В настоящее время в России наблюдается резкий подъем индивидуального строительства. Особенностью этого сектора строительства является то, что желание застройщиков и уровень их благосостояния позволяют проектировать более комфортные системы обеспечения микроклимата, чем те, которые регламентируют СНиПы и санитарные нормы. С другой стороны, индивидуальные застройщики зачастую вынуждены устраивать децентрализованные инженерные системы (местные котельные, скважинный водозабор), и поэтому они крайне заинтересованы в создании эффективных энергоэкономичных комфортных зданий и систем обеспечения микроклимата. Пользуясь такой ситуацией, на примере индивидуальных жилых домов можно разработать новые концепции в решении задач микроклимата жилых зданий и применить их в дальнейшем при строительстве более крупных объектов. Такая попытка реализована авторами, по заявке заказчика, при строительстве индивидуального жилого дома в пригородном секторе города Магнитогорска.
Концепция разработки системы микроклимата
Основная концепция проектирования систем микроклимата данного дома — энергосбережение и интеллектуальная управляемость инженерных систем. Задача энергосбережения рассматривалась как комплексная и решалась в следующих направлениях:
- высокая тепловая защита здания (применение эффективных строительных материалов и конструкций);
- установка эффективных отопительных приборов с высоким коэффициентом теплопередачи;
- создание энергосберегающей системы кондиционирования воздуха;
- применение схемы с рециркуляций воздуха;
- использование естественного холода от воды артезианской скважины для холодоснабжения системы кондиционирования.
Перед авторами была поставлена задача: спроектировать системы комфортного кондиционирования и вентиляции всех помещений коттеджа таким образом, чтобы система всегда потребляла рациональный минимум тепловой, холодильной и электрической мощности, при этом управление работой системы должно производиться автоматически по требованиям, исходящим из внутренних помещений дома.
Схема вентиляции дома выбрана следующая: приток — механический, во все жилые помещения с центральным кондиционированием воздуха с частичной рециркуляцией; вытяжка — естественная, через помещения санузлов, ванн, кухонь; забор рециркуляционного воздуха — из помещений холла. Технические параметры системы следующие: расход наружного воздуха исходя из санитарно-гигиенических условий Lн = 700 м3/ч; общий расход воздуха исходя из борьбы с тепловыделениями Lо = 4500 м3/ч; расчетный расход тепловой энергии на подогрев приточного воздуха в холодный период Qнагр = 13,1 кВт; расчетный расход холода на кондиционирование воздуха всех помещений в теплый период Qхол = 30 кВт.
Для достижения максимального энергосберегающего эффекта при проектировании системы приточной вентиляции выбран принцип зонирования. Все помещения дома распределены в соответствии с пожеланиями заказчика на восемь зон (зона столовой и гостиной, зона спален, зона рабочих помещений, зона помещений для занятий спортом и оздоровлением и т.д.), в зависимости от назначения помещений и режима пребывания в них людей.
Подача воздуха в каждую зону может быть затребована или прекращена по команде с пульта, установленного в одном из помещений зоны. В соответствии с этим сеть воздуховодов центральной системы кондиционирования также поделена на автономные зоны, которые отсекаются от общего воздуховода с помощью управляемых заслонок.
Описание работы системы
Подача воздуха в каждую зону осуществляется за счет открытия соответствующей воздушной заслонки в системе воздуховодов. Управление режимами открытия и закрытия зональных заслонок системы кондиционирования осуществляется автоматически. Для автоматического управления работой системы кондиционирования установлен комплект оборудования на базе электронного процессора SlimZone Premier (США).
Сам процессор рассчитан на три зоны, но имеет расширение на 19 зон. Процессор обрабатывает всю информацию, исходящую из зональных датчиков, и дает команды для открытия или закрытия заслонок и выбора скорости вращения двигателя приточного вентилятора. Зональный пульт управления марки DSL-520 устанавливается в одном характерном помещении каждой зоны. Он содержит комнатный термостат, кнопки для установки требуемой температуры либо режима чистого проветривания.
Зональные пульты управления входят в единый комплект с процессором, также как и зональные воздушные заслонки с электрическими приводами. Данный комплект поставляется автономно от других составляющих системы кондиционирования и может сочетаться с любым вентиляционным оборудованием, которое подбирается согласно проектным данным. Система работает следующим образом.
В приточной камере находится блок вентиляционного оборудования (ВОК) для подготовки приточного воздуха, который состоит из вентилятора с частотным приводом (как минимум три скорости вращения двигателя), воздухоохладителя с регулированием мощности охлаждения (как минимум три стадии охлаждения) и воздухонагревателя (как минимум три стадии нагрева).
К блоку примыкает смесительная камера, в которой смешиваются потоки наружного и рециркуляционного воздуха; канальные датчики температуры замеряют температуру наружного, приточного и рециркуляционного воздуха. Управление вентилятором и теплообменниками производится с электронного процессора SlimZone Premier. По сигналам зональных термостатов процессор определяет необходимый режим обработки воздуха в блоке ВОК для каждой зоны — нагрев, охлаждение или вентиляция.
Определяется преобладающий режим, заданный большинством зон, и в первую очередь готовится и подается воздух к этим зонам. По сигналу процессора электроприводы открывают воздушные заслонки этих зон, и воздух подается в помещения, заслонки остаются открытыми до тех пор, пока показания термостата не сравняются с заданной температурой. Далее заслонки закрываются и начинается приготовление воздуха и подача его к другим зонам, где требуется другой режим обработки воздуха.
Периодичность открытия заслонок различных зон во время переменных режимов работы составляет 10 мин. Во время отсутствия людей в помещении зональный пульт устанавливается в нейтральный режим, и заслонка закрывается. Переход зоны в нейтральный режим и его снятие происходит с помощью кнопок, расположенных на панели термостата. В зависимости от количества открытых зон процессор выбирает скорость вращения вентилятора и степени мощности нагрева или охлаждения воздуха в теплообменниках.
Это позволяет расходовать все виды энергии строго в соответствии с потребностями людей, не жертвуя при этом комфортными условиями.
Некоторые особенности проектирования
С точки зрения проектирования системы вентиляции наибольшую сложность вызвали определение расчетного воздухообмена в системе и подбор сечений воздуховодов при условии периодического пользования различными зонами. Обсуждалось три варианта:
- Рассчитывать воздуховоды и мощности оборудования по суммарной нагрузке всех зон из условия одновременной их работы.
- Применить теорию вероятности по аналогии с расчетом нагрузок в системах водоснабжения.
- Задаться наиболее вероятной комбинацией одновременного включения нескольких зон и рассчитать суммарную нагрузку для этих зон.
По согласованию с заказчиком был выбран третий вариант (одновременно включаются пять зон из восьми). Таким образом, расчетная нагрузка составила 70 % от суммарной нагрузки всех зон. С аэродинамической точки зрения система воздуховодов скомпонована так, что каждая зона имеет свое ответвление от магистрального воздуховода, который выполнен в виде вертикальной шахты большого сечения таким образом, чтобы потери давления в нем были незначительны.
Это позволило увязать все ответвления и создать равные условия для каждой зоны. Для случая, когда все или большинство зон закрыты, предусмотрен байпас между приточным и рециркуляционным воздуховодами с клапаном давления. Таким образом, расчетная воздухопроизводительность системы была принята равной Lо = 3150 м3/ч. Согласно этим данным, подобрана приточная установка, состоящая из малогабаритных элементов на базе канального вентилятора DKN 355-4 фирмы Wolter (ФРГ), позволяющих смонтировать ее в подвесном виде на потолке технического помещения подвала.
В качестве воздухоохладителя выбран горизонтальный канальный фанкойл с водяным теплообменником марки CF №71 фирмы Clivet (Италия). Основные характеристики теплообменника: холодопроизводительность — 23,1 кВт; количество обрабатываемого воздуха — 3800 м3/ч; объем воды в теплообменнике — 6,35 л; массовая скорость воды — 0,8 кг/с; затраты электроэнергии на перекачку воды насосом — 1,5 кВт.
В качестве воздухонагревателя выбрана секция водяного подогрева, которая является дополнительной опцией к теплообменнику CF №71. Теплоносителем для охлаждения и нагрева воздуха в теплообменниках является вода. Горячим теплоносителем является вода из автономной котельной с параметрами 90–70 °С.
Холодоснабжение системы
Особое внимание в проекте было уделено разработке системы холодоснабжения для водяного теплообменника. Так как дом находится в отдаленном от городской застройки районе, то забор холодной воды на нужды водоснабжения застройщик решил осуществлять из артезианской скважины. Вода имеет температуру в летний период 5–7 °С. В стандартных системах кондиционирования для приготовления воды с такой температурой используются фреоновые холодильные машины — чиллеры или градирни.
Именно это оборудование является наиболее дорогим и сложным в эксплуатации в системах кондиционирования, кроме того, компрессор холодильной машины потребляет много электроэнергии, а использование фреона может нанести вред окружающей среде. Поэтому было решено использовать воду, добываемую из местной водозаборной артезианской скважины. Регулирование мощности охлаждения воздуха осуществляется с помощью регулирования подачи холодной воды насосом с частотным приводом.
Затраты электроэнергии на перекачку воды насосом из артезианской скважины составляют Nпотр = 1,5 кВт. Исходя из этих данных коэффициент преобразования энергии (холодильный коэффициент) в предложенной установке с использованием естественного охлаждения равен: ε = Qx/Nпотр = 23,1/1,5 = 15,4. В стандартной системе кондиционирования, предлагаемой для данного типа воздухоохладителей, затраты электроэнергии на работу холодильной машины (чиллера марки WRAN-71 фирмы Clivet) для получения указанного количества холода составляют Nпотр = 8,3 кВт.
В этом случае холодильный коэффициент равен: ε = Qx/Nпотр = 23,1/8,3 = 2,7. Сравнение показывает, что такая система имеет гораздо большую энергетическую эффективность (коэффициент преобразования энергии в 5,5 раза выше, чем у стандартных машин), экономит около 80 % электроэнергии и не наносит ущерба окружающей среде, т.к. работает без фреоновой холодильной машины. Кроме того, вода на выходе из водяного теплообменника имеет температуру 11 °C и может использоваться для дальнейшего нагрева в системе горячего водоснабжения или полива приусадебного участка.
Энергосберегающий эффект
В результате применения принципа зонирования системы кондиционирования можно констатировать достижение следующих результатов.
- Расчетный воздухообмен и соответственно расчетное энергопотребление стало возможным снизить на 30 % от общего расхода воздуха, необходимого для борьбы с тепловыделениями во всех помещениях, что также повлияло на подбор оборудования и снижение стоимости системы.
- В процессе эксплуатации определился следующий режим включения зон — постоянно работают две зоны, включение всех восьми зон (полная нагрузка) осуществляется два раза в месяц. Таким образом, реальное потребление энергии при работе системы в дежурном режиме составляет 20 % от расчетного и 14 % от максимального количества.
- Стало возможным уменьшить нагрузку на систему отопления, т.к. нет необходимости во всех помещениях поддерживать постоянно высокую температуру внутреннего воздуха, достаточно поддерживать минимально необходимую, а догрев до желаемой температуры производить приточным воздухом во время присутствия людей в соответствующей зоне.
В результате применения системы естественного холодоснабжения от артезианской скважины реальное потребление электроэнергии составляет 18 % от мощности холодильной машины, рассчитанной на аналогичную нагрузку.
Основные выводы и замечания
На момент написания статьи смонтированная система находится в эксплуатации около двух лет. В течение этого срока осуществлялся регулярный контакт с заказчиком, в результате чего стало возможным сделать некоторые выводы о работоспособности системы.
- Выбранного количества воздуха (70 % от расчетного) вполне достаточно для удовлетворения всех требований жильцов к микроклимату дома.
- Узел автоматического контроля на базе процессора SlimZone Premier работает надежно, без отказов.
- Система естественного холодоснабжения от артезианской скважины полностью удовлетворяет заказчика даже в пиковые часы теплого периода, поэтому такая система может быть рекомендована для самого широкого применения в районах с похожими климатическими условиями: на территориях с резко континентальным климатом, с жарким и сухим летом.
Однако в результате эксплуатации выявились некоторые моменты, на которые при дальнейшем проектировании следует обратить внимание.
- Во время охлаждения воздуха в водяном теплообменнике выпадает большое количество конденсата, которое часто превышает пропускную способность системы дренажа кондиционера данной марки. Поэтому пришлось своими силами значительно увеличить объем конденсатосборника.
- Весьма сложной оказалась синхронизация режимов работы основного приточного вентилятора с вентилятором фанкойла, который включен в конструкцию теплообменника. В результате эксплуатации вентилятор фанкойла пришлось совсем отключить, за счет чего незначительно упало давление в сети воздуховодов. Поэтому лучше всего подбирать для водяного охлаждения не фанкойл, а простой поверхностный теплообменник без вентилятора, а вентилятор устанавливать один на всю систему, исходя из покрытия всех аэродинамических потерь.
- Особое внимание следует обращать на шумозащитные мероприятия, т.к. хотя все оборудование и считается малошумным, общий шум от работы блока ВОК довольно ощутимый (около 70 дБ), поэтому блок необходимо размещать подальше от жилых зон в изолированном помещении.
В итоге хотелось бы подчеркнуть, что применение автоматизированной системы регулирования подачи вентиляционного воздуха позволяет сэкономить более 50 % тепловой энергии от величины суммарной нагрузки, не ущемляя при этом уровень комфортности и гигиеничности помещений. При такой экономии внедрение этого оборудования в системы вентиляции общественных зданий с периодическим пребыванием людей может привести к значительным результатам и свести сроки окупаемости систем к трем-пяти годам.
Однако с научной точки зрения необходимо готовить базу для теоретических расчетов и методик проектирования и прежде разработать рекомендации по выбору оптимальных расчетных нагрузок для систем с вероятностным характером использования механической вентиляции.
