Что такое система потолочного отопления и кондиционирования? Основа системы — потолочные панели, передающие тепло или холод посредством теплового излучения. Они изготавливаются из металла или гипсокартона, стыкуются с алюминиевыми пластинами-диффузорами, по которым течет холодная (горячая) вода (или специальный теплоноситель). Те, в свою очередь, соединены между собой гибкими трубами из сшитого полиэтилена, стыковка — через быстроразъемные фитинги. Воздух в помещении охлаждается посредством комбинированного конвективноизлучаемого действия. В основу действия потолочных систем заложены процессы естественного теплообмена, поэтому ощущаемый эффект от их воздействия принципиально отличается от создаваемого традиционными VAV-системами кондиционирования. Лучистая потолочная система кондиционирования иначе влияет и на энергетический баланс тела человека. Голова, от которой исходит тепло, лучше обменивается энергией с холодной поверхностью наверху, что оптимально для обеспечения комфортного состояния для человека. Воздух в систему подается постоянным объемом — это исключает возможность его оседания вниз во время уменьшения потока, как это происходит в VAV-системе. При этом объем подаваемого наружного воздуха на 20–70% ниже и это весомый фактор, как со стороны энергосбережения, так и со стороны сохранения здоровья находящихся внутри кондиционируемого помещения людей. Уровень комфорта по сравнению с другими системами кондиционирования гораздо выше, потому что излучающая нагрузка обеспечивается напрямую, и движение воздуха в помещении представляет собой ни что иное, как естественную вентиляцию. Это одно из самых существенных преимуществ потолочной системы кондиционирования: сокращенный объем подачи воздуха в системе и излучающая потолочная панель делают помещение практически лишенным холодных вихревых потоков. Еще один аргумент в пользу потолочных систем — их способность к поглощению избыточного тепла нагретых предметов, находящихся в помещении. Тепло, накопленное такими телами, в течение долгого срока передается во внутреннюю среду путем излучения и конвекции. Потолочные панели обладают способностью эффективного поглощения теплового излучения таких нагретых предметов. Повышенная способность к смешению воздуха в течение одного ограниченного выброса позволяет направлять в помещение воздух довольно низкой температуры, не давая казаться ему неприятным. Более того, низкая температура позволяет эффективнее контролировать влажность. Смена воздуха может оставаться на минимуме, требуемом нормами, поскольку потолок обеспечивает повышенное охлаждающее действие. Благодаря этому свойству при наличии потолочной системы охлаждения в помещении с температурой 26°С создается ощущение температуры 24°С, которое мы получили бы при помощи традиционных установок кондиционирования. Помимо экономии электроэнергии, это означает, что вентиляция может вытягивать больше ощущаемой теплоты, т.к. воздух может нагреться на 2°С больше, проходя через помещение. Есть еще целый ряд аргументов в пользу лучистых потолков перед традиционными VAV-системами: ❏ оборудование потолочной системы кондиционирования не спрятано в стенах, что в значительной мере упрощает сами стены, пол и другие строительные структуры объекта; ❏ устройства кондиционирования без затруднений могут быть установлены в центральной зоне здания, что значительно упрощает их техническое обслуживание; ❏ посылаемый в помещение воздух не превышает нормативных требований по снижению влажности и вентиляции помещения; ❏ благодаря модульной панели обеспечивается гибкость в смене распределения кондиционирования помещений; ❏ единая система распределения воздуха может обслуживать как внутренние, так и периферийные зоны. Внутри помещения на поверхностях отсутствует влажность, что значительно уменьшает риск бактериального заражения; ❏ полное отсутствие какого-либо шума; ❏ пиковые скачки значительно уменьшены благодаря тепловой энергии, которая аккумулируется в панели, стенах и перегородках; ❏ потолочные панели могут совмещаться с другими системами кондиционирования. Области применения ❏ Офисы — потолочные металлизированные панели в системе кондиционирования с пониженной инерцией устанавливаются в непосредственной близости к местам, где воздух рассеивается. Подача как теплого, так и холодного воздуха осуществляется в соответствии с заданным режимом использования. Система, как правило, представляет собой ряд установленных колонн, снабжающих воздухом горизонтальную потолочную сеть, которая, в свою очередь, обеспечивает распределение воздуха по зонам или отдельным офисным местам. Регулировка воздушного потока возможна как в целом по офису, так и в отдельных зонах с помощью гидравлической части системы. ❏ Жилые помещения и гостиницы. Для этой категории зданий предпочтительны по эстетике и функциональному назначению потолочные панели из гипсокартона. Контроль влажности и смены воздушных масс обеспечивается сетью воздушных каналов, которые обрабатывают первоначальный воздушный поток и гарантируют запланированную подачу воздуха. ❏ Больницы, поликлиники. Для пациентов и посетителей медицинских центров потолочное кондиционирование считается наиболее правильным, поскольку такая система гарантирует максимальный комфорт, минимальную возможность для распространения бактерий вследствие минимальной конвекции и максимальное энергосбережение. Принцип действия Для того, чтобы понять как функционирует система потолочного охлаждения, приведем пример. На рис. 1 представлена схема действующей системы кондиционирования здания Департамента архитектурной инженерии университета Pen State (Пенсильвания, США). Это исследовательский проект, результаты которого были опубликованы ASHRAE* в 2003 г. Исследовательская лаборатория представляет собой пространство в 297 м2. Одна стена граничит с внешней и три смежные стены — с помещениями, не подключенными к кондиционированию. Пол и потолки также смежены с помещениями без кондиционирования. Высота потолка — 4,3 м, лаборатория освещается при помощи свисающих ламп до 2,7 м. Вместимость — до 40 человек. Функционирование системы представляет собой процесс из двух стадий. При низких нагрузках первая стадия охлаждения воздуха обеспечивается воздухом со сменной температурой, производимым системой кондиционирования типа DOAS. Увеличив холодильную нагрузку, первая регулировка оказывает воздействие сначала только на воздух, понижая его температуру достаточно низко, чтобы обеспечить точку росы. Если температура внутри рабочей зоны остается выше заранее установленного значения, в работу включается вторая система на основе лучистых панелей, которая вытягивает ощущаемый избыток тепла. В любом случае клапан, который питает панель, не открывается до тех пор, пока показатель температуры в точке росы не будет под контролем посредством удаления влаги. Температура воды в панели модулируема, что позволяет добиться в помещении желаемой температуры. Она будет держаться в любом случае на 1,5°С выше точки росы, чтобы предупредить конденсацию. Схема представлена различными зондами-датчиками, которые были размещены по контрольному контуру, чтобы выделить множество параметров. Со ссылкой на основные контрольные показатели, можно кратко изложить принцип действия системы. 1. Наружный климатический контроль. ❏ Если температура Т6 опускается ниже ранее установленного значения (в нашем примере это 6,6°С), ни один из компонентов системы не будет задействован до тех пор, пока не будет произведен подогрев до рабочей температуры. 2. Вентиляция и контроль воздуха. ❏ Подача наружного воздуха и выпуск отработанного обеспечиваются двумя раздельными вентиляторами, которые работают в условии «занятого помещения». ❏ Энтальпийное колесо обеспечивает полную рекуперацию энергии по двум воздушным каналам. 3. Контроль температуры помещения с кондиционированием. ❏ Клапан V1 меняет положение для обеспечения необходимой температуры в помещении Т9. В любом случае есть граница для температуры Т8, чтобы она не опустилась ниже минимального значения (12°С). Если Т8 достигла заданной температуры (обычно 13°С), а в помещении Т9 требуемая температура (25°С) не достигнута, включаются насос Р2 и клапан V2, чтобы температурный показатель достиг заданной величины внутри помещения. Минимальная температура подачи воды +1,5°С — это предупреждает конденсацию на поверхности панели. ❏ Если датчик указывает на образование конденсации, насос Р2 останавливается, а клапан V2 закрывается. (В системах GIACOMINI на этой фазе реализован инновационный подход: циркуляционный насос продолжает работать и поднимается Т3 подачи, воздействуяна V2.) Это позволяет выгодно использовать квоту воздушного излучения при пониженной мощности. В любом случае необходимо предусмотреть систему пассивной защиты. 4. Контроль охлаждения. Если наружная температура Т6 выше минимально установленного значения (–6,6°С), система продолжает работать, насос Р1 и чиллер CH1 находятся во включенном положении. Обратная вода (CHWR) байпаса чиллером CH2 не задействована, смешивается с поступающей от чиллера CH1 при температуре 6,67°С, формируя поток подачи CHWS. Если охлаждающий змеевик требует больше запланированной расходной мощности (конец хода смесительного клапана), вступает в действие второй чиллер CH2, который обеспечивает, в свою очередь, подачу воды температурой 6,67°С. 5. Энтальпийное колесо: ❏ Если энтальпия (теплосодержание) наружного воздуха больше энтальпии воздуха на выходе, энтальпийное колесо начинает вращаться. ❏ Если энтальпия наружного воздуха одинакова или меньше энтальпии выпускного обратного воздуха и точка росы больше 11,1°С, то энтальпийное колесо останавливается. ❏ Если точка росы наружного воздуха равна или ниже 11,1°С, то скорость вращения энтальпийного колеса меняется регулятором скорости, пока не достигнет величины, при которой она не будет ниже 11,1°С. Экономические результаты экспериментальной новаторской системы в университете Пенсильвании получили следующую оценку: ❏ энергопотребление чиллеров на 25% ниже, чем в VAV-системах. Уже на стадии проектирования тепловой нагрузки размеры чиллеров уменьшены на 29% благодаря общему энергосбережению и понижению воздухозабора в системе; ❏ охладительная нагрузка змеевика и лучистой панели на 7,6 % в год меньше по сравнению с VAV-системой; ❏ VAV-система расходует в два раза больше электроэнергии; ❏ вентиляторы потребляют только 29% энергии, потребляемой VAV-системой, благодаря ограниченной подаче воздуха; ❏ и, наконец, система с лучистыми потолочными панелями ежегодно экономит 42 % всей электроэнергии по сравнению с VAV-системой. Благодаря меньшим энергонагрузкам эксплуатационные затраты значительно ниже, что дает серьезную ежегодную экономию: в совокупности этот показатель был оценен в 35 %. Кроме того необходимо учитывать, что обесценивание фанкойлов по мере эксплуатации в потолочной системе происходит гораздо медленней. Когда фанкойлы в VAV-системе подлежат замене, те что используются в потолочной системе, будут иметь еще 15 лет эксплуатационного срока в запасе. При первом знакомстве с данной системой кондиционирования вероятнее всего возникнут сомнения по вопросу конденсации. Остановимся на нем подробнее. Важный аспект: конденсация и контроль над нею Имея дело с лучистыми потолками, т.е. с относительно холодными поверхностями, невозможно не говорить о проблемах, связанных с конденсацией, типичными для любых установок кондиционирования. Рассмотрим, что может произойти в помещении в ситуации непредвиденного функционирования с риском образования конденсата. В помещении на 93 м2 высотой 3,7 м, рассчитанном на семерых людей, вентиляция равна 0,011 кг/с, воздух подается со значением удельной влажности 6,08 г/кг, влажность окружающей среды — 8,25 г/кг, температура направляемой в панели воды — 12,8°С (на 1,7°С выше точки росы), с соответствующей степенью удельной влажности, равной 9,23 г/кг. В случае заполнения помещения людьми понадобился бы час времени, прежде чем температура точки росы достигла бы значения температуры воды запитывания потолка. Даже если степень заполнения помещения людьми утроится, влажность поднимется до 12,56 г/кг и понадобится примерно 30 мин, прежде чем на поверхности образуется конденсат. В реальности, если принимать во внимание гигроскопические характеристики помещения, увеличение влажности произойдет намного медленнее. Риск конденсации может быть связан не только с заполнением помещения людьми, но в случае выполнения всех проектных условий, направленных на избежание падения температуры панели ниже точки росы, и в тоже время на обеспечение оптимальной производительности, образование конденсата не происходит по определению. Тем не менее, существуют разные системы, чтобы предотвратить образование конденсата. Среди них наиболее эффективная — это датчик пассивной защиты — зонд, который устанавливают таким образом, чтобы он соприкасался с наиболее подверженной риску конденсации поверхностью. Когда слой поверхностного воздуха приближается к условиям росы (в районе 95 % по относительной влажности), от зонда исходит сигнал на электронную станцию управления, давая команду на повышение температуры подачи воды (на рис. 2 показан процесс регулирования зондом пассивной защиты в виде графика). После устранения условий риска станция возвращается к нормальному функционированию. Некоторое сомнение может остаться в случае открытия окон, что, несмотря на ущерб системе кондиционирования, расценивается как инстинктивный поиск свежего воздуха. В этой связи полезно привести практический опыт, проведенный в лабораториях архитектурной инженерии в Пенсильванском государственном университете профессором Стэнли Муммой, действительным членом ASHRAE. По условиям опыта были открыты окна и две наружные двери экспериментальной лаборатории лучистых потолков (площадь помещения — 297 м2). Внутренние условия: точка росы — 14,2°С, удельная влажность — 10 г/кг, внешняя точка росы — 19°C, относительная влажность — 14 г/кг. Температура росы быстро поднялась с показательным ходом до значения 18°С, всего лишь на 0,6°С ниже значения внешней точки росы. Быстрый рост температуры вызвал закрытие контрольного клапана V2 потолочной системы, поскольку температура жидкости запитывания потолка была значительно ниже значения точки росы окружающей среды. Клапан сработал в течение одной минуты и полностью закрылся через четыре минуты после того, как были открыты окна и двери. Задержка срабатывания клапана вызвала задержку ответного действия воды в панели. Закрытие клапана запитывания панелей вызвало повышение температуры воды на входе в панель. Через 22 мин после открытия окон две кривые температуры воды и внешней точки росы встретились, и в этот момент исчез риск конденсации. После неоднократного повторения теста с тождественными результатами автор считает, что конденсация в просторном помещении легко контролируется даже в случаях, когда могут произойти непредвиденные ситуации. * Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха. РИСУНКИ:1~1~;2~2~;