворительный микро­климат и обеспечивает благоприятные усло­вия воздушной среды. Принципиаль­ное преимущество СКВ состоит в том, что, поми­мо выполнения задач вентиляции и отопле­ния, СКВ позволяет создать благоприятный микроклимат (комфортный уровень темпе­ратур) в летний, жаркий период года, благо­даря использованию в своем составе фрео­новой холодильной машины.

Таким образом, подготовка воздуха в СКВ может включать его охлаждение, нагрев, увлажнение или осушку, очистку (фильтра­цию, ионизацию и т.п.), причем система по­зволяет поддерживать в помещении задан­ные кондиции воздуха независимо от уровня и колебаний метеорологических параметров наружного (атмосферного) воздуха, а также переменных поступлений в помещение теп­ла и влаги.

Следует отметить, что системы конди­ционирования по своему назначению под­разделяются на комфортные и технологичес­кие.

Комфортные СКВ предназначены для создания и автоматического поддержания температуры, относительной влажности, чи­стоты и скорости движения воздуха, отвеча­ющих оптимальным санитарно-гигиеничес­ким требованиям.

Технологические СКВ предназначены для обеспечения параметров воздуха, в мак­симальной степени отвечающих требовани­ям определенного производственного или технологического процесса.

1.2. Комфортные условия

На теплоощущения человека оказывают влияние, в основном, следующие четыре фак­тора: температура и влажность воздуха, ско­рость его перемещения (подвижность) и тем­пература ограждающих поверхностей помещения. При различных комбинациях этих параметров тепловые ощущения чело­века могут оказываться одинаковыми.

Необходимо иметь в виду, что, хотя, теплоощущение и определяется перечисленны­ми параметрами, не любое их сочетание обеспечивает комфортные условия. Каждый из этих параметров может быть изменен не про­извольно, а только в некоторых определен­ных пределах, удовлетворяющих условиям комфортных теплоощущений.

1.2.1. Температура

Знание допустимых пределов колебаний температуры, влажности и подвижности воз­духа позволяет регламентировать примене­ние тех или иных видов СКВ.

Если человек не ощущает ни холода, ни перегрева, ни движения воздуха около тела, метеорологические кондиции окружающей его воздушной среды (с учетом температуры поверхности ограждений) считаются в тепловом отношении комфортными.

Иными словами, он чувствует себя ком­фортно в том случае, когда от него отводит­ся столько тепла, сколько вырабатывает его организм, т.е. комфортное теплоощущение человека зависит от баланса между теплогенерацией и теплопотерями в окружающую среду. В результате теплогенерации и теплопотерь внутренняя температура человечес­кого тела поддерживается на уровне 36,6-36,8°С и управляется довольно сложным ме­ханизмом автоматической терморегуляции организма. Температура кож­ного покрова человека зависит от парамет­ров окружающего воздуха и, в среднем, равна 33°С.

Благодаря автоматической терморегу­ляции организма человек приспосаблива­ется к изменению параметров окружающе­го воздуха. Однако эта терморегуляция эффективна лишь при медленных и малых отклонениях параметров от нормальных, необходимых для хорошего самочувствия. При больших и быстрых отклонениях па­раметров воздушной среды нарушаются физиологические функции организма: тер­морегуляция, обмен веществ, работа сер­дечно-сосудистой и нервной системы и т.п. При этом могут наблюдаться и серьезные отклонения в организме человека. Напри­мер, у людей, попавших в условия "перегре­ва", повышается температура тела, резко снижается работоспособность, появляется повышенная раздражительность и т.п.

На диаграмме (рис. 1.1.) приведена зави­симость производительности труда от изме­нения температуры окружающей среды. Как видим из графика, наблюдается резкое паде­ние показателей производительности труда при превышении температуры более 26 °С.

Задача кондиционирования воздуха со­стоит в поддержании таких параметров воз­душной среды, при которых каждый чело­век благодаря своей индивидуальной системе автоматической терморегуляции организма чувствовал бы себя комфортно, т.е. не заме­чал влияния этой среды.

С гигиенической точки зрения наибо­лее благоприятный уровень температуры, поддерживаемой в жилом помещении, со­ставляет 22°С, а допустимые колебания от 21 до 23 °С. Более низкая температура воз­духа, например 18 °С, рекомендуемая в нор­мативных материалах при проектировании отопительных систем, оценивается как "прохладно" и "холодно".

Рис. 1.1. Зависимость производительности труда от изменений температуры окружающей среды

При этом следует отметить, что в микро климатических условиях, которые принято считать "нормальными" обычно до 10% людей ощущают различную степень дискомфорта. Это объясняется разными социальными условиями жизни: привычным климатом, одеждой, питанием, жилищными условиями и пр.

Известным исследователем параметров комфорта и качества воздушной среды Оле Фангером предложена формула теплового ба­ланса между человеческим телом и окружа­ющей средой. В этой формуле принимается за основу теплообмен человека, находящего­ся в покое, в состоянии температурного ба­ланса с внешней средой. При этом безразлич­но, какова точно его температура. В этих условиях вырабатываемое количество тепла равно теплу, отводимому во внешнюю сре­ду, из чего следует:

где

М - количество тепла, вырабатываемого организмом, Вт/кв.м;

W - объем производимой механической работы, Вт/кв.м;

Qд - общее количество тепла, выделяемого при дыхании, Вт/кв.м;

Qк- общее количество тепла, отводимого через кожу, Вт/кв.м.

Количество отводимого от человеческого тела тепла зависит от нескольких переменных параметров и, главным образом, от следую­щих:

разницы температур (положительной или отрицательной) между телом и окружа­ющей воздушной средой;

потерь ( или получения) тепла от ок­ружающих стен;

кожных испарений (охлаждения при испарении);

явных и скрытых потерь тепла при ды­хании, соответственно за счет теплопроводности и испарения.

Теплота, выделяемая организмом челове­ка, передается в окружающую среду через кожный покров радиационным теплообме­ном, конвекцией, теплопроводностью (явная теплота) и испарением (скрытая теплота), а также путем выдыхания теплого воздуха.

Радиационный теплообмен происходит между человеком и поверхностями огражде­ний, его величина и направление зависят от температуры этих поверхностей. Теплота, пе­редаваемая конвекцией и теплопроводностью, зависит от температуры, влажности и ско­рости воздуха, вида и теплопроводности одеж­ды.

Испарение влаги с поверхности тела че­ловека (скрытый теплоотвод) осуществляет­ся за счет разности парциальных давлений водяных паров в насыщенном слое у повер­хности тела и в воздухе помещения. При этом расходуется теплота (энергия) организма, идущая на испарение влаги. Теплоотдача ис­парением будет всегда тем больше, чем ниже значение относительной влажности при дан­ной температуре воздуха в помещении. Уменьшение относительной влажности при­водит к увеличению разности парциальных давлений пара у поверхности тела человека и в окружающем воздухе и тем самым к уве­личению испарения.

Комфортные кондиции воздушной сре­ды могут иметь различные значения и зависят главным образом от интенсивности тру­да, совершаемого человеком, и его одежды.

В зависимости от состояния организма (сон, отдых, умственная работа, мускульная работа различной интенсивности) и пара­метров окружающей воздушной среды каж­дый человек в течение часа выделяет 330 -1050 кДж теплоты, 40 - 415 г влаги и 18-36 л углекислого газа.

При постоянной температуре воздуха и поверхностей ограждений с ростом физичес­кой нагрузки на организм человека увеличи­ваются общие тепловыделения и доля тепло­ты, отводимой испарением влаги. При неизменной нагрузке и повышении темпера­туры окружающей среды уменьшается доля явного теплоотвода, а теплоотвод испарени­ем возрастает при практически неизменных общих тепловыделениях.

1.2.2. Влажность

Если человек занимается физическим тру­дом, то он выделяет пот. Тот, кто не выделяет видимого пота, также выделяет влагу (водя­ной пар), причем среднее количество этой вла­ги составляет около 900 г в сутки. Около трети этого количества выдыхается через легкие, ос­тальная часть выделяется кожей. С другой сто­роны, человеческий организм требует, чтобы выделяемая влага возмещалась не только впи­тыванием ее из жидкостей и пищи, поступаю­щих в желудок, но и при дыхании через легкие.

Поэтому очень важно, чтобы состояние воздуха в помещении допускало дальнейшее насыщение воздуха водяными парами, вы­деляемыми находящимися в помещении людьми, которые только при этом условии могут чувствовать себя хорошо. Окружаю­щий нас воздух будет поглощать водяной пар до тех пор, пока не будет достигнуто такое насыщение, после которого любое дополни­тельное количество водяного пара начнет выпадать в виде конденсата: воздух с очень высоким содержанием водяного пара не мо­жет поглотить излишнее количество водяно­го пара, выделяемого человеком. Это вызы­вает обильное потение и утомление, так как дыхание становится все более тяжелым, и организм, пытаясь компенсировать потерю влаги, выделяемой при чрезмерном потении, поглощает все больше и больше жидкости. Такое состояние воздуха преобладает в жар­кие летние месяцы.

Влияние влажности воздуха на теплооб­мен человека зависит от основных парамет­ров микроклимата: температуры воздуха и теплового излучения.

Высокая влажность в сочетании с высо­кой температурой ухудшает теплообмен че­ловека с окружающей средой, что приводит к перегреву организма. Наиболее оптимальной считается относи­тельная влажность воздуха в диапазоне от 30 до 60%. Верхняя граница влажности состав­ляет около 70%.

Превышение указанных параметров влажности воздуха в условиях как высоких, так и особенно относительно низких темпе­ратур крайне нежелательно. При низком влагосодержании воздуха, характерном для хо­лодного периода, возрастает отдача тепла человеком за счет интенсивного испарения влаги с поверхности тела, высыхают поверх­ности слизистых оболочек дыхательных пу­тей, что способствует прониканию болезнет­ворных микроорганизмов в органы дыхания, восприимчивости организма к простуде и другим заболеваниям.

Воздух с очень низким содержанием во­дяного пара также оказывает неблагоприят­ное воздействие на кожу человека: она ста­новится сухой, шероховатой и может растрескиваться от натяжения. Очень сухой воздух обычно бывает зимой в теплых по­мещениях. Нижняя граница влажности со­ставляет около 20%. При более низких зна­чениях влажности существенно возрастает дискомфорт и опасность заболевания рини­тами и фарингитами у людей, постоянно на­ходящихся в условиях пониженной влажно­сти воздуха в помещении.

Для того чтобы избежать вредного вли­яния чрезмерной влажности или, наоборот, сухости воздуха, его необходимо осушать в летние месяцы, и увлажнять зимой. Этот дву­сторонний процесс и является одной из ос­новных функций системы кондиционирова­ния воздуха.

1.2.3. Скорость движения воздуха

Температура и относительная влажность воздуха не определяют полностью теплофизическое состояние среды. Немаловажное значение играет подвижность воздуха, Отсутствие движения воздуха в помещении или чрезмерно низкие его значения ассоциируются с плохой вентиляцией. Причи­на неприятного самочувствия в плохо вен­тилируемом помещении объясняется тем, что при отсутствии движения воздуха вок­руг тела человека образуется тонкая непод­вижная воздушная оболочка, которая быст­ро насыщается парами воды, принимает его температуру и уменьшает теплоотдачу.

Легкое движение воздуха сдувает обво­лакивающий человека насыщенный водяны­ми парами и перегретый слой воздуха.

Если температура окружающей среды ниже температуры тела человека, то с повы­шением подвижности воздуха потеря тепла человеком возрастает. Для сохранения ком­фортных условий необходимо либо увели­чить относительную влажность воздуха, уменьшив тем самым испарение, либо уве­личить его температуру.

В то же время чрезмерная подвижность воздуха, особенно в условиях охлаждения, вызывает увеличение теплопотерь конвекци­ей и испарением и способствует быстрому охлаждению организма.

Значение подвижности воздуха выбира­ется в зависимости от характера деятельно­сти человека. Подвижность воздуха, кроме того, оказывает существенное влияние на состояние внутренней среды помещения: распределение температур и влажности по объему помещения, наличие застойных зон и т.д. Подвижность воздуха зависит от спо­соба организации воздухообмена, типа воз­духораспределительного устройства, скоро­сти выпуска воздуха и его расхода.

Еще одним важным компонентом комфортного состояния является динамика из­менения скорости движения воздуха. Уста­новлено, что люди более чувствительны к изменениям скорости воздушных потоков, чем к силе самих потоков.

1.2.4. Газовый состав

Воздушный комфорт человека в закрытом помещении определяется качественной характеристикой комнатного воздуха, которая во многом зависит от количества поступающего свежего атмосферного воздуха. Жалобы на духоту и "нехватку кислорода" отмечаются нередко как в помещениях с недостаточным естественным воздухообменом, так и в помещениях, уже оснащенных различными системами вентиляции и кондиционирования воздуха. При анализе причин ощущения несвежести воздуха в закрытых помещениях, как правило, решается вопрос: каким должен быть воздухообмен, чтобы был обеспечен оптимальный газовый состав воздуха в помещениях?

Допустимые значения концентрации углекислого газа (СО2) в воздухе.

Таблица 1.1

Рекомендуемый в работах большинства исследователей объем свежего воздуха, который необходимо подавать в помещения, установлен на основании количества углекислоты, выделяемой человеком при дыхании в единицу времени. Эта величина зависит от нескольких переменных: температуры возду­ха в помещении, возраста человека, его деятельности.

В условиях комфортного кондиционирования, когда газовый состав изменяется глав­ным образом в результате жизнедеятельности людей, критерием санитарного состояния воздуха служит содержание в нем углекислого газа (СО2). Допустимые значения концентрации СО2 в помещении показаны в табл. 1.1.

В обычных условиях в состоянии покоя человек поглощает в час около 19л кислорода и выделяет около 16л углекислого газа.

Действие углекислого газа на организм человека хорошо известно. Он участвует в регуляции дыхания, кровообращения, газообмена и т.д.

Избыток и недостаток СО2 во вдыхаемом воздухе одинаково вредно отражаются на состоянии организма. При недостатке СО₂, когда его допустимая концентрация К< 0,03%, расстраивается работа указанных органов, а при избытке, когда К> 1,5%, ощущаются наркотическое действие, головные боли и т.п. Установлено, что работоспособность и основ­ные физиологические функции организма значительно не изменяются, если в воздухе К=0,51,5%. Комфортной же зоне соответствуют: К= 0,04О,5%.

Процесс освежения внутреннего воздуха целесообразно осуществлять за счет организации регулируемого притока наружного воздуха.

Действующими санитарными нормами регламентируется подача в помещение на одного человека 20-60 м3/ч свежего (приточного) воздуха.

Необходимость повышенной кратности воздухообмена отмечается многими исследователями гигиенических аспектов комфортного кондиционирования. Так, например, отмечается, что в помещениях административных зданий с кондиционированием воздуха комфорт обеспечивается при температуре воздуха в помещении 24°С и кратности воздухообмена до 12 смен воздуха в час. При повышении температуры воздуха до 26°С оптимальные условия сохраняются лишь при кратности воздухообмена, возрастающей до 15 смен в час. При снижении температуры воздуха до 22°С величина воздухообмена должна соответственно уменьшаться.

В жилых помещениях при увеличении объемов подаваемого воздуха с 20 до 60 м3/ч на человека отмечается улучшение функционального состояния организма, повышается работоспособность.

Следовательно, с увеличением количества поступающего в помещение воздуха на человека и кратности воздухообмена прослеживается достаточно четкое улучшение качества воздушной среды.

1.3. Технологические условия

Требования технологического кондици­онирования воздуха базируются на произ­водственной необходимости поддержания определенных параметров воздушной среды при ведении многих технологичес­ких процессов в различных отраслях промышленности, а также для обеспечения ра­ботоспособности радиоэлектронного оборудования, высокоточных станков, при­боров и т.п.

Определенное состояние воздуха является необходимым, а часто и решающим условием для осуществления многих, особенно новейших, технологических процессов. Здесь, наряду с пищевой, текстильной, кожевенной, бумажной промышленностью необходимо выделить производство электронных прибо­ров, полупроводников, телерадиосистем, продукции точного машиностроения и прибо­ростроения, промышленное производство искусственных материалов, волокон и др. Создание в медицинских учреждениях чистой, стерильной воздушной среды с заданными температурными и влажностными условиями является важной составляющей успешного лечения людей. Большое значение имеет техника кондиционирования в создании стро­го заданного температурно-влажностного режима на объектах для переработки и хранения сельскохозяйственной продукции, в животноводческих и культивационных сооружениях.

Существенное значение имеют СКВ и для обеспечения безотказной работы мощных ЭВМ и телефонных станций, при выполнении исследований в области биологии, физики, химии, при работе с радиоактивными веществами, при хранении измерительных эталонов и работе с ними.

Здесь перечислены далеко не все возможные сферы использования технологического кондиционирования, но и представленные производственные отрасли и технологии убедительно показывают, что значение кондиционирования воздуха из года в год возрастает и находит все большее применение в высокотехнологичных отраслях.