Энергоэффективные системы кондиционирования воздуха в административно-общественных зданиях

За последние годы во многих городах России увеличилось количество построенных многокомнатных административно-общественных зданий: гостиниц, служебных и других помещений различного назначения. Еще в 70-80 годах прошлого века при проектировании, строительстве и эксплуатации административно-общественных зданий выявлены значительные энергетические и эксплутационные преимущества местноцентральных систем с эжекционными доводчиками (ДЭ) [1]. В последние годы созданы оригинальные отечественные конструкции эжекционных доводчиков типа ДЭ-1-6140/180, производимых фирмой ООО "Промышленная экспертиза и диагностика" (Департамент "ЭкоВОК") [2]. Отличительная особенность новой конструкции ДЭ - подача в рабочую зону помещения смеси наружного (Lпн) и эжектируемого внутреннего (Lв.ДЭ) воздуха. Вытяжка загазованного и отепленного воздуха осуществляется под потолком. Следовательно, при применении новой конструкции ДЭ реализуется наиболее энергоэффективная и качественная по санитарно-гигиеническим требованиям схема "вытесняющей вентиляции". Аналогичные конструкции ДЭ производятся ведущей зарубежной фирмой TROX [3]. Для административно-общественных зданий характерно значительное изменение теплового режима в помещениях по времени суток. Наиболее теплонапряженными считаются угловые помещения, окна которых ориентированы на юг и юго-запад. Проанализируем особенности изменения теплового режима в зависимости от времени рабочего дня на примере углового помещения. Исходные данные рассматриваемого помещения следующие: общая площадь - 20 м2, одна фасадная стена - глухая, площадью 18 м2 (6.3 м), окна второй расположены на южном фасаде, площадь стены - 9,9 м2 (3,3.3 м), площадь остекления - 3 м2 (1,5.2 м). Согласно требованиям СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий" для климата Москвы показатель термического сопротивления стены (Rст) составляет 2,8 м2•°С/Вт, а для окна он равен 0,5 м2•°С/Вт. Вычислим трансмиссионные теплопотери через наружные ограждения при поддержании в зоне обитания людей температуры tв = 20°С и расчетной наружной температуре tв = -28°С. Теплопотери через стены qт.пот.ст. = (18 + 6,9) . . (20 + 28)/2,8 = 427 Вт, через окна: qт.пот.ок. =3 . (20 + 28)/0,5 = 288 Вт. Общие трансмиссионные теплопотери .qт.пот.тр. = 427 + 288 = 715 Вт. По условиям теплового комфорта воздухораспределения в холодный период года приточный воздух, поступающий в зону обитания людей, не должен отличаться более чем на 3°С от температуры внутреннего воздуха: tп = tв - 3°С = 20°С - 3°С = 17°С. В рассматриваемом служебном помещении работают три сотрудника. При условии, что они не заняты тяжелым физическим трудом и постоянной температуре в помещении tв = 20°С, они вырабатывают явного тепла: qт.я.л. = 3 чел. . 100 Вт/чел. = 300 Вт. Служебное оборудование (компьютеры, принтеры) потребляет 600 Вт электроэнергии, которая также переходит в тепло. В утренние и вечерние часы интенсивность поступления солнечной радиации на окно незначительна и дополнительно используется освещение мощностью до 300 Вт. Днем в солнечные морозные дни освещение выключено, а интенсивность солнечной радиации может достигать 500 Вт/м2. Окно герметичное с двойным солнцезащитным остеклением, что обеспечивает достижение коэффициента солнцезащиты bс.3 = 0,4. Количество проникающей в помещение теплоты солнечной радиации составит: qс.р. = 3 . 500 . 0,4 = 600 Вт. Общие теплопритоки в дневные часы при наличии солнечной радиации на окна составляют: .qт.пр. = 300 + 600 + 600 = 1500 Вт. Теплоизбытки в помещении составляют qт.изб. = .qт.пр. - .qт.пот. = = 1500 - 715 = 785 Вт. Расчет показывает, что в солнечные морозные дни даже при tн = -28°С в зданиях с учетом требований СНиП по теплозащите необходимо охлаждать помещения. В традиционных системах отопления при наличии радиаторов с терморегуляторами при повышении tв = 20°С поступление горячей воды в конвектор или радиатор будет автоматически прекращено, но это все равно не решит проблему теплоизбытков и перегрева помещения. По санитарно-гигиеническим требованиям на трех постоянно работающих сотрудников необходим при саннорме 60 м3/ч на одного человека приток наружного воздуха Lпн = 180 м3/ч. В системах вытеснительной вентиляции в осенне-зимний сезон нижнее допустимое значение температуры удаляемого вытяжного воздуха определяется: tу = КL . (tв - tп) + tп, °С. (1) Для административных помещений с наличием тепловыделяющего служебного оборудования применяется коэффициент КL = 2,2. Тогда по формуле (1) получим: tу = 2,2 . (20 - 17) + 17 = 23,6°С. Из помещения при сохранении воздушного баланса удаляется воздух Lу = Lпн = 180 м3/ч. Поглотительная способность сантехнической нормы приточного наружного воздуха будет qх.ас.пн. = Lу . .у . cр . (tв - tв)/3,6 = = 180 . 1,21 . (23,6 - 17)/3,6 = 400 Вт. Подача приточного наружного воздуха температурой 17°С (согласно саннорме) не устраняет перегрева помещения, сохраняются теплоизбытки: qт.изб.ос. = qт.изб - qх.ас. = = 785 - 400 = 385 Вт. Необходимо отметить, что расчетная температура наружного воздуха для Москвы tнх = -28°С характерна для ночного времени суток, а днем, как правило, температура воздуха возрастает на 10-15°С. Соответственно, трансмиссионные теплопотери сократятся, а теплоизбытки возрастут. В местно-центральных СКВ с ДЭ энергетически целесообразно в холодный период года подавать к соплам ДЭ наружный приточный воздух с минимально допустимой температурой, определяемой температурой притока смеси tп = 17°С, которую можно вычислить: tпн.мин. = tп . (1 + Кэ) - Кэ . tв,°С. (2) Коэффициент эжекции Кэ = Lв.ДЭ/Lпн равен 2,8 для отечественной конструкции ДЭ-1-6-140/180 [2]. По формуле (2) получим tпн. = 17 . (1 + 2,8) - 2,8 . 20 = 8,6°С. Поглотительная способность приточного наружного воздуха при подаче к соплам Lпн с температурой tпн = 8,6°С будет qх.ас.пн. = Lпн . ρпн . cр . . (tу - tпн)/3,6 = 180 . 1,23 . . (23,6 - 8,6)/3,6 = 922,5 Вт. Наличие естественного холода в 922,5 Вт поглотит все теплоизбытки и потребует догрева приточного наружного воздуха с затратой следующего количества теплоты горячей воды, подаваемой в теплообменник ДЭ qт.пн.ДЭ = qх.ас.пн. - qт.изб. = = 922,5 - 385 = 537,5 Вт. Тепловая производительность теплообменника ДЭ для догрева приточного наружного воздуха и компенсации трансмиссионных теплопотерь должна быть ∑qт.ДЭ = qт.пн.ДЭ + ∑qт.пот.тр. = = 537,5 + 715 = 1252,5 Вт. В теплообменнике ДЭ эжектируемый внутренний воздух в расчетных условиях холодного периода года при tнх = -28°С и условии сохранения максимальной охладительной способности приточного наружного воздуха должен быть догрет до температуры tп = tпн . Lпн + Lпн . Кэ . tв.ДЭ.н./Lпн . . (1 + Кэ) = 8,6 . 180 + 180 . 2,8 . . 27,5/180 . (1 + 2,8) = 22,5°С. Проведенный расчетный анализ показал, что даже при подаче к соплам ДЭ наружного воздуха с минимально возможной температурой tпн.мин. = 8,6°С и максимальных расчетных трансмиссионных теплопотерях температура подогретого приточного воздуха от ДЭ составляет всего tпн = = 22,5°С, что не вызовет интенсивного подъема его под потолок, минуя зону обитания людей. Теплообменник ДЭ благодаря движению внутреннего нагреваемого воздуха через оребрение под воздействием сил эжекции имеет значительно интенсифицируемую передачу тепла от поверхности воздухонагревателя по сравнению с традиционными конвекторами. В табл. 1 приведены тепловые производительности ДЭ-1-6-140/180 при различных режимах использования.Из этой таблицы следует, что требуемая тепловая производительность теплообменника ДЭ в 1252,5 Вт обеспечивается при расходе через сопла Lпн = 180 м3/ч, расходе горячей воды qwr = 200 кг/ч с температурой twr = 40°С. При использовании традиционных отопительных приборов расчетный перепад по горячей воде составляет 95-70°С. Применение ДЭ в качестве отопительных приборов позволяет понизить расчетную температуру обратной воды до: tw.об. = twr - qт.ДЭ . 6,3/Gwr . CN = = 40 - 1252,5 . 36/200 . 4,2 = 34,6°С. После пластинчатого теплообменника в ИТП здания температура возвращаемой на ТЭЦ воды будет 40°С вместо традиционной 70°С. Получение температуры обратной воды ниже температурного графика теплоснабжения энергетически выгодно для ТЭЦ. Потребляемое тепло льготно оплачивается при снижении tw.об. ниже графика температур теплоснабжения. Проведенный расчет режимов работы ДЭ в холодный период года при tнх = -28°С позволяет предположить, что недогрев приточного наружного воздуха в приточном агрегате до саннормы на 9,4°С: ∆tт.нед. = tв - tпн.мин. = 20 - 8,6 = 9,4°С, обеспечит расчетную требуемую тепловую производительность ДЭ при использовании горячей воды с начальной температурой только twr = 40°С. Поэтому вызывают удивление сделанные к.т.н. М.Г. Тарабановым в статье [4] выводы о невозможности отопить помещение при использовании современных ДЭ в многоэтажных зданиях при температуре наружного воздуха ниже -20°С. Принятые в его проекте [4] отопительные приборы нагревают внутренний воздух при расчетном перепаде по горячей воде 95-70°С. Это обусловит выход из отопительного прибора нагретого воздуха с температурой не ниже 40°С. Нагретый воздух с такой температурой будет подниматься под потолок и на перегрев верхней зоны помещения будет нерационально перерасходоваться тепло. Вторым спорным выводом к.т.н. М.Г. Тарабанова в статье [4] является утверждение о невозможности при помощи ДЭ охладить административное помещение в расчетных условиях теплого периода года. Покажем на примере выбранного углового помещения энергосберегающие режимы работы ДЭ. По условиям обеспечения теплового комфорта подача охлажденного воздуха в рабочую зону в теплый период года ограничивается температурой tп = 19°С [4]. В этом режиме работы ДЭ температуру удаляемого вытяжного воздуха вычислим по формуле (1): tу = 2,2 . (25 - 19) + 19 = 32,2°С. Поглотительная способность по восприятию явных тепловыделений от поступления к соплам ДЭ наружного приточного воздуха с tпн = 19°С составит qх.ас.пн. = 180 . 1,2 . (32,2 - 19)/3,6 = 792 Вт. Охлаждение в теплообменнике ДЭ эжектируемого внутреннего воздуха до tох.ДЭ = 19°С обеспечит поглощение следующих тепловыделений в помещении qх.ас.в.ДЭ = 180 . 2,8 . 1,2 . . (25 - 19)/3,6 = 1008 Вт. Общая охладительная способность ДЭ по восприятию явных тепловыделений: ∑qх.ас. = 792 + 1008 = 1800 Вт. Удельная охладительная способность ДЭ: qх.ас. = 1800/20 = 90 Вт/м2. В административных помещениях удельные тепловыделения обычно не превышают 70 Вт/м2. В рассматриваемом помещении постоянные теплопоступления составляют: ❏ трансмиссионные через стены: qт.пр.тр. = = (18 + 6,9) . (28,5 - 25)/2,8 = 31 Вт; ❏ от людей: qт.пр.л. = 3 чел. . 64 Вт/чел. = = 192 Вт; ❏ от служебного оборудования: 600 Вт. Общее количество постоянных теплопоступлений в помещение равно ∑qт.пр. = 31 + 192 + 600 = 823 Вт. Постоянные в течение рабочего дня теплопоступления 823 Вт энергетически рационально удалять холодным приточным наружным воздухом. Располагаемая охладительная способность воздуха определена выше - 792 Вт при tпн = 19°С. Переменными по времени суток являются теплопоступления солнечной радиации через окно. В утренние и вечерние часы тепло солнечной радиации, поступающее через окно южного фасада, равно qс.р.утр. = 3 . 447 . 0,4 = 536 Вт. Терморегулятор воздухоохлаждающего теплообменника ДЭ сократит расход холодной воды, подаваемой в трубки при температуре не ниже 12°С, что позволяет избежать конденсации при охлаждении внутреннего воздуха в теплообменнике ДЭ. В 11-13 часов в июле наблюдается наиболее интенсивная солнечная радиация на окна южного фасада в 603 Вт/м2. Поступление в помещение теплоты солнечной радиации в эти часы суток составит qс.р.дн. = 3 м2 . 603 Вт/м2 . 0,4 = 724 Вт. В табл. 2 приведены данные о достигаемой холодопроизводительности теплообменников ДЭ-1-6-140/180. Требуемая холодопроизводительность в 724 Вт достигается при расходе Lпн = 180 м3/ч, расходе холодной воды 250 кг/ч при tw1 = 12°С. Проведенные расчеты режимов работы ДЭ в теплый и холодный периоды года показывают, что применение СКВ с ДЭ позволяет зимой экономить тепло путем недогрева приточного наружного воздуха, а также использовать горячую воду с температурным перепадом 45-40°С вместо традиционного 95-70°С. Наружный воздух с температурой от 8,6 до 19°С используется как энергомалозатратный естественный источник холода. В климате Москвы возможность использования естественного холода составляет не менее 86 % круглогодичного времени работы СКВ. Проведенный расчетный анализ особенностей круглогодового формирования теплового режима в угловом помещении с ориентацией окон на юг показал, что работа СКВ с ДЭ дает возможность обеспечить в зоне обитания людей комфортный и качественный по санитарно-гигиеническим требованиям микроклимат. Поэтому выводы к.т.н. М.Г. Тарабанова [4] о невозможности применения СКВ с ДЭ в помещениях высотных зданий на наш взгляд ошибочны. Об этом свидетельствует мировой и отечественный опыт по созданию СКВ для многоэтажных зданий. Впервые еще в 30-х годах прошлого века В. Кариер предложил конструктивные решения использования эжекционного доводчика (ДЭ) в СКВ при строительстве высотных зданий в США. В 70-80-х годах прошлого века СКВ с ДЭ получили широкое применение при строительстве многоэтажных административно-общественных зданий в различных городах СССР. Наиболее энергосберегающей и комфортной является СКВ с ДЭ в многоэтажном здании в Москве по адресу ул. Б. Дмитровка, д. 26 (ныне здание Совета Федерации). Система работает с 1984 г. и обеспечивает снижение расхода тепла в 3 раза по сравнению со зданиями аналогичного назначения, но без реализации энергосберегающих решений. Выпускаемая фирмой ООО "Промышленная экспертиза и диагностика" ("ЭкоВОК") принципиально новая конструкция ДЭ-1-6-140/180 может обеспечить еще более энергосберегающие режимы круглогодовой работы СКВ. В рекомендациях [2] приведены конструктивные и технические характеристики новых отечественных ДЭ. Дается технико-энергетический анализ сравнения СКВ с ДЭ с традиционными решениями.

Литература 1. О.Я. Кокорин, Л.И. Ставицкий, Я.Г. Кронфельд. Кондиционирование воздуха в многоэтажных зданиях. - М.: "Стройиздат", 1981. 2. Доводчик эжекционный (В помощь проектировщику). ООО "Промышленная экспертиза и диагностика" (Департамент "ЭкоВОК"). - М.: 2004. 3. TROX TECHNIK. Induction Type. Displacement Flow Diffuser. 4. М.Г. Тарабанов. Опыт проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха высотных зданий. Журнал "АВОК", 2004, №4, стр. 24-30. ТАБЛИЦЫ: 1~2~; 2~3~;