Практически во всех, даже в наиболее насыщенных современными инженерными решениями кондиционируемых помещениях можно определить зоны пребывания людей, в которых наблюдаются отклонения от параметров нормируемого обобщённого комфорта, описанного, например, в ГОСТ 30494–2011.
В административно-офисных зданиях это прежде всего зоны с отклонением от очень узкого зафиксированного диапазона оптимальных комфортных скоростей (подвижности) воздуха — не более нормируемой величины 0,2 м/с, «допустимый» же диапазон скоростей расширен до 0,25–0,3 м/с (скорость менее 0,1 м/с, которая физиологически не ощущается людьми, определяет зоны застойного малоподвижного воздуха).
Индивидуально-комфортные тепловлажностные условия, максимально улучшающие самочувствие и работоспособность офисных работников, реализуются лишь при применении систем кондиционирования с персональным регулированием параметров воздуха в помещении. Появляется возможность обоснованно расширить, например, указанный в ГОСТ 30494–2011 диапазон комфортных скоростей воздуха в сторону больших величин, в наибольшей степени удовлетворяющих достижению индивидуального воздушного комфорта для каждого работника (подобно традиционному использованию персонального настольного вентилятора).
В ХХ веке широко распространилась практика проектирования максимально упрощённых бюджетных систем кондиционирования воздуха (СКВ), требующих минимальных капитальных затрат. Это можно объяснить отсутствием в тот период повышенного внимания к сбережению энергоресурсов, уровень цен которых не призывал инженеров к творческому поиску новых энергосберегающих технических и технологических решений.
К тому же сами понятия «офисные помещения», «комфорт», «комфортные условия на рабочих местах сотрудников» были весьма условными категориями.
Предприятиями страны выпускался ограниченный набор серийного оборудования, которое при малом количестве его типоразмеров для систем кондиционирования не отличалось желаемым уровнем качества, эксплуатационной надёжностью и по многим позициям было дефицитным (вернее, «фондированным» — Фондированием (в данном случае) называется характерное для плановой экономики СССР централизованное распределение лимитированных объёмов («фондов») сырья, ГСМ или иной продукции, прежде всего особо важной или остродефицитной. Материальные балансы и планы распределения «фондируемой продукции» по «фондодержателям» (предприятиям и учреждениям) разрабатывались Госпланом СССР и утверждались Советом министров СССР. Наличие необходимых для производственного процесса фондов определяло способность советского государственного предприятия осуществлять запланированный годовой выпуск продукции и вообще вести хозяйственную деятельность. В советской экономике фондодержатели активно соперничали за фонды («выбивали» их для себя сверх положенных норм), лоббируя свои интересы посредством «толкачей» — собственных представителей, имевших негласный коррупционный доступ к должностным лицам в министерствах и ведомствах, ведавших распределением фондов по стране).
Проектировщики СКВ стремились размещать в помещении как можно меньшее количество воздухораспределителей, которые рассчитывались на постоянную подачу максимального расхода воздуха (подобная практика по установке в помещении минимального количества осветительных приборов — «лампочек Ильича» — наблюдалась в начальный период электрификации нашей страны).
Перечисленные обстоятельства на многие десятилетия предопределили применение так называемой «перемешивающей вентиляции» в качестве основного способа при создании в помещениях квазикомфортной воздушной среды.
Для реализации обслуживания максимально возможной площади помещения каждым воздухораспределителем их размещают на значительном удалении от зоны пребывания людей, например, в верхней половине помещения. При таком расположении воздухораспределителя воздушному приточному потоку требуется придавать на истечении повышенную кинетическую энергию, необходимую для преодоления значительного расстояния до достижения зоны, в которой проектируют поддержание комфортных параметров воздуха. Повышенная кинетическая энергия (начальная скорость приточного воздушного потока) обеспечивается вынужденным повышением избыточного статического давления воздуха в воздуховодах, то есть повышением расхода электроэнергии вентилятором кондиционера.
При этом бóльшая масса воздуха в помещении приводится в движение — перемешивается, усредняя параметры воздуха по всему объёму помещения.
В последние десятилетия изменились требования к технико-экономическим показателям систем кондиционирования, утвердилось особое отношение к энергосберегающим технологиям и понятию комфорта на рабочих местах сотрудников.
При возросших тарифах на ограниченные энергоресурсы ещё в 1997 году вышло Постановление Госстроя РФ №18-14 «Об экономии энергоресурсов при проектировании в строительстве».
Указ Президента РФ №889 от 2008 года определил движение к энергоэффективной экономике и указал потребность снижения энергоёмкости экономики — до 40 % к 2020 году. Последующие документы — Федеральный закон №261 (2009 год), Госпрограмма по Постановлению №2446-р (2010 год) и другие развивают и конкретизируют базовый документ — Указ Президента РФ, то есть вводят штрафы за невыполнение отдельных требований и нормативов энергоэффективности.
Специалистам по системам механической вентиляции и кондиционирования воздуха зданий хорошо известна зависимость энергопотребления такими системами от расхода нагнетаемого в помещение воздуха и обеспечения необходимого его избыточного давления (напора).
Необходимый (минимальный) расход воздуха в каждый расчётный временной интервал определяется в основном переменными тепловлажностными и газовыми нагрузками на систему, фиксируемыми в обслуживаемом помещении и задаваемым уровнем (качеством) комфорта для сотрудников офиса.
Величина расчётного избыточного давления воздуха в системе кондиционирования, обеспечиваемого вентиляторами кондиционера, определяется величиной аэродинамического сопротивления самого кондиционера и сети воздуховодов (сети транспортировки воздуха в помещение). Конечными (финишными) элементами этой сети являются воздухораспределительные устройства, которые, часто обладая значительным местным сопротивлением, повышают расчётную величину создаваемого вентилятором напора и тем самым во многом определяют комфортные условия пребывания людей в помещении, включая подвижность, турбулентность, акустические и эстетические характеристики комфорта.
Применение на практике энергоэффективных систем кондиционирования с переменным расходом воздуха — на современном языке актуально название VAV-СКВ (Variable Air Volume), кроме перечисленных выше факторов, сдерживало отсутствие качественного вентиляционного оборудования, включая соответствующие воздухораспределители, а также доступные электронно-вычислительные управляющие устройства и исполнительные механизмы.
В настоящее время подавляющее большинство широко применяемых типов воздухораспределителей были разработаны для вентилирования способом перемешивания воздуха в помещении при постоянном (максимальном) его расходе.
Попытки модернизировать известные типы воздухораспределителей для их применения в системах с переменным расходом воздуха дают лишь половинчатые решения:
- глубина регулирования — допустимое уменьшение расхода воздуха, как правило, весьма незначительное (10–15 %), для офисных помещений эта величина предпочтительна около 50 %;
- возникает необходимость поддерживать изначально принятую в проекте схему воздушных потоков — обычно для этого используется энергонеэффективный процесс дросселирования приточного воздуха с целью стабилизации статического давления перед воздухораспределителем для поддержания близких значений его начальной скорости.
При сохранении же постоянного живого сечения и положения направляющих элементов выпускных отверстий воздухораспределителей и отказе от дросселирования воздушного потока при уменьшении его расхода будут изменяться аэродинамические характеристики вентиляционной сети и схема циркуляции (перемешивания) воздушных потоков — изменится и ожидаемый тепловлажностный комфорт в помещении. Поэтому проектировщики вынуждены стабилизировать «дальнобойность» и направление распространения воздушных потоков в помещении, а также характеристики вентиляционной сети во всём расчётном диапазоне регулирования расхода приточного воздуха.
В подобных случаях для поддержания «дальнобойности» потока традиционные воздухораспределители должны быть снабжены устройствами, изменяющими живое сечение — площадь выходных приточных отверстий, а в системе должно поддерживаться постоянное избыточное статическое давление (напор) воздуха. При этом, как правило, сохраняют и направление истечения потока.
Учитывая особенности влияния различных способов регулирования воздушных потоков в кондиционируемых помещениях на потребление электроэнергии при создании комфортных параметров воздуха, рассмотрим алгоритм рационального управления VAV-СКВ и подбора вентилятора кондиционера, обеспечивающего наименьший расход электрической энергии за весь эксплуатационный (годовой) период.
Принимаем наиболее энергоэффективный современный способ управления производительностью вентилятора — изменением частоты вращения (ступенчато или плавно) его лопаточного колеса. При таком способе управления, кроме удобства коммутирования элементов в схеме автоматического регулирования, возрастает и моторесурс самого электродвигателя, многократно снижается его пусковой ток.
В общем виде совмещённая графическая зависимость условных характеристик вентилятора рассматриваемого кондиционера и вентиляционной сети VAVСКВ представлена на рис. 1.
В точке пересечения двух характеристик находится расчётная рабочая точка 1 вентилятора кондиционера, которой соответствуют значения полного давления воздуха p1 и его расхода L1 при частоте вращения лопаточного колеса n1.
При уменьшении расхода воздуха с уменьшением частоты вращения лопаточного колеса вентилятора до n2 рабочая точка по прежней параболе (характеристике вентиляционной сети СКВ) переместится в точку 2. При этом будет достигаться максимально возможная экономия потребляемой электроэнергии, ведь мощность, потребляемая электродвигателем вентилятора, определяется как:
и в данном выражении числитель уменьшился (причём уменьшились обе величины — напора и расхода) при постоянном знаменателе — КПД вентилятора kв и его привода kпр, причём:
где kдв — КПД электродвигателя, который в VAV-системах изменяется в зависимости от типа и мощности применяемого электродвигателя (kдв ≤ 0,9); kпер — КПД передачи от двигателя к лопаточному колесу (ременной передачи или электромагнитной муфты); kрег — КПД частотного вариатора или трансформатора напряжения, подаваемого на электродвигатель.
Однако такой наиболее эффективный способ экономии электроэнергии при использовании воздухораспределителей, не рассчитанных на изменение расхода воздуха, как правило, возможен лишь в определённые временные периоды, в течение которых допустимо не соблюдать расчётную (комфортную) схему циркуляции воздушных потоков в объёме помещения, например, при длительном отсутствии в них людей в «режиме простоя» или в ночное время, когда система кондиционирования и вентиляции переводится в «дежурный» режим работы.
Применение энергонеэффективного процесса дросселирования воздушного потока, требуемого для большинства воздухораспределителей, рассчитанных на подачу переменного расхода воздуха, вынуждает поддерживать избыточное давление воздуха (напор), развиваемое вентилятором кондиционера, когда рабочая точка VAV-СКВ переместится в точку 3. Управляющим параметром системы автоматического управления традиционной VAV-системы является значение давления в приточном воздуховоде.
При таких вынужденных ограничениях функционирования воздухораспределителей возможность экономии электроэнергии СКВ значительно сокращается.
Для регулирования расхода воздуха, подаваемого в отдельные помещения или ветви вентиляционной сети, применяют традиционные вентиляционные клапаны, снабжённые электроприводами, или специализированные VAV-терминалы (так называемые VAV-регуляторы). Зональные VAV-терминалы — это комплексные устройства, которые могут включать в свой состав несколько модулей: дросселирования потока (управляемого клапана), измерения расхода воздуха (диафрагмы), измерения разности давлений воздуха, измерения температуры воздуха, программируемого привода клапана, VAVконтроллера и соответствующие датчики.
Для наиболее эффективного использования VAV-СКВ и наименьшего уровня генерируемого шума необходимо выбирать такой типоразмер вентилятора, на характеристиках которого рабочие точки (1 и 3) будут находиться на одной изобаре в зоне рекомендуемых значений КПД вентилятора:
где kвм — максимальное значение коэффициента полезного действия.
При переменном расходе воздуха в вентиляционной сети нужно с особой тщательностью подходить к выбору типоразмеров вентиляторов кондиционера и вытяжной установки, особенностей электродвигателей и способа регулирования их производительности. Это во многом определит величину экономического эффекта и экономии электроэнергии за весь эксплуатационный период VAV-СКВ. Следует предусматривать синхронное управление работой вентиляторов кондиционера и вытяжной установки.
В качестве современного инновационного решения для офисных помещений, в которых проектируют «перемешивающую» вентиляцию, можно рекомендовать воздухораспределитель с «активным» подвижным выпускным патрубком, признанный изобретением ещё в 1981 году [1]. Такой «активный» воздухораспределитель при переменной программируемой схеме подачи приточного воздушного потока не требует стабилизации избыточного давления воздуха в воздуховоде во всём диапазоне регулирования его расхода.
Величина расчётного коэффициента изменения максимальной скорости (скоростного коэффициента m) приточного воздушного потока, условно направленного на определённое рабочее место в офисе, может изменяться в широких пределах: m = 0,5–6,0. При этом формируются вихревые воздушные потоки, поддерживающие комфортный «динамический климат» в зоне пребывания работников.
Способ распределения приточного воздуха в помещении, описанный изобретателями «активного» воздухораспределителя [1] (авторы: д.т.н. М. И. Гримитлин, д.т.н. А. А. Рымкевич, д.т.н. С. И. Бурцев, к.т.н. Т. А. Верхова), на десятки лет опередил время его актуального применения.
В ХХI веке, с учётом современных технологий изготовления и применения новых материалов, этот воздухораспределитель можно конструктивно упростить и показать соответствие заложенного в изобретении способа управления параметрами воздуха в помещении самым современным требованиям. С помощью воздухораспределителя с управляемым подвижным выпускным патрубком появляется возможность максимально приблизить (иногда лишь частично скорректировать) обеспечение комфортной воздушной средой по индивидуальным запросам каждого работника, рабочее место которого находится в зоне обслуживания этого воздухораспределителя. Программируемое управление расходом воздуха, временем экспозиции направленного из патрубка приточного воздушного потока на каждое рабочее место, расположенное в обслуживаемой зоне помещения, позволяет реализовать в нём локальное (оазисное) комфортное кондиционирование в соответствии с количеством присутствующих на местах работников.
При таком локальном кондиционировании воздуха создаются условия и для значительной экономии энергоресурсов, затрачиваемых на реализацию повышенного уровня комфортности в обслуживаемой зоне помещения.
В настоящее время наиболее энергоэффективной схемой подачи и распределения воздуха в помещении признана схема «вытесняющей» вентиляции, при которой воздух из нижней обслуживаемой зоны помещения вытесняется свежим приточным воздухом в верхнюю, припотолочную часть помещения, откуда и удаляется. Такую схему циркуляции воздуха иногда называют «подачей воздуха методом “затопления” обслуживаемой зоны помещения».
Для организации «вытесняющей» вентиляции в помещении устанавливают, как правило, низкоскоростные перфорированные воздухораспределители.
Такие воздухораспределители в полной мере обеспечивают заданные температурно-влажностные скоростные и акустические характеристики комфорта в помещении. При этом они допускают глубокое регулирование расхода приточного воздуха в кондиционируемом помещении (не требуется дополнительная модернизация воздухораспределителя). Причём при уменьшении расхода приточного воздуха не изменяется схема его движения в помещении и пропорционально уменьшается потребная величина избыточного давления воздуха, обеспечиваемого вентилятором кондиционера.
При перечисленных положительных качествах современных низкотемпературных перфорированных воздухораспределителей можно отметить характерные особенности, сдерживающие их широкое повсеместное применение.
Через низкоскоростные перфорированные воздухораспределители организуют приточный поток свежего воздуха с небольшой расчётной разностью температур 1–3 °C — это может приводить к повышенному расходу воздуха, рассчитанному на отведение максимальной тепловой нагрузки на кондиционер. Поэтому через них обычно подают лишь минимальную санитарную норму свежего воздуха. Отметим, что такие воздухораспределители, как правило, не рекомендуют применять для обеспечения режимов воздушного отопления помещений (однако, например, в новом пассажирском терминале аэропорта «Пулково» через низкоскоростные перфорированные воздухораспределители зимой успешно подают нагретый воздух).
Массогабаритные характеристики низкоскоростных воздухораспределителей предопределяют их монтаж в кондиционируемом помещении преимущественно на полу. Не всегда такие габаритные воздухораспределители удаётся удачно вписать в дизайн-проект помещения, к тому же при этом неизбежно сокращается полезно используемая площадь офиса.
Поэтому одним из основных перспективных направлений совершенствования низкоскоростных воздухораспределителей является уменьшение их габаритов и материалоёмкости, что также должно способствовать уменьшению стоимости производства таких изделий и удешевлению их транспортировки и монтажа.
Например, применением «перфорированной воздуховыпускной панели» со сдвоенной перфорированной поверхностью (патент [2]) массогабаритные характеристики выпускаемых низкоскоростных изделий можно сократить примерно в два раза при обеспечении нормируемых комфортных параметров в помещении. Только персональное управление климатом на рабочем месте при возможности индивидуального регулирования параметров приточного воздушного потока, достигающего каждого рабочего стола в офисе, может обеспечить истинный, а не усреднённый комфорт и обеспечить условия для экономного расходования энергии (подобно принятому индивидуальному управлению освещённостью рабочего места офисного работника — установке индивидуальных осветительных устройств).
Для реализации этой цели уже начали разрабатывать специальные персональные воздухораспределители, располагаемые на расстоянии 0,5–0,8 м перед офисным работником. Применение близко расположенных персональных воздухораспределителей позволяет реализовать значительную экономию энергоресурсов за счёт создания комфортного «динамического климата» при поддержании высокой интенсивности (30–40 %) мелкомасштабной турбулентности непосредственно в зоне пребывания работника, которая в квазигеометрической прогрессии убывает при удалении от воздухоприточных устройств (рис. 2).
Поддержание высокой интенсивности турбулентности позволяет значительно (иногда на десятки процентов) сократить потребление холода системой кондиционирования здания.
При разработке персональных воздухораспределителей, обеспечивающих локальное «комфортное дыхание» офисного работника, предпочтительно также применение малогабаритных воздухораспределителей со сдвоенной перфорированной поверхностью, обладающие возможностью изменять «дальнобойность» и направление приточного низкоскоростного воздушного потока при переменном его расходе.
Для обеспечения условий повышенной комфортности в больших конференц-залах с соблюдением эстетических и акустических требований применяют индивидуальные компактные низкоскоростные перфорированные воздухораспределители, устанавливаемые за каждым посадочным местом (креслом).
На рис. 3 представлен наглядный пример внедрения воздухораспределительных устройств, дополнительно защищённых патентом [3], со сдвоенной перфорированной поверхностью, изготовленных на предприятии «Арктос» и смонтированных в 2016 году в зале КВЦ «Экспофорум» (город Санкт-Петербург).
Итак, максимально возможное уменьшение потребляемой электрической мощности электродвигателем кондиционера в VAV-системе кондиционирования воздуха на практике редко реализуется в полной мере.
Отклонение от максимального уменьшения энергопотребления при применении «перемешивающей» вентиляции помещений связано в основном с традиционным подходом к организации воздухораспределения в них, при котором проектировщики ориентируются на обязательное неизменное поддержание первоначально выбранной схемы приточных потоков и стабилизацию избыточного давления воздуха перед воздухораспределителем во всём диапазоне изменения его расхода.
Достигнуть максимальной экономии энергоресурсов при достаточно высокой степени индивидуализации запросов офисных работников в комфортных параметрах воздуха, даже при использовании «перемешивающей» схемы вентилирования помещения, позволяет применение воздухораспределителей, снабжённых «активным» программно-управляемым подвижным выпускным патрубком.
Практика показала, что для применения в помещении энергоэффективной «вытесняющей» вентиляции наилучшие показатели оказываются у низкоскоростных перфорированных воздухораспределителей, которые изначально допускают глубокое регулирование расхода приточного воздуха (при этом не изменяется схема приточных воздушных потоков). Коэффициент эффективности воздухообмена, отражающий качество использования свежего приточного воздуха, может достигать максимальных значений, близких к 100 %.
С целью уменьшения массогабаритных показателей, удешевления изделий и расширения возможностей дизайнерских проработок при их конструировании перспективным решением представляется вариант применения воздухораспределителей со сдвоенными перфорированными панелями.
Современные устройства контроля, диспетчеризации и управления функционированием вентиляционного оборудования позволяют рационально изменять расход воздуха при внедрении его программируемого распределения, создавать в помещении (точнее, непосредственно в зонах присутствия людей) атмосферу комфортной воздушной среды при максимальной экономии энергоресурсов.
Существует много новых материалов и технологий, позволяющих по-новому рассматривать ранее предложенные решения, устройства и алгоритмы управления процессом распределения воздуха в помещении. Учитывая поддерживаемую руководством страны политику импортозамещения и возрастающую роль «цифровизации» (автоматизации) экономики России, это способствует практической реализации актуальных задач по энергосбережению и комфортному воздухораспределению с максимальным положительным результатом, а также предопределяет разработку новейших предложений в этом направлении.
