Klimatizacija i ventilacija

FAKULTET TEHNIČKIH NAUKA NOVI SAD Industrijsko inženjerstvo i menadžment Inženjerski menadžment/Energetski menadžment

Seminarski rad iz predmeta ENERGETSKI SISTEMI na temu SISTEMI ZA KLIMATIZACIJU I VENTILACIJU

Student: Stojaković Dragan

Profesor: Petrović Jovan Novi Sad, 2009.

Sadržaj 1 Uvod i opšti pojmovi 2 Sistem za ventilaciju 2.1 Tipovi ventilacije 3 Sistem za klimatizaciju 3.1 Tipovi sistema za klimatizaciju 3.2 Sistem za hladjenje 3.2.1 Princip rada sistema za hladjenje 3.2.2 Elementi sistema za hladjenje 3.3 Sistem za grejanje 4 Upotreba sistema za klimatizaciju 5 Zaključak 6 Literatura

1 Uvod i opšti pojmovi Od svog nastanka čovek je težio da svoje životno okruženje prilagodi sebi. S obzirom da je čovekova tolerancija relativno mala po pitanju uslova životnog okruženja, jasno je da je to bio osnovni uslov opstanka. Civilizacijski razvoj i unapredjenje tehnika prilogadjavanja sredine omogućili su nastanjenost ljudske vrste u gotovo svim predelima na Zemlji. Ono što se od nastanka čoveka javilo kao potreba to je održavanje životnog prostora u potrebnim temperaturnim amplitudama i prisustvo vazduha u potrebnoj koncentraciji. Tehnikom zagravanja prostora čovek je ovladao vrlo rano, a vazdušna koncentracija je prirodno bila uravnotežena. U modernim uslovima života, sa životnom prostorom koji je sve samo nije prirodan, kao uslov opstanka javila se potreba za održavanjem pomenutih parametara u domenu prihvatljivom za čoveka. Tako su formirani sistemi za grejanje, hladjenje i ventilaciju a sve sa ciljem obezbedjenja potrebnih uslova za život ljudi. Grejanje je proces zagrevanja, odnosno dodavanja toplote odredjenom prostoru (sistemu), kako bi njegova temperatura bila prihvatljiva za čoveka. Hladjenje je obrnuti proces, odnoso odvodjenje toplote kada je temperatura prostora veća od željene. Ventilacija obezbedjuje željeni kvalitet vazduha u odredjenom prostoru.

2 Sistem za ventilaciju Ventilacija prostora ima za zadatak da izvrši obnovu zagadjenog vazduha sa vršenjem i prečišćavanja svežeg ili obnovljenog vazduha i oslobadjajući ga, raznim filtriranjem. Karakteristike vazduha koji je potreban za čovekovo životno okruženje je lako utvrditi, to su zapravo njego prirodne karakteristike, a do promena tih karakteristika najčešće uzrokuje sam čovek. Gustina vazduha iznosi 1,293 kg/m3. Glavni sastojci vazduha u prizemnim slojevima atmosfere su: kiseonik (20,8%), azot (78,2%), argon (0,9%), ugljen dioksid (0,04%) i dr. Pored ovih hemijskih sastojaka u vazduhu se uvek nalaze promenljive količine od oko 0,03% štetnih gasova. Spoljna temperatura oC

Potrebna količina vazduha u prostoriji po osobi (m3/h) sa zabranjenim pušenjem

sa pušačima

-20

8

12

-15

10

15

-10

13

20

-5

16

24

0-26

20

30

26 i više

15

23

Tabela 1. Potrebna količina vazduha u prostoriji po osobi

Ugodnost za čovečjeg organizma se preporučuje stepen vlažnosti negde između 45-55%. Ako su u pitanju i drugi materjalni i laboratorijski uslovi ove brojke dobijaju drugu vrednost. Suv vazduh je higroskopan tj. apsorbuje određenu količinu vlage pri određenim temperaturama. Ona količina vodene pare koju sadrži jedan m2 vazduha, merena obično u gramima, naziva se apsolutna vlažnost vazduha. U atmosferi se uvek nalazi izvesna količina organske (od raspadanja biljnog ili životinjskog porekla) i neorganske prašine (čađ, pesak, metali,...) i drugi štetni sastojci. Problem dima se umanjuje primenom centralnog grejanja na tečno ili gasovito gorivo. Postoje vrlo efikasni filteri za prečišćavanje vazduha, ali im je otpor vrlo veliki tako da su vrlo neekonomični. Poznato je da je preterana isušenost vazduha u nekim prostorijama gde se drže neke vrste proizvoda, naročito štetna. Zbog toga je potrebno znati uslove koji se preporučuju za određene vrste delatnosti i industrije.

2.1 Tipovi ventilacije Postoje dva osnovna tipa ventilacije: prirodna i mehanička (prinudna) ventilacija. Prirodna ventilacija predstavlja obnavljanje i pročišćavanje vazduha prirodno, odnosno usled strujanja vazduha kroz otvore koji se na objektima ostavljaju za tu svrhu. Od veličine i rasporeda otvora zavisiće i intezitet strujanja i obnavljanja vazduha. Intezitet strujanja se može povećati visinskom razlikom otvora.

Slika 1. Priodna ventilacija kuće

Mehanička ili prinudna ventilacija jeste ventilacija kojom se obezbedjuje obnavljanje i prečišćavanje vazduha strujanjem vazduha kroz odgovarajuće cevovode pri čemu se strujanje vazduha obezbedjuje ventilatorima a način strujanja vazduha koncipira prema potrebi. Složenost mehaničkih ventilacija varira u zavisnosti od veličine i konstrukcije objekata. A može da bude jednostavna sa jednim ventilatorom i jednostavnim cevnim sistemom, ali i složena sa više ventilatora, komplikovanim cevnim sistemom , prečistačima vazduha i regulatorima.

Slika 2. Uproštena šema ventilacije

Na slici 2. prikazan je princip rada prostog ventilacionog sistema. Jednim ventilatorom se obezbedjuje strujanje vazduha kroz prostoriju, pri čemu se odredjena količina svežeg vazduha unosi u prostoriju, a deo zagadjenog vazduha izbacuje u spoljašnju sredinu. Intezitet strujanja vazduha se dozira ventilom ili brzinom ventilatora.

Slika 3. Uproštena šema ventilacije sa prečistačem vazduha

Sistem ventilacije može da sadrži i prečistač vazduha (slika 3.) kojim se odstranjuju štetne materije prilikom protoka vazduha. Sistemi ventilacije se razlikuju u konstrukciji i složenosti, a sve u zavisnosti od kvaliteta vazduha koji se želi postići u objektu te od same konstrukcije objekta. Tipičan ventilacioni sistem za jednu kuću predstavljen je na slici 4.

Slika 4. Sistem ventilacije za kuću (izvor http://irc.nrc-cnrc.gc.ca)

3 Sistem klimatizacije Kompleks postupaka kojima se izlaže vazduh pomoću tehničkih uređaja radi postizanja željenog stanja vazduha u strogo određenim granicama naziva se klimatizacija. Parametri koji karakterišu stanje vazduha koje bi terbalo da klimatizacioni urađaji prilagode uslovima ugodnosti čoveka bili bi: 

temperatura



vlažnost



atmosferski pritisak



brzina



ujednačenost u sklopu prostorija sa istom namenom



količina mikroba



jonizacija

Temperatura je sigurno najvažniji parametar sistema za klimatizaciju. Osnovna potreba čoveka jeste da obezbedi stabilnu i konstantnu telesnu temperaturu od oko

37 °C. Ukoliko se poremeti telesna temperature dolazi do poremećaja u procesima koji se u čoveku odvijaju što ugrožava njegov opstanak. Naravno, sam organizam podnosi odredjene oscilacije temperature okruženja, tako da se može utvrditi odredjena normalna temperatura okruženja koja bi čoveku odgovarala. Normalna projektovana temperatura u prostorijama gde borave ljudi je u granicama od 18 do 25 °C. U zavisnosti kako su prostorije obuhvaćene, temperatura u klimatizovanim prostorijama unekoliko varirati: 

prostorija obuhvaćena samo unutrašnjim zidovima 18 °C



prostorija sa jednim spoljnim zidom 19 °C



prostorija sa dva spoljna zida 20 °C



prostorija sa 3 spoljna zida 20.5 °C



prostorija sa 5 spoljnih strana 21.5 °C



terasa pokrivena i zastakljena sa jedne strane 22.5 °C



terasa zastakljena sa 5 strana 24 °C

Pri projektovanju uredjaja za ventilaciju i klimatizaciju treba voditi računa o zimskim i letnjim projektnim temperaturama. Za zimsku projektnu temperaturu u kontinentalnom područiju može se uzeti od -4 °C do -6 °C. Letnja projektna temperatura za klimatizaciju se kreće prema podacima od 33 °C do 34 °C. Kada je reč o vlažnosti vazduha,smatra se da čovečijem organizmu najbolje odgovara vazduh valažnosti od 45 do 55%. S druge strane videlo se da čovečiji organizam odaje 100kcal/h u sredinama temperature od 22 do 26 °C. Kao i kod provetravanja mora se obratiti pažnja na izlaznu brzinu vazduha iz otvora u prostorije, naročito ako su otvori postavljeni nadomak lica, tj. ispod 1,5m. Pitanje brzine vazduha u svakom specijalnom slučajutrba dobro prostudirati. U cilju postizanja potrebnih uslova danas se u sistemima za klimatizaciju masovno primenjuju sledeći postupci: 

Prečišćavanje vezduha koje podrazumeva odstranjivanje mirisa, prašine, mikroba i ostalih štetnih sastojaka



Održavanje određene ujednačene temperature vazduha zagrevanjem ili hlađenjem prema spoljnim uslovima



Ovlažavanje i sušenje

Slika 5. Sistem za klimatizaciju (izvor Air Conditioning and Refrigeration - autor Shan K. Wang)

3.1 Tipovi sistema za klimatizaciju Prema njihovoj ulozi sistemi za klimatizaciju se dele na tri vrste: 

za klimatizaciju u zimskim periodima



za klimatizaciju u letnjim periodima



Sistemi za potpunu klimatizaciju u kojima se vrše sve funkcije

Prema nameni sistemi klimatizacije se dele na: 

sisteme za klimatizaciju prostorija u kojima borave ljudi



sisteme za klimatizaciju prostorija za smeštaj osetljivih materijala

Prema broju prostorija koje jedan klimatizacioni uređaj u zgradi tretira, podela se može vršiti na: 

individualne



delimične



kompletne

3.2 Sistem za hladjenje Sistem klima uređaja,u toplim periodima kada je spoljna temperatura veća od temperature koju treba održavati u unutrašnjosti prostorija klimatizacijom,ima za zadatak da odvođenjem toplote izvrši hlađenje i sušenje vazduha.Količina toplote koju treba ukloniti odvodi se uključivanjem hladnjaka. Ukupna količina toplote koju treba odvesti hlađenjem QHL (jačina hlađenja) sastoji se iz sledećih delimičnih količina toplote: QHL=QP+QU+QS+QK gde su: QP-količina toplote koja spolja prodire u zgradu QU-količina toplote koja se proizvede uunutrašnjosti prostorije QS-količina toplote koja se uvodi spoljni vazduhom QK-količina toplote koja se proizvede u kanalima prodorom toplote i radom ventilatora. Toplota QP Količina toplote QP sastoji se iz toplote koja prodire usled temperaturske razlike kroz zidove,vrata,prozore i dr.(QH) i toplote koja prodire u unutrašnjost prostorija usled uticaja sunčevog zračenja (QZ).Tako je: QP=QH+QZ Toplota QU Ova toplota je proizvedena u unutrašnjosti prostorije od ljudi QL i od mašina,uređaja i osvetljenja QM tako da je: QU = QL+ QM Može se računati da je toplota koju proizvode mašine i razni uređaji 0,2 do 0,5 njihove ukupne nominalne snage prema broju časova iskorišćenja dnevno. Količina vazduha koje treba menjati u klimatizovanim prostorijama određene su u pojedinim zemljama normama, koje se u nekim pojedinostima razlikuju.

3.2.1 Princip rada sistema za hladjenje Osnovni princip rada sistema za hladjenje opisan je ciklusom hladjenja, a osnovna pretpostavka tog ciklusa jesu same karakteristike radnog fluida u smislu specifičnih tačaka isparavanja i kondezovanja. Toplota se dovodi do fluida koji je na nižoj temperaturi i pritisku stvarajući latentnu toplotu da bi fluid prešao u gasovito stanje. Ovaj gas se potom komprimuje na veće pritiske i u skladu sa tim temperaturu na kojima latentna toplota može biti oslobodjena a radni fluid se vraća u tečno stanje (slika 6.).

Slika 6. Prosta šema ciklus hladjenja (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

Radnom rashladnom sistemu (slika 6.) nedostaje ekspanzioni ventil i kondezator. Potpunija šema rashladnog sistema data je na slici 7. Ovaj ciklus može se i grafički prikazati (slika 8.).

Slika 7. Kompletna šema ciklus hladjenja (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

Slika 8. Grafikči prikaz ciklus hladjenja (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

3.2.2 Elementi sistema za hladjenje Kompresori Osnovna uloga kompresora u rashladnom ciklusu jeste da poveća pritisak suvog gasa. Kompresori mogu biti klipni i dinamički. Osnovna forma klipnih kompresora data je na slici 9.

Slika 9. Klipni rashladni kompresor (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

Slika 10. Primer rotacionog kompresora sa dva vratila (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

Postoje brojni tipovi kompresora različitih konstrukcija. Ono što ih posebno odlikuje jeste sistem hladjenja kompresora uljem,zbog niskih temperatura radnog fluida.

Kondenzatori Uloga kondenzatora jeste da prihvati gas visoke teperature i pritiska, i da ga ohladi kako bi se gas vratio u tečno stanje. Uglavnom se za hladjenje koristi vazduh ili voda. Najjednostavniji vazdhušno hladjeni kondenzatori se sastoje od mreže cevi kroz koji prolazi gas, a cevi su postavljene tako da oko njih prirodno struji vazduh. Ukoliko je potrebno obezbediti veći protok vazduha, može se dodati ventilator.

Slika 11. Vazdušni kondenzator (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

Veći toplotni kapacitet i veća gustina čine vodu idealnim medijumom za hladjenje kod kondenzatora. Manji vodeni kondenzatori se sastoje od dva sistema koncentričnih cevi (slika 12.)

Slika 12. Vodeni kondenzator (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

Medjutim, veći kondenzatori zahtevaju složenije struktuiranje cevi kako bi se smanjila ukupna veličina a povećao toplotni kapacitet (slika 13.).

Slika 13. Vodeni kondenzator (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

Isparivači Uloga isparivača jeste da obezbedi primljenom fluidu niskog pritiska i temperature toplotni kontakt sa telom kome se odvodi toplota. Fluid preuzima latentnu temperaturu i prelazi u suv gas. Isparivači se klasifikuju prema toku radnog fluida i njogovim funkcijama. Najčešći je slučaj da vazduh ili tečnost se prvo rashladi, pa se nakon toga hladi željeni objekat. Hladjenjem prostorije npr. isparivač obezbedjuje kontakt fluida sa vazduhom, koji zatim oduzima toplotu drugim predmetima sa kojima je u kontaktu.

Slika 14. Vazdušni isparivač (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

Slika 15. Vodeni isparivač (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

Ekspanzioni ventili Uloga ekspanzionog ventila je u regulaciji protoka radnog fluida od stanja visokog pritiska do dela sistema niskog pritiska, dakle redukcija pritiska. Najčešće se redukcija obezbedjuje regulacijom protoka. Ekspanzioni ventili se mogu klasifikovati

prema metodama regulacije. Ekspanzioni ventili mogu biti niskog i visokog pritiska u zavisnosti od principa rada.

Slika 16. Ekspanzioni ventil niskog pritiska (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

Ostali elementi Pored ova četiri osnovna elementa (kompresor, kondenzator, isparicač i ekspanzioni ventil) koji suštinski čine rashladni sistem, postoje brojni drugi elementi koji čine ovaj sistem kompletnijim, pouzdanijim i efikasnijim. Tu se misli na: termostate, ventile, rashladna ulja, manometre, povratne regulacione ventile, solenodine ventile, ispusne ventile i dr. Ono što svakako jeste element rashladnog sistema jesu toplotni razmenjivači. Najčešće postoje dva toplotna razmenjivača pri čemu se u jednom odvija kondenzacija, a drugi predstavlja sistem toplotnih razmenjivača direktno postavljenih u prostoru koji se hladi.

3.3 Sistem za grejanje Sistem za grejanje je nešto jednostavniji od rashladnog sistema. Sastoji se od mreže cevi koji vode zagrejan fluid (vazuh ili vodu najčešće) do toplotnih razmenjivača razmeštenih po potrebi. Rashladjen fluid se zatim ponovo vraća u jedinicu za zagrevanje. Samo zagrevanje fluida može da se vrši na mnogo načina: predavanje toplote sagorevanjem (gasa, nafte, drveta i sl.) u kotlu, preko električnih grejača, sunčevih termalnih kolektora itd. Najviše se koriste postrojenja za zagrevanje neposredno vazduha (27%) i vode u bojlerima (33%), zatim toplotne pumpe (13%) i dr.

Slika 17. Sistem za zagrevanje niskih temperatura (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

4 Upotreba sistema za klimatizaciju Upotreba sistema za klimatizaciju je izuzetno rasprostranjena. Polazeći od regulacije u domaćinstvima, dakle životnom prostoru - zagrevanja zimi, hladjenja leti, i obezbedjenja željenog kvaliteta vazduha, regulacije okruženja u javnim ustanovama, obezbedjenja raznih industrijskih potreba kao što su prostorije sa odgovarajućom niskom ili visokom temperaturom, vlažnosti vazduha i sl. može se zaključiti da je upotreba ovih sistema neophodna kada se žele obezbediti uslovi okruženja po pitanju parametara: temperature, vlažnosti vazduha, strujanja vazduha i sl. Gotovo da svaki objekat zahteva sistem za klimatizacija. Naravno od složenosti zahteva objekata zavisiće i složenost samog sistema za klimatizaciju. Ali ono što je sigurno da od pojedinačnog domaćinstva, do složenog industrijskog sistema, posebna pažnja mora da se posveti projektovanju i izgradnji sistema za klimatizaciju. Kada se uzme u obzir i da je ovaj sistem intezivan energetski potrošač te da iziskuje ozbiljne troškove, jasno je da se mora ozbiljno shvatiti. Postupak projektovanja sistema za klimatizaciju predstavljen je na slici 18. Projekat sistema za klimatizaciju se obično priprema pre izgradnje objekta.

Slika 18. Postupak projektovanja sistema za klimatizaciju (izvor Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch)

5 Zaključak Sistemi za klimatizaciju su izuzetno važni jer obezbedjuju pomenute parametre okruženja onakvim kakvim je potrebno. Od osnovne uloge regulisanja temperature okruženje te samim tim obezbedjenja stabilne temperature čoveka i životnog opstanka, pa do složenih industrijskih zahteva, sistemi za klimatizaciju imaju široku namenu. Medjutim, činjenica je i to da su ovi sistemi izuzetni potrošači energije. To znači da treba da budu pod stalnom pažnjom ljudi koji se bave energetikom te da se stalno unapredjuju po pitanju efikasnonosti.

6 Literatura    

Refrigeration and Air Conditioning - autor A.R. Trott, T. Welch Air Conditioning and Refrigeration - autor Shan K. Wang http://irc.nrc-cnrc.gc.ca www.wikipedia.org