В вентиляторных доводчиках охлаждение рециркуляционного воздуха осуществляется в теплообменнике. Движение воздуха побуждается вентилятором. Температура хладагента в теплообменнике, как правило, ниже температуры точки росы рециркуляционного воздуха. Следствием этого является образование конденсата на поверхности теплообмена. Для отвода конденсата используют специальные устройства отвода. Благодаря высокой скорости вращения колеса вентилятора удаётся развивать высокие величины напора воздуха, а значит, обеспечивать бóльшие расходы рециркуляционного воздуха. Низкая температура хладагента на входе в теплообменник и большие расходы воздуха делает вентиляторные доводчики очень эффективными устройствами. Понятно, что высокие скорости вращения колеса вентилятора сопровождаются высоким уровнем шума.
В отличии от ВД, в охлаждающих балках температура хладагента на входе в теплообменник выше температуры точки росы рециркуляционного воздуха. Поэтому в них конденсат не образуется. Принудительная подача свежего воздуха в ОБ инициирует движение рециркуляционного воздуха через теплообменник. Организуя высокоскоростную струю свежего воздуха, удаётся достичь разряжения, достаточного для прокачивания рециркуляционного воздуха через теплообменник. После прохождения теплообменника охлаждённый рециркуляционный воздух смешивается со свежим воздухом. Более подробное описание принципа работы и конструктивного исполнения охлаждающих балок можно найти в [1, 2]. Так как расход рециркуляционного воздуха в ОБ существенно ниже, чем в ВД, а температура хладагента в них меньше, можно утверждать, что эффективность ОБ будет ниже, чем ВД. Попытаемся подтвердить или опровергнуть это утверждение.
Существует ещё несколько важных особенностей, отличающих ВД от ОБ. В системах кондиционирования воздуха, в которых применяются ВД, свежий воздух подаётся только для поддержания требуемой концентрации CO2 в помещении. Тепловой режим помещения поддерживается путём изменения расхода рециркуляционного воздуха. Изменение последнего достигается варьированием скорости вращения колеса вентилятора. Так как при использовании ВД влажностный режим в помещении не контролируется, то при расчёте холодопроизводительности ВД используют значение не явного, а полного выделение тепла человеком.
Что касается охлаждающих балок, то свежий воздух используется не только для поддержания концентрации CO2. С его помощью удаляется избыточная влага из помещения. От количества свежего воздуха, подаваемого в ОБ, зависит её холодопроизводительность и, как следствие, температурный режим помещения. Если принять во внимание тот факт, что расход свежего воздуха, подаваемого в охлаждающую балку, является произведением величины расхода свежего воздуха, приходящегося на одного человека, и количества людей, обслуживаемых одной ОБ, то можно существенно упростить анализ её эффективности.
Величина расхода свежего воздуха на одного человека, достаточная для разбавления CO2, зависит от концентраций CO2 в уличном воздухе, допустимой концентрации углекислого газа в помещении и количества CO2, выделяемого одним человеком за час. Для разбавления мощности выделений CO2 одним человеком, равной 35 г/ч [4], при концентрации CO2 на улице 450 ppm и допустимой концентрации CO2, равной 1000 ppm [5], в помещение необходимо подавать 32,4 м³/ч свежего воздуха. При заданных значениях CO2 (без снижения категории помещения) нельзя подавать меньшее количество свежего воздуха. Значение 32,4 м³/ч — граница минимально допустимого расхода свежего воздуха на одного человека.
Величина максимального расхода свежего воздуха, отнесённая к одному человеку, рассчитывается из условия его достаточности для удаления избыточной влаги из помещения. При этом расхода свежего воздуха должно быть достаточно, чтобы предотвратить конденсацию влаги в теплообменнике. Если обратиться к [6], то при температуре помещения, равной 24°C, и составе сотрудников в помещении 50% мужчин и 50% женщин мощность выделений влаги составит 91 г/ч [6]. Гарантированно предотвратить образование конденсата можно только в случае, если температура хладагента на входе в ОБ превысит температуру точки росы воздуха в помещении. При температуре воздуха в помещении, равной 24°C, зависимость температуры точки росы от величины относительной влажности представлена в табл. 1.
Принимая во внимание тот факт, что величина относительной влажности в помещении не должна выходить из диапазона 50–60% [3], оптимально выбрать температуру хладагента на входе в ОБ равной 14°C. При этом диапазон относительной влажности сузится до 50–52,5%. При известном значении мощности выделения влаги человеком и заданном значении абсолютного влагосодержания в помещении количество свежего воздуха, приходящегося на одного человека, является функцией только от величины абсолютного влагосодержания свежего воздуха. Соответствующие графики изменения расхода свежего воздуха, приходящегося на одного человека в зависимости от относительной влажности воздуха в помещении для разных значений абсолютного влагосодержания свежего воздуха, представлены на рис. 1.
Анализ графиков позволяет сделать вывод, что оптимальный диапазон изменения расхода свежего воздуха, приходящего на одного человека, лежит в диапазоне 32,4–74 м³/ч. Особое внимание нужно обратить на то, что снижение величины расхода свежего воздуха возможно только при снижении его абсолютного влагосодержания. Так, расходу 32,4 м³/ч соответствует абсолютное влагосодержание 7,7 г/кг. Анализ эффективности ОБ проводится для конкретного типоразмера. Примем в рассмотрение ОБ DID 600 производства компании TROX [7]. Длина ОБ равна 1500 мм, тип сопла B. Температуру свежего воздуха на входе в ОБ принимаем равной 14°C. Расход хладагента принят равным 165 л/с — этому значению соответствуют потери давления 8000 Па.
Это максимальный расход хладагента, рекомендованный производителем. Максимальный расход свежего воздуха, приходящийся на единичный ОБ, ограничен уровнем звуковой мощности 40 дБ(А).
Соответствующие характеристики ОБ представлены в табл. 2. Использованы следующие обозначения: Qвозд — количество тепла, отводимого свежим воздухом; Qвода — количество тепла, отводимого хладагентом (водой); Δpвозд — величина напора свежего воздуха, необходимая для компенсации потерь давления.
Важным параметром ОБ является величина Q/V (столбец 7 табл. 2). Этот параметр позволяет оценить эффективность использования 1 м³/ч свежего воздуха для генерации холода. Этому параметру присвоено название «относительная холодопроизводительность ОБ». Зависимость величины относительной холодопроизводительности от величины расхода свежего воздуха, приходящегося на единичную ОБ, представлена на рис. 2.
График, представленный на рис. 2, иллюстрирует тот факт, что при увеличении расхода свежего воздуха, отнесённого к единичной ОБ, его относительная холодопроизводительность снижается. При этом величина холодопроизводительности балки растёт, о чём свидетельствует столбец 6 табл. 2.
Если разделить количество свежего воздуха (столбец 2 табл. 2), нужного для обеспечения холодопроизводительности ОБ (столбец 6 табл. 2), на величину расхода свежего воздуха, приходящегося на одного человека, из диапазона 32,4–70 м³/ч, то результатом будет количество людей, которое должно обслуживаться единичной ОБ для достижения соответствующей холодопроизводительности.
Графики зависимости количества людей, которое должно обслуживаться единичной ОБ, чтобы суммарного расхода свежего воздуха для данного количества людей было достаточно для обеспечения соответствующей величины холодопроизводительности ОБ, от расхода свежего воздуха, приходящегося на единичную ОБ, представлены на рис. 3.
Рис. 3 иллюстрирует тот факт, что достичь максимальной величины холодопроизводительности ОБ (соответствующий расход равен 104,4 м³/ч) при минимальной величине расхода свежего воздуха на одного человека можно лишь в том случае, если единичная ОБ будет обслуживать максимальное количество людей (более трёх человек на ОБ).
Одним из основных параметров, который задаётся в ТЗ на проектирование системы кондиционирования, является плотность посадки сотрудников. Этот параметр определяет количество квадратных метров помещения, выделенных для размещения одного человека. Считается, что для офисных помещений высокого класса плотность посадки составляет 10 м² на одного человека. При снижении класса офиса увеличивается плотность посадки, она может доходить до 4 м² и даже до 2 м² на человека.
Для заданной плотности посадки людей, располагая информацией о количестве людей, приходящихся на единичную ОБ, достаточно просто определить площадь помещения, обслуживаемую единичной ОБ. Результатом деления холодопроизводительности ОБ на соответствующее значение площади, обслуживаемой одной ОБ, является величина плотности теплового потока в помещении. Зависимость плотности теплового потока, при плотности посадки сотрудников 10 и 4 м² на человека, от величины расхода свежего воздуха на одного сотрудника офиса представлена на рис. 4.
Этот рисунок наглядно иллюстрирует далеко не тривиальный факт, что при одном и том же количестве свежего воздуха, приходящегося на одного человека, чем ниже плотность посадки людей, тем больше может быть величина плотности теплового потока в помещении.
Так, при плотности посадки (10 м² на человека) для компенсации избытков тепла в офисе с плотностью теплового потока, близкой к 100 Вт/м², недостаточно даже 100 м³/ч свежего воздуха на одного человека. Это значение существенно превышает санитарную норму. Кроме того, что данное превышение энергетически неэффективно, также это ведёт к значительному ухудшению акустического комфорта в офисе. Для офисов с высокой плотностью посадки сотрудников ситуация несколько улучшается.
Из сказанного выше следует, что более рационально применять охлаждающие балки в офисах с высокой плотностью посадки сотрудников. Данные, представленные на рис. 4, позволяет сделать однозначный вывод, что основным фактором, снижающим эффективность применения охлаждающих балок, является стремление заказчика, вполне оправданное с точки зрения снижения капитальных и эксплуатационных затрат, сократить потребление свежего воздуха в офисе до установленной санитарной нормы.
Как правило, производители ОБ предоставляют возможность изменить характеристики ОБ без значительного изменения конструктива, только за счёт изменения коэффициента эжекции путём изменения диаметра сопла. Для того, чтобы оценить, какой размер сопла целесообразно использовать в ОБ с точки зрения её эффективности, была повторена процедура расчёта для той же ОБ DID600 L = 1500 мм.
Самый маленький размер сопла соответствует соплу А, самый большой — С. Параметры ОБ с разным диаметром сопла представлен в табл. 3. Для всех размеров сопел неизменной принята величина падения давления, равная 100 Па.
Опуская промежуточные расчёты, были определены графики зависимости изменения величин плотностей потока тепла для различных сопел для разных величин расходов свежего воздуха, отнесённых к одному человеку для плотности посадки сотрудников 10 м² на человека. Результаты, представленные на рис. 5, свидетельствуют, что уменьшение размера сопла целесообразно использовать при высокой плотности теплового потока в офисе. Отметим, что при уменьшении размера сопла абсолютное значение холодопроизводительности ОБ снижается.
Выводы
Если принять во внимание, что характерная плотность теплового потока в офисных помещениях может превышать 100 Вт/м², то при плотности посадки сотрудников офиса 10 м² на одного человека необходимо подавать в охлаждающую балку расход свежего воздуха, в пересчёте на одного человека, в несколько раз превышающий санитарную норму. При этом уровень шума, генерируемый ОБ, может превысить допустимый уровень. В этих условиях следует признать, что эффективность холодных балок значительно уступает вентиляторным доводчикам. При увеличении плотности посадки людей с 10 до 4 м² на человека эффективность холодных балок приближается к эффективности вентиляторных доводчиков.
