Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха

За последние годы наибольшее распространение получили системы кондиционирования в помещениях жилых и административных зданий путем установки под окнами отопительных конвекторов, в которые зимой по соединительным трубам подается горячая вода.

Для охлаждения помещений в летние дни в помещениях применяются сплит-системы, состоящие их вентиляторных агрегатов, монтируемых обычно на стене в помещении и монтаже на наружных стенах здания компрессорно-конденсаторных блоков, которые медными трубками соединены с теплообменниками местных агрегатов.

В переходный период года при температурах наружного воздуха выше 0 °C местные агрегаты могут работать в режиме теплового насоса, нагревая помещение. Обычно это требуется в весенние и осенние дни, когда отключается централизованное теплоснабжение. Описываемые системы характеризуются повышенными расходами энергии.

Для доказательства этого рассмотрим строительный модуль административного здания с длинной стены 3,5 м и высотой 3 м. В стене имеется окно размером 2,5 м по ширине и 2,1 м по высоте.

Вычислим площадь окна и стены:

окна ƒ_ок = 2,5 х 2,1 = 5,25 м²;

стены ƒ_ст = 3,5 х 3 - 5,25 = 5,25 м².

По требованиям теплозащиты зданий [1] в климате Москвы [2] нормируемые значения сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций должны быть величиной:

для стен R_ст = 3,1 м²·°С/Вт;

для окон R_ок = 0,5 м²·°С/Вт.

Мощность системы отопления рассчитывается при температуре наружного воздуха для Москвы t_нх = -28 °С и температура воздуха в рабочей зоне помещения t_вх = 20 °С.

Тогда вычислим требуемую тепловую производительность отопительных конвекторов, устанавливаемых у окон помещения для компенсации трансмиссионных теплопотерь:

Q_т.от = ƒ_ст(t_вх – t_нх)/R_ст + ƒ_ок(t_вх – t_нх)/R_ок = 5,25 ×
× (20 + 28)/3,1 + 5,25 × (20 + 28)/0,5 = 81,3 + 504 = 585,3 Вт·ч.

При расчетной t_нх = -28 °С в трубки конвекторов подается горячая вода с температурой t_wт1 = 95 °С. Это обеспечивает нагрев проходящего со стороны оребрения теплообменника внутреннего воздуха до температуры выше 40 °С. На рис. 1 представлена схема движения воздуха в режиме нагрева в конвекторе, взятая нами из учебника профессора Сканави А.Н. «Отопление» (рис. IV.14) [3]. Из рис. 1 видно, что нагретый воздух поднимается по высоте остекления окна далее проходит под потолком и поворачивает вниз у внутренней стеновой поверхности в рабочую зону, откуда с температурой t_вх = 20 °С поступает на нагрев в теплообменник конвектора.

Применение в системе отопления ДЭ и осуществление рассмотренных выше энергосберегающих мероприятий позволит понизить расход тепла до 70 %

Традиционно мощность отопительного прибора выбирается для компенсации трансмиссионных теплопотерь и нагрев наружного воздуха, поступающего от инфильтрации. При выполнении требований герметичности наружных ограждений [1] и устройстве самостоятельной системы приточной и вытяжной вентиляции на систему отопления остается только тепловая потребность в компенсации трансмиссионных теплопотерь.

Из рис. 1 видно, что наиболее нагретый воздух проходит по высоте остекления окна, температура которого в расчетных условиях холодного периода года может быть достаточно низкой. Поэтому часть теплоты поднимающегося от конвектора нагретого воздуха будет отдаваться для нагрева стекла. Следовательно, теплопотери через остекление нужно считать при средней температуре нагретого внутреннего воздуха t_вх._нагр ~ 38 °C. В этом случае трансмиссионные теплопотери через окно будут больше:

q_{т.пот.ок} = ƒ_ок(t_{вх.нагр} – t_нх)/R_ок = (38 + 28)/0,5 = 693 Вт·ч.

Следовательно, можно сделать вывод, что прохождение нагретого воздуха у холодного остекления увеличивает трансмиссионные теплопотери:

Δq_{т.пот.ок} = 693 – 504 = 189 Вт·ч.

В процентах увеличение теплопотерь составляет (189/504) х 100 % = 37,5 %.

Авторами разработан, испытан и серийно производится доводчик эжекционный ДЭ(у) [4], у которого забор внутреннего воздуха /_в.э. для нагрева в теплообменнике производится через щель 4, располагаемую в подоконнике или декоративном кожухе по всей длине остекления, как это показано на рис. 2. Для выполнения санитарно-гигиенических требований к каждому ДЭ от центрального кондиционера подается санитарная норма приготовленного приточного наружного воздуха /_пн Выходя из сопел 3 со скоростью не выше 14 м/с (ограничение по шуму), обеспечивается эжекция внутреннего воздуха /_в.э. через теплообменник 6, по трубкам которого зимой проходит горячая вода с температурой не выше 60 °C. Отличительной особенностью отечественных доводчиков ДЭ [4] является осуществление эжекции внутреннего воздуха /_в.э. через щель в подоконнике или декоративном кожухе. Эжектируемый внутренний воздух поступает в щель 4, проходя у холодной поверхности остекления 5.

В холодный период года температура эжектируемого воздуха t_вэ выше температуры остекления t_ос. Это обеспечивает нагрев остекления от эжектируемого воздуха от потолка, где всегда t_вэ > t_вх = 20 °C. Поэтому нагрев остекления происходит от утилизации теплоты воздуха, собирающегося под потолком, куда поступают конвективные тепловые потоки от служебного тепловыделяющего оборудования и людей.

Использование централизованного холодоснабжения позволяет круглый год обеспечивать здание горячей водой для систем отопления, горячего водоснабжения и вентиляции

Количество приточного воздуха в помещение l_п от ДЭ значительно больше количества нагреваемого внутреннего воздуха в конвекторе (рис. 1). Поэтому температура нагрева l_п значительно ниже нагретого в конвекторе t_вх. Это обеспечивает поступление нагретого воздуха t_п от ДЭ в рабочую зону, а не под потолок (рис. 1). При конвекторном отоплении в расчетных условиях холодного периода года температура нагретого воздуха превышает 40 °C. В отличии от этого отопление помещений с помощью ДЭ обеспечивает температуру нагретого приточного воздуха не выше 23 °C.

Примем, что рассматриваемое помещение используется как офисное. При площади помещения 21 м² в нем с применением современного служебного оборудования может работать три человека. По санитарным нормам для трех постоянно работающих необходимо к соплам ДЭ подавать от центрального кондиционера l_пн = 60 х 3 = 180 м³/ч приготовленного наружного воздуха. В работе [4] показана целесообразность подавать через сопла 3 (рис. 2) приготовленный зимой наружный воздух с температурой t_пн = 8 °C. Это позволяет в солнечные дни зимой поглощать приточным воздухом образующиеся в помещении теплоизбытки. Количество приточного воздуха от ДЭ-2-6-180 равно:

l_п = 2,8 х 180 + 180 = 684 м³/ч.

При расчетных трансмиссионных теплопотерях перепад температур подаваемого от ДЭ приточный воздух будет иметь температуру:

Δt_п.тр = 585,3 х (3,6/684) х 1,2 х 1,0 = 2,6 °C,

то есть t_пх = t_вх + Δt_п.тр = 20 + 2,6 = 22,6 °C.

Затрата тепла в теплообменнике ДЭ при отсутствии теплоизбытков в помещении (нет «солнца») будет больше. В целях сокращения расхода тепла на нагрев саннормы приточного наружного воздуха L_пн применяется система утилизации теплоты вытяжного воздуха [4].

В холодный период года температура вытесняемого воздуха будет не ниже t_ух1 = 22 °C. В теплоизвлекающем теплообменнике вытяжного агрегата вытяжной воздух целесообразно охладить до температуры t_ух2 = +5 °C. Следовательно, на нагрев антифриза, который насосом будет подаваться в теплоотдающий теплообменник в приточном агрегате, производительностью L_пн = L_у. В расчетных условиях холодного периода года нагрев приточного наружного воздуха утилизируемым теплом составит:

t_нх2 = t_нх1 + (t_ух1 - t_ух2)ρ_у/ρ_пн = -28 + (22 - 5)×1,23/1,3 =
= -12 °C.

В традиционной системе отопления (рис. 1) количество воздуха инфильтрации, для рассматриваемого офисного помещения, одинаково 180 м³/ч и тепловая производительность на нагрев воздуха инфильтрации до температуры t_вх = 20 °C, при отсутствии приточной системы, должна быть обеспечена отопительным прибором. Следовательно, в схеме по рис. 1 увеличение тепловой производительности конвектора приведет к повышению температуры нагретого конвекционного воздуха. Это вызовет увеличение дополнительных трансмиссионных теплопотерь через остекление.

Использование централизованного холодоснабжения позволяет круглый год обеспечивать здание горячей водой для систем отопления, горячего водоснабжения и вентиляции

Применение в системе отопления ДЭ и осуществление рассмотренных выше энергосберегающих мероприятий позволит до 70 % понизить расход тепла по сравнению с традиционной схемой, представленной на рис. 1.

В теплый период года охлаждение помещений осуществляется от сплит-систем. Необходимо отметить, что в 2010 году постановлением московского правительства запрещена установка компрессорно-конденсаторных блоков на стенах фасадов зданий. Поэтому нужны новые решения по охлаждению помещений в теплый период года. Обобщение опыта сооружения систем отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК) в городе Москве, построенных за последние 10 лет, сделано профессором Колубковым А.Н. в монографии [5] в гл. 9, где высказаны важнейшие выводы для проектирования систем ОВК.

На стр. 254 отмечено, «...общение с застройщиками не только Москвы, но и других регионов показывает возрастающий интерес к центральному холодоснабжению квартир.». На стр. 255 сделан важный вывод: «... Опыт, накопленный в процессе эксплуатации подобных объектов, показывает, что альтернативы для приточно-вытяжной вентиляции с механическим побуждением для высотных зданий высокого класса нет.».

Система ОВК на базе эжекционных доводчиков начали применяться в административных зданиях в городе Москве с 1964 года. Благодаря высокой надежности (отсутствие движущихся частей типа вентилятора, электродвигателя, насоса) системы с ДЭ работают до настоящего времени. Наиболее успешно СКВ с ДЭ реализована в 1983 году в здании на улице Дмитровская, д. 26, в котором сейчас размещается Совет Федерации. Впервые в этом здании применена установка утилизации тепла вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха.

К сожалению, в 1990-х годах Домодедовский машиностроительный завод «Кондиционер» прекратил выпуск ДЭ. В проектах СКВ офисных и гостиничных зданий стали применять в качестве охладителей вентиляторные доводчики (фанкойлы), которые для своей работы потребляют в 10 раз больше электроэнергии по сравнению с работой ДЭ. С 2005 года ООО «Локальные ЭнергоСистемы» возобновило производство доводчиков эжекционных, адаптированных для замены ДЭ отработавших более 40 лет. В настоящее время создана конструкция ДЭ, которая по техническим показателям лучше зарубежных аналогов, имеет высокое качество и стоит в два раза дешевле зарубежных. В работе [4] и на сайте www. locensys.com можно найти данные для их применения, рекомендации проектировщикам и монтажникам.

Использование централизованного холодоснабжения позволяет круглый год обеспечивать здание горячей водой для систем отопления, горячего водоснабжения и вентиляции. Авторы разработали техническое решение системы ОВК с ДЭ, в котором потребности в тепле жилого и офисного здания полностью обеспечиваются работой холодильной машины. Авторы готовы выполнить работу по созданию демонстрационного здания с теплоснабжением от использования бытовых и технологических тепловыделений без потребления тепла от ТЭЦ или котельных.