Помимо нюансов, упомянутых во вступлении к статье, не нужно забывать и о давлении поставщиков оборудования, поскольку чем меньше расчётная производительность оборудования, тем ниже его стоимость, тем выше шансы выиграть тендер у заказчика. Поэтому очень часто в реальных проектах или коммерческих предложениях требуемая производительность оборудования бывает занижена. Хорошо это или плохо, мы и разберёмся в данной статье. В итоге научимся определять требуемую производительность по холоду систем кондиционирования воздуха. Но для начала необходимо определиться с некими важными начальными условиями, которые будут влиять на дальнейшие расчёты.
Требуемая точность расчётов
Во-первых, давайте задумаемся вот над каким вопросом: с какой точностью необходимо считать и подбирать оборудование? Я видел в проектах цифры теплоизбытков с точностью до одного ватта, например, 8324 Вт. Однако определение фактической производительности точнее ±5% никому не нужно по следующим причинам:
1. Подбираемое оборудование обладает дискретностью. То есть, если вы рассчитали требуемую производительность, и она равна, например, 3 кВт холода, вы не можете подобрать кондиционер на 3 кВт, так как ближайшая меньшая модель оказывается 2,8 кВт по холоду, а ближайшая большая — 3,6. Соответственно, в проект ставится ближайшая большая модель с запасом производительности 20%, и это абсолютно нормально.
2. Расчёт теплоизбытков производится в данный момент. Что не совсем правильно, поскольку период эксплуатации кондиционеров от восьми до 25 лет. Со временем, естественно, изменятся теплопритоки, хотя бы за счёт увеличивающейся производительности компьютерной техники. Плюс назначение помещений может несколько поменяться, или просто добавится одно рабочее место. Поэтому должен быть небольшой запас.
3. Фактическая производительность кондиционера никогда не будет завышенной.
Система автоматического регулирования изменит мощность по холоду в соответствии с балансом теплоизбытков. А энергетическая эффективность инверторного кондиционера при загрузке 60–80% как раз максимальна.
Поэтому для нашего примера выше я бы указал теплоизбытки не 8324 Вт, а 8300 Вт. Ещё одна рекомендация: оборудование необходимо подбирать с небольшим запасом (10–20%). Это абсолютно нормально и благоприятно скажется не только на эффективной работе, но и увеличит срок эксплуатации.
Явные или полные теплоизбытки?
Следующий вопрос, который часто остаётся непонятым: нужно считать явные теплоизбытки или полные? Ответ на этот вопрос лежит на поверхности, нужно лишь взглянуть на таблицу производительности любого внутреннего блока VRF-системы, сплит-системы или фанкойла. В таблицах характеристик указаны явная и полная производительность внутреннего блока в зависимости от влажности воздуха в помещении.
В итоге мы видим, что, во-первых, явная производительность снижается при повышении влажности в помещении. Полная производительность, наоборот, не зависит от окружающей влажности. Дело в том, что полные теплоизбытки учитывают тепловую энергию, которая расходуется в том числе на испарение водяного пара. А явные — только на повышение температуры внутреннего воздуха. Полная производительность внутреннего блока равна сумме явной производительности (которая приводит к понижению температуры внутреннего воздуха) и скрытой производительности (которая равна энергии конденсации влаги во внутреннем воздухе).
Поскольку внутренний блок охлаждает влажный воздух, часть влаги из воздуха конденсируется и удаляется из блока через дренаж. Следовательно, часть энергии холода неизбежно тратится на конденсацию влаги (скрытая теплота). Теоретически, можно посчитать только явные теплоизбытки в помещении и попытаться подобрать внутренний блок по явной производительности. Но вот в чём проблема: задать и поддерживать относительную влажность воздуха в помещениях с помощью VRF-систем невозможно (да и нет необходимости), поэтому фактически посчитать явную производительность блока также невозможно, поскольку мы не знаем относительной влажности в помещении.
Полная производительность блока не зависит от влажности (так как сумма явной и скрытой производительности равна энергии испарения фреона во внутреннем блоке), поэтому на неё уже можно опираться при расчёте. Следовательно, более правильно считать именно полные теплоизбытки и полную производительность внутренних блоков.
Требуемая температура внутреннего воздуха
Параметр, который оказывает колоссальное влияние на расчёт полных теплоизбытков и, соответственно, на стоимость системы кондиционирования. Я думаю, тут уместно будет разместить график, который объясняет процессы охлаждения помещений при разной температуре внутреннего воздуха (рис. 1).
Рис. 1. График зависимости теплоизбытков от расчётной температуры внутреннего воздуха
Теперь давайте рассмотрим, как ведёт себя функция теплоизбытков (синяя) от температуры внутреннего воздуха (рис. 1). Во-первых, можно отметить, что она линейна. Чем ниже температура внутреннего воздуха, тем глубже необходимо охлаждать приточный вентиляционный воздух в помещении, тем больше нагрузка на внутренний блок системы кондиционирования. Угол наклона этой линии определяется величиной воздухообмена помещения. Чем выше кратность воздухообмена, тем выше доля теплоизбытков от приточного воздуха, тем больше угол наклона. При определённой температуре внутреннего воздуха может сложиться такая ситуация, что теплоизбытки помещения будут равны нулю. Это означает, что приточный вентиляционный воздух полностью ассимилирует внутренние теплоизбытки за счёт повышения своей температуры и система кондиционирования не нужна. В нашем случае эта температура около +35°C.
Далее — кривые производительности внутренних блоков системы кондиционирования. 28, 36, 45 — это обозначение моделей стандартной «линейки» внутренних блоков. Чем ниже температура внутреннего воздуха, тем быстрее падает производительность внутреннего блока, тем больше наклон кривой.
Итак, какие интересные выводы можно сделать из рис. 1? Во-первых, стандартная температура для систем кондиционирования воздуха равна +27°C. Именно при этой температуре внутренний блок выдаёт производительность, указанную в каталоге. Поэтому, если проектировщик указывает в спецификации фактическую производительность, равную номинальной, это означает расчётную температуру воздуха +27°C. Конечно, это ошибка, но, тем не менее, эта ошибка очень часто встречается в проектах. При температуре +27°C теплоизбытки нашего помещения будут равны 2450 Вт. Нам подойдёт модель с индексом 28, которая при +27°C выдаст производительность 2800 Вт.
Допустим, мы выбираем температуру внутреннего воздуха +25°C. Это верхний предел оптимальной температуры по российским нормам. При этой температуре величина теплоизбытков в помещении равна 2800 Вт, и нам подойдёт уже следующая модель внутреннего блока с индексом 36, которая выдаст производительность 3300 Вт. При выборе оптимально комфортной температуры +23°C теплоизбытки помещения будут равны 3150 Вт и нам подойдёт модель с индексом 45 с производительностью 3700 Вт.
И, наконец, если по желанию заказчика в помещении необходимо поддерживать температуру +20°C, то теплоизбытки становятся равны 3800 Вт, и ни одна из рассмотренных моделей не сможет поддержать эту температуру. Нужна модель с индексом 56. То есть эти примеры показывают, какое сильное влияние на расчёт теплоизбытков и выбор типоразмера внутреннего блока оказывает выбор расчётной температуры внутреннего воздуха.
Теперь рассмотрим непосредственно методики расчёта теплоизбытков, которых на сегодня известно достаточно много. Все они являются в большей или меньшей степени укрупнёнными. Рассмотрим их от самых простых до сложных.
1. Методика, привязанная к площади обслуживаемых помещений. Определённая цифра удельных теплоизбытков умножается на площадь обслуживаемого помещения. Конечно, помещения бывают разные. Я согласен также с тем, что офис в Москве и, например, точно такой же в Волгограде будут иметь разные удельные теплоизбытки. Но при достаточном опыте можно использовать эту методику хотя бы для примерной оценки стоимости оборудования:
- жилые помещения — 80–150 Вт/м²;
- офисные помещения — 120–220 Вт/м²;
- залы совещания, серверные и помещения, насыщенные тепловыделяющим оборудованием, — 150–350 Вт/м².
2. Методика, привязанная к объёму обслуживаемого помещения. Допустим, мы имеем 35–50 Вт/м³ плюс теплопоступления от находящихся в помещении людей и оборудования. Но сам по себе один квадратный или кубический метр помещения не выделяет тепло, которое нужно ассимилировать кондиционером. Поэтому более правильно считать теплопоступления не по «квадратам», а по источникам тепла.
3. Методика, привязанная к источникам тепловыделений в помещениях. Для расчёта требуемой (максимальной) мощности любого кондиционера необходимо определить избытки тепла в охлаждаемом помещении по формуле:
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5, кВт,
где Q1 — теплопоступления от солнечной радиации, кВт; Q2 — теплопоступления от искусственного освещения, кВт; Q3 — теплопоступления от находящихся в помещении людей, кВт; Q4 — теплопоступления от офисного оборудования и бытовой техники, кВт; Q5 — теплопоступления от вентиляционного воздуха, кВт.
Теплопоступления от солнечной радиации
В большинстве случаев тепловая нагрузка от солнечного излучения, которое бывает прямое и рассеянное, в общественных и административных зданиях может составлять до 50% в общем балансе теплопоступлений. Величина солнечной радиации зависит в первую очередь от ориентации и площади окон. Расчёт теплопоступлений от солнечной радиации очень подробно изложен в [1]. Кратко его рассмотрим.
Поступления теплоты от солнечной радиации Q1 через остеклённые световые проёмы и массивные ограждающие конструкции зданий для наиболее жаркого месяца года (июля) следует рассчитывать по формуле:
Q1 = ∑Qок + ∑Qст,
где ∑Qок — сумма тепловых потоков через окна, Вт; ∑Qст — сумма тепловых потоков через стены, Вт.
Тепловой поток через окна, в свою очередь, состоит из тепловых потоков прямой и рассеянной солнечной радиации:
Qок = (qпрК1 + qpК2)К3К4Fок,
где qпр — поверхностная плотность теплового потока прямой солнечной радиации через остеклённый световой проём в июле в конкретный час суток, для конкретной широты и для конкретной ориентации окна, Вт/м²; qр — поверхностная плотность теплового потока рассеянной солнечной радиации через остеклённый световой проем в июле в конкретный час суток, для конкретной широты и ориентации окна, Вт/м²; К1 — коэффициент облучённости прямой солнечной радиацией; К2 — коэффициент облучённости рассеянной солнечной радиацией; К3 — коэффициент теплопропускания солнцезащитных устройств (шторы, маркизы, жалюзи и т. д.); К4 — коэффициент теплопропускания остекления световых проёмов; Fок — площадь окна, м².
Величины поверхностной плотности теплового потока прямой и рассеянной солнечной радиации можно найти в специальных таблицах для определённой широты. Например, для Москвы (55°44′24″ северной широты) эти данные сведены в табл. 1. Какие интересные выводы можно сделать исходя из табл. 1?
1. Максимальная плотность теплового потока в вертикальные окна происходит не с юга, как кажется, а с запада или с востока. То есть на юге максимум — 398 + 92 = 490 Вт/м². На востоке максимум — 547 + 122 = 669 Вт/м². Объясняется это разным углом наклона солнечных лучей. С юга абсолютные величины солнечной энергии выше, но горизонтальная составляющая с южной стороны получается меньше, чем в востока или запада.
2. С севера также существует плотность теплового потока от солнечной радиации, хотя прямых солнечных лучей практически нет. Максимальные величины — между 18:00 и 19:00 часами:
103 + 56 = 159 Вт/м².
При наличии внутренних светлых жалюзи на окнах часть солнечной радиации отражается из помещения (хотя это спорно, поскольку теплота в любом случае остаётся внутри помещения), поэтому применяют понижающий коэффициент.
Очень хороший эффект отражения солнечных лучей дают именно внешние жалюзи на окнах. Современный пример — башни-«близнецы» Аль-Бахар с регулируемыми внешними жалюзи в эмирате Абу-Даби (ОАЭ), показанные на фото 1. Когда солнечные лучи попадают на сенсоры внешних жалюзи, они раскрываются и полностью перекрывают путь солнцу в помещения. Как только солнце переходит на другой фасад здания — жалюзи открывают окна. Таким образом, окна здания всегда находятся в тени.
Фото 1. Башни-«близнецы» Аль-Бахар (29 этажей, 145 м) в ОАЭ с кинетическими энергоэффективными фасадами оборудованы автоматическими регулируемыми внешними жалюзи
Теплопоступления от искусственного освещения
Как правило, считают либо теплопоступления от солнечной радиации, либо от искусственного освещения. Часто встречается одна классическая ошибка при расчёте теплопоступлений от освещения, но для начала я задам очень простую загадку. Что весит больше, килограмм сена или килограмм железа? Ясно, что один килограмм любого вещества весит одинаково, и это очевидно. Но теперь давайте посмотрим на рекомендации при расчёте величин теплопоступлений от различных типов ламп освещения [2].
Есть некая универсальная формула:
Qo = Ni,
где Qo — количество переданного тепла в помещение от освещения, Вт; N — потребляемая мощность, Вт; i — коэффициент перехода электрической энергии в тепловую. Далее для ламп освещения приводятся следующие коэффициенты: для ламп накаливания — i = 0,9, для люминесцентных ламп — i = 0,4.
И всё вроде бы правильно, так как лампа накаливания имеет в разы меньше КПД, чем, например, диодная. Но давайте подумаем вот над чем: куда девается из помещения энергия, которая пошла на свет? Свет попадает на поверхности и по второму закону термодинамики всё равно превращается в тепло.
Поэтому никакого логического смысла в коэффициенте перехода энергии освещения в тепло нет, так как он всегда равен единице. За тем редким исключением, если эта лампа, например, является прожектором маяка, и луч света уходит куда-то далеко в океан, унося с собой энергию прожектора.
Существуют нормы проектирования искусственного освещения [3], которые проанализировал Юрий Хомутский [4] и свёл в единую таблицу максимально допустимых удельных установленных мощностей искусственного освещения в помещениях общественных зданий и производственных помещений (согласно данным нормам [3]), которая представлена в виде табл. 2. Как правило, от освещения поступает от 10 до 30 Вт/м². Поскольку в солнечный день лампы освещения бывают выключены, то учитывают либо теплопоступления от солнца, либо от освещения. Если теплопоступления от освещения превышают теплопоступления от солнечной радиации, в расчёт принимают именно эту величину.
Теплопоступления от людей
Величина тепловыделений от людей в значительной степени зависит от индивидуальных особенностей организма и степени тяжести физической активности. Также тепловыделения от людей интересны тем, что они разделены на две составляющие: явную (нагревающую воздух помещения) и скрытую (переходящую в испарение воды). Поскольку кондиционер не только охлаждает воздух помещения, но и конденсирует содержащуюся в нём влагу, необходимо в расчёте учитывать обе части (полные тепловыделения): сон — 80 Вт, покой сидя — 110 Вт, лёгкий труд сидя — 140 Вт, ходьба — 190 Вт, тяжёлый труд — 450 Вт. Данные показатели рассчитаны на «среднего» человека ростом 170 см и массой 70 кг. Чем больше человек, тем больше эти величины (табл. 3).
Встречаются также таблицы, где тепловыделения от людей зависят от окружающей температуры. Чем ниже окружающая температура, тем больше тепловыделения. Как показывают исследования многих учёных, это ошибка, поскольку более низкая температура воздуха заставляет одевать более тёплую одежду и не может менять метаболизм человека в принципе. Человек в шортах на Гавайях и в меховой одежде на северном полюсе выделяют абсолютно одинаковое количество тепловой энергии.
Теплопоступления от оборудования и офисной техники
Теплопоступления от оборудования зависят в первую очередь от потребляемой мощности и частоты использования. Для различных видов оборудования их величины составят (с учётом частоты использования): компьютер — 300 Вт, лазерный принтер — 200–600 Вт, копировальный аппарат — 200–600 Вт, холодильник — 150 Вт, электрочайник — 300–600 Вт.
В общем случае величина теплопоступлений от электрооборудования определяется по формуле:
Q3 = NK1K2, Вт,
где N — потребляемая мощность, Вт; К1 — коэффициент перехода электроэнергии в тепловую, К1 = 100–80%; К2 — коэффициент использования оборудования, К2 = 30–80%. Как исключение из правил интересен именно холодильник. Поскольку этот прибор, по сути, является тепловым насосом, то тепловыделения от холодильника могут в теории быть даже больше, чем потребляемая мощность.
Теплопоступления с вентиляционным воздухом
Тепло в помещения также поступает с нагретым наружным воздухом, который поступает всегда, даже если в помещении нет систем механической вентиляции. За счёт естественных притоков воздуха через окна и двери будет обеспечиваться воздухообмен любого помещения. Если притоков наружного воздуха не будет, то люди просто задохнутся.
Величина теплопоступлений зависит от кратности воздухообмена помещения:
Q4 = 0,278KVRв(Iн — Iух), Вт,
где К — кратность воздухообмена помещения (для жилых — 1–1,5 об/ч; для офисных — 1,5–2,5 об/ч; для ресторанов — 3–6 об/ч); V — строительный объём помещения, м³; Rв — плотность воздуха, кг/м³; Iн и Iух — энтальпии наружного и уходящего воздуха, кДж/кг.
Или упрощённая формула:
Q4 = KVk, Вт,
где k — коэффициент теплосодержания наружного воздуха (для Москвы — 5,0, для Сочи — 8,0, для Перми — 3,0).
Пример. Офисное помещение площадью 30 м². Высота от пола до подвесного потолка — 3 м. Два окна общей площадью 10 м² ориентированы на юг, на окнах светлые жалюзи. Количество человек в помещении — 4, количество компьютеров — 4, один принтер, один копир, один холодильник и один чайник.
Теплопоступления от солнца:
10×250×0,7 = 1750 Вт.
Теплопоступления от людей:
4×140 = 560 Вт.
Теплопоступления от оборудования и офисной техники:
4×300 + 1×300 + 1×500 + 1×150 + 1×300 = 2450 Вт.
Теплопоступления с вентиляционным воздухом:
3×30×2×5 = 900 Вт.
Итого максимальные теплопоступления в помещение:
1750 + 560 + 2450 + 900 = 5660 Вт.
Проверяем удельные теплоизбытки:
5660/30 = 188 Вт/м².
Итог получился в рекомендованном диапазоне 120–220 Вт/м² для офисных помещений, значит расчёт выполнен без грубых ошибок. Мы можем подобрать кассетную модель VRF индекса 71, обладающую оптимальным четырёхсторонним распределением воздуха для офисных помещений с мощностью охлаждения 6,4 кВт при температуре внутреннего воздуха +25°C. Запас по производительности 13% (6,4/5,66 = 1,13) находится в рекомендованных пределах 10–20%.
