Факторы комфорта Стремление создать в строящемся доме или офисе комфортабельную и здоровую среду обитания — очевидная цель для специалистов по отоплению, вентиляции и кондиционированию помещений. Задачей инженера-проектировщика является достижение этой цели с одновременным обеспечением максимальной экономии энергии и минимальной стоимости системы в целом. Комфортная для человека среда обитания определяется следующей совокупностью множества факторов: температура воздуха; скорость воздушного потока вблизи людей; влажность воздуха; давление воздуха; температура окружающих предметов и ограждений; содержание твердых и газообразных примесей в воздухе. Различная комбинация этих параметров и есть качество среды обитания. Имеется целый ряд стандартов, регламентирующих соотношение данных факторов. Наиболее всеобъемлющим является стандарт ASHRAE 62.Исторически сложилось так, что до середины 1990х годов большинство зданий в России строилось с радиаторной системой отопления и естественной вентиляцией. Неплотные оконные системы способствовали естественной вентиляции. Последнее десятилетие можно охарактеризовать широким внедрением в строительство современных, «плотных» оконных систем, которые практически не пропускают воздух. Кроме того, появилась потребность в существенно более высоком уровне комфорта в течение всего года, что в свою очередь вызвало широкое применение кондиционирования помещений и использование принудительной вентиляции. До сих пор качество среды обитания российские инженеры характеризуют только температурой в помещении и величиной воздухообмена. В связи с этим проблему несоответствия старых советских зданий потребностям рынка пытаются решить полной реконструкцией комплексов отопления и вентиляции в зданиях с применением самых современных систем подготовки воздуха и управления климатом. Оборудование указанными выше системами строящихся зданий высокой категории в настоящее время стало стандартным. Три составляющие комфорта Сегодня проектирование климатических систем ведется тремя категориями инженеров по каждому из блоков: отоплению, вентиляции и кондиционированию. Результат такого подхода часто совершенно не удовлетворителен, т.к. все системы работают несогласованно, а зачастую мешают друг другу. Это относится к оборудованию, работа которого не связана в единый комплекс и никак не автоматизирована. Предлагается рассмотреть ситуацию, когда на состояние воздуха в помещении воздействуют три независимые системы — радиаторное отопление, принудительная вентиляция и кондиционирование. Проблема в том, что кондиционирование и отопление не всегда работают попеременно в зависимости от потребностей в обогреве или кондиционировании. Часто требуется позонное управление климатом. Даже в холодные зимние дни комбинация солнечной радиации в помещениях, расположенных на южной стороне дома, и внутренних тепловых выделений может быть достаточной для необходимости вывода избытков тепла в некоторых зонах здания. В переходные периоды года это и вовсе обычное явление. Из-за того, что нет прямой связи между радиаторным отоплением, мощность которого управляется локальными клапанами, и комплексами кондиционирования, которые управляются термостатом, обе системы часто работают одновременно. При этом имеет место непроизводительный расход энергии. Потоки воздуха Нагретые до значительных температур радиаторы генерируют довольно мощное конвекционное движение воздуха. Регистры подачи охлажденного воздуха в помещение обычно располагаются на потолке и, по крайней мере, часть потока из них направлена навстречу движению воздуха от радиаторов. Эти потоки имеют большую разность температур, иногда доходящую до 20°C. Холодный воздух (большей плотности) опускается под поток теплого. Также не следует забывать, что существует еще один поток воздуха в помещении — от системы вентиляции. В результате возникает явление, которое в быту принято называть сквозняком. И хотя средняя температура в помещении в результате взаимодействия трех потоков может быть в пределах заданных значений, люди чувствуют себя дискомфортно. Во избежание указанных негативных явлений специалисты в области климатотехники рекомендуют обеспечивать одинаковую температуру всех инжектируемых в помещение воздушных потоков. Это достигается тем, что воздух подается из одной установки, которая одновременно выполняет функции отопления, кондиционирования и вентиляции. Базируясь на этой идее, проектируется и модернизируется большая часть современных климатических комплексов на Западе и в России. Системы комфорта В настоящее время уже сложился некий круг систем, широко применяемых при создании комфортабельной среды обитания в многоэтажных общественных зданиях. Опытным путем специалисты отобрали наиболее эффективные и экономичные комплексы, характеризующиеся долговечностью и относительной неприхотливостью. Все типы систем можно разделить на два класса: системы с центральным этажным кондиционером и терминальными воздушными распределительными коробками и терминальные установки. VAV-системы Системы с центральным этажным кондиционером и терминальными воздушными распределительными коробками принято также называть одноканальными VAV-системами. Центральный кондиционер в этих комплексах полностью подготавливает воздух — смешивает рециркуляционный со свежим, очищает смесь, нагревает или охлаждает, удаляет излишнюю влагу или, напротив, увлажняет и подает в общий воздуховод. Каждое помещение имеет свою распределительную коробку (VAV box), которая обеспечивает две функции: поддержание заданной температуры в помещении и гарантированное обеспечение количества свежего воздуха. Обе функции выполняются путем дросселирования поступающего в помещение кислорода при помощи изменения положения воздушного клапана. Коробка имеет специальный датчик расхода, контроллер ограничивает положение клапана таким образом, чтобы гарантировалось минимальное количество свежего воздуха. Поскольку коробки из общего воздуховода потребляют переменное количество воздуха, центральный кондиционер должен также регулировать количество вырабатываемого воздуха таким образом, чтобы давление в воздуховоде поддерживалось постоянным. Данные системы в Соединенных Штатах Америки, например, нашли широкое применение в тех случаях, когда во всех обслуживаемых помещениях требуется один режим — отопление либо охлаждение. В условиях климата средней полосы России последнее условие, как правило, не выполняется. Существуют двухканальные VAV-системы, в которых два кондиционера подготавливают теплый и холодный воздух соответственно, а VAV-коробки смешивают воздух из двух каналов в нужной пропорции для обеспечения нужной температуры. Такие комплексы энергетически чрезвычайно расточительны и в последние годы применяются редко, в основном в больницах. Терминальные установки Терминальные установки — это фактически маленькие кондиционеры, которые выполняют те же самые функции, что и центральные, но обслуживают одно или несколько смежных помещений, которые могут требовать один и тот же режим. Наиболее распространенными типами таких установок являются фанкойлы и водовоздушные тепловые насосы. Системы с фанкойлами могут быть двухтрубные и четырехтрубные. Первые применяются только в тех случаях, когда все здание или, по крайней мере, весь этаж требует одного режима — отопления или охлаждения. Поскольку это условие в условиях средней полосы России выполняется редко, двухтрубные системы у нас не должны применятся. Использование таких комплексов совместно с традиционными радиаторными системами отопления неизбежно приводит к повышенному расходу энергии и рудиментарному качеству среды обитания, что сводит все усилия по модернизации климатической системы здания к нулю. Четырехтрубные фанкойлы имеют два теплообменника — отопительный и охладительный. Каждая установка может работать независимо в режимах отопления, охлаждения или вентиляции. Хотя четырехтрубные системы несколько дороже двухтрубных, они дешевле комплексов, в которых двухтрубный фанкойл совмещен с радиаторной системой. Кроме того, такие комплексы обеспечивают несравненно более высокое качество среды обитания. Для питания четырехтрубных фанкойлов необходимы источники охлажденной и горячей воды. Горячая вода может вырабатываться теми же методами, которые применяются для радиаторного отопления, т.е. в ЦТП, ИТП или же индивидуальной котельной. Охлажденная вода в данном случае вырабатывается чиллерами. Чиллеры в свою очередь могут быть центральными либо поэтажными. Центральные чиллеры — это машины, требующие больших залов с тщательной вибро- и звукоизоляцией, сложной и дорогостоящей гидравлической обвязки, специального высококвалифицированного обслуживания. В последнее время все большее распространение получают децентрализованные чиллерные системы, в которых небольшие чиллеры помещаются на каждом этаже вблизи фанкойлов, которые они обслуживают. Такие чиллеры строятся на базе герметичных, очень надежных и тихих скролл-компрессоров и питаются от общего кольцевого водяного контура. Как правило, данные установки имеют реверсивный клапан, который позволяет использовать их не только для охлаждения, но и для нагрева воды. Водовоздушные насосы В последние годы в России при построении климатических систем в больших офисных и многофункциональных зданиях все чаще применяются тепловые водовоздушные насосы. Они обладают рядом преимуществ, главное из которых — их энергосберегающие возможности. Значительную часть года насосы почти не потребляют энергию извне, а только перекачивают тепло из зон с его излишками в помещения, требующие обогрева. Тепловые насосы несколько проигрывают фанкойл-системам по качеству среды обитания в том случае, если последние имеют аналоговые клапаны, управляемые микропроцессорными контроллерами. Это позволяет обеспечивать высокую точность поддержания температуры. Сами тепловые насосы — это установки прямого расширения и регулируют температуру только методом включения/выключения. Этот метод регулирования предполагает некоторые (обычно небольшие — 0,5–1°C) колебания температуры во времени. Следует обратить внимание, что, обсуждая модернизацию систем отопления и кондиционирования, не упоминаются сплитсистемы как средство построения климатических систем больших зданий. Объясняется это тем обстоятельством, что практически невозможно связать работу сплитсистем с работой отдельной системы отопления и вентиляции и соответственно построить комфортабельные климатические системы на их основе. Автоматизация Здания, в которых сосуществуют независимые системы отопления, кондиционирования и вентиляции, строились не только в советские времена. В последние годы было также возведено значительное количество сооружений, которые не удовлетворяют даже самым элементарным требованиям качества среды обитания. Теоретически полностью переделать климатическую систему в таких зданиях можно, но на практике подобная модернизация нецелесообразна по экономическим и организационным причинам. В таких случаях на помощь приходит автоматика. Перед системой автоматического регулирования ставится две основные задачи: не допускать одновременную работу системы кондиционирования и отопления в помещениях; обеспечивать инжекцию свежего воздуха в помещение с температурой как можно ближе к температуре основного потока. В тех случаях, когда отопление обеспечивается радиаторной системой, а охлаждение — фанкойлами, применяется один из двух способов решения данных задач. Во-первых, путем применения позонной системы управления. Эта система управляет всеми автоматическими клапанами как на радиаторах, так и на фанкойле в каждой зоне. Когда возникает потребность в отоплении, автоматика закрывает клапаны на фанкойле и регулирует температуру в помещении, моделируя положение клапанов на радиаторах. При необходимости охлаждения автоматика выключает радиаторы зоны и управляет фанкойлом. Когда температура в зоне находится между отопительной и охладительной уставками, автоматика выключает и отопление, и охлаждение. Поскольку система автоматики имеет информацию о режимах работы каждой зоны, она может принять решение о наиболее благоприятной температуре подачи вентиляционного воздуха. Второй путь — применение пофасадной системы регулирования. При этом здание оснащается датчиком солнечной радиации. Система управления, используя самообучающийся алгоритм, отключает комплексы радиаторного отопления пофасадно, когда вероятность потребности в охлаждении возрастает. Для управления температурой вентиляционного воздуха в этом случае можно использовать температуру внешнего воздуха и степень солнечного нагрева. Вторая система автоматизации существенно дешевле первой, однако она не может полностью исключить вероятность совместной работы систем отопления и охлаждения в некоторых зонах. На практике этим приходится пренебрегать, потери в этом случае минимальны. Выводы Таким образом, климатические системы современных многоэтажных зданий целесообразно строить на основе воздушных методов отопления, вентиляции и кондиционирования, сосредоточенных в единой установке. То есть важен именно комплексный подход к проектированию подобных систем. Применение же радиаторных методов отопления вызывает ряд неразрешимых проблем с качеством среды обитания и энергоэффективностью зданий. В конечном итоге имеет смысл полностью отказаться от использования радиаторного отопления. Практика показывает, что сегодня существует достаточный инструментарий, набор технологий для решения любых задач по модернизации климатических и отопительных систем зданий любой сложности. Однако универсальных подходов не существует, это нетривиальная задача, которая каждый раз требует индивидуального комплексного подхода инженеров. Наиболее оптимальный, относительно недорогой способ эффективного управления климатом в зданиях старой постройки остается внедрение автоматизированной системы, связывающей существующие климатические звенья в единый комплекс. На основе автоматики можно достаточно точно регулировать температуру воздуха и притоки воздуха в помещения. Важно понимать, что системы автоматического регулирования параметров среды обитания в состоянии несколько скомпенсировать недостатки конструкции климатических систем, но не способны полностью их ликвидировать, и в ряде случаев требуется более серьезное вмешательство в существующую климатическую систему.