Рис. 1. Хаотичное расположение наружных блоков на фасаде

История вопроса

Если рассматривать крупные российские города, то за последние 20–30 лет культура расположения наружных блоков прошла несколько этапов:

1. Хаотичное расположение блоков на фасадах, но только по согласованию с различными органами (в разных городах порядок согласования свой).

2. Координированное расположение блоков в рамках дизайн-проекта фасада здания (устройство специальных «корзин» на этапе строительства).

3. Современная реализация — отход от «корзин» для блоков и попытка убрать оборудование в централизованные ниши.

1. Хаотичное расположение блоков

В больших городах и культурных центрах данное решение ушло в прошлое из-за «захламлённости» эстетичных фасадов зданий [4]. Минусами беспорядочного расположения блоков на фасаде (рис. 1) являются:

  • неэстетичный внешний вид фасада;
  • необходимость в согласовании использования общего имущества (то есть наружных стен здания);
  • жалобы из-за «капели» из дренажных трубок [5].

При этом с технической точки зрения данное решение имеет следующие преимущества:

  • наружные блоки не мешают друг другу, могут ставиться там, где необходимо;
  • длина магистральных трубопроводов самая короткая;
  • тёплые воздушные потоки от нижерасположенных блоков не попадают на воздухозабор вышерасположенных блоков.

2. Координированные блоки

В связи с распространением массовой установки наружных блоков и появлением большего количества жалоб их стали размещать в декоративной корзине (ящике) [4], как это показано на рис. 2. Из плюсов — фасад стал более привлекательным. Но у такого решения есть и недостатки:

  • фиксированное расположение корзины может привести к увеличению длины фреоновой трассы;
  • часть корзин так и остаются пустыми.


Рис. 2. Координированные наружные блоки за декоративными решётками

3. Современная реализация. Технический колодец

Идея заключается в перемещении наружных блоков в центральную часть здания, а забор воздуха для них организовать с нижней части здания (рис. 3, 4).


Рис. 3. Модель технического колодца с оборудованием (вид сверху)

При этом движение воздуха вверх будет осуществляться естественным путём: «всплыванием» тёплых масс воздуха, нагретого наружными блоками. Очевидно, что по мере движения вверх воздух будет нагреваться всё сильнее, поэтому важно не допустить образования чрезмерно высоких температур воздушных масс, что могут привести к снижению мощности системы охлаждения или её аварийной остановке. Таким образом, встаёт вопрос о должной продуваемости колодца для исключения перегрева самых верхних наружных блоков.

Рис. 4. Температурные поля в поперечном сечении и линии тока от выбросов наружных блоков, размещённых в колодце

Плюсы такого решения:

  • полное отсутствие наружных блоков на всех лицевых фасадах здания;
  • устранение проблемы капающего на людей и фасад конденсата.

Минусы:

  • утрата полезной площади, занимаемой колодцем;
  • чем выше здание, тем большую площадь колодца необходимо предусмотреть;
  • при малых размерах колодца возможен перегрев верхних блоков.

4. Современная реализация. Техническая ниша

На данный момент в проектной практике распространяется решение по расположению наружных блоков в технической нише с ламелями (рис. 5). Во внутренний объём технических ниш воздух попадает напрямую с улицы через решётки на фасаде здания. Выброс осуществляется из того же места [6]. Плюсом этого решения является то, что оно сохраняет внешний вид фасада, все остальное только усложняет техническую составляющую проекта и несёт в себе значительные риски.


Рис. 5. Пример фасада с нишами для наружных блоков за декоративной решёткой

Проблемы, с которыми сталкиваются при размещении блоков на специально выделенных площадках — в нишах, утопленных в фасад здания:

  • снижение мощности или аварийная остановка наружных блоков не только на самых верхних этажах, но и уже с третьего-четвёртого этажа из-за превышения верхней границы рабочего диапазона температуры воздуха [7];
  • в условиях безветрия или наоборот, при наличии ветра направление потока нагретого выбрасываемого воздуха может приводить к риску обратного его затекания на воздухозабор блоков, что уже показал опыт эксплуатации объектов, построенных по такому принципу;
  • стремление некоторых проектировщиков утопить ниши глубоко в фасад ещё больше ухудшает ситуацию, так как продуваемость наружным воздухом утопленной зоны гораздо хуже, чем при плоском фасаде.

Основные решения

Перечислим основные решения, применяемые в проектной практике в попытке устранить выявленные недостатки данной системы.

Устройство перекрытия из просечной решётки

Перекрытие, выполненное из просечной проволоки, позволяет воздуху перемещаться между нишами разных этажей, что частично улучшает условия работы блоков. Получается так, что нагретый воздух перемещается в вышележащие ниши, а не циркулирует в рамках одной. При этом наиболее неблагоприятные условия всё равно складываются для блоков верхних этажей.

Минимизация количества блоков в рамках одной ниши

Это более эффективный способ, поскольку он снижает тепловую мощность каждой отдельно взятой ниши. В этом случае тёплый воздух также попадает на забор более верхних блоков, но критическая температура, при которой блок может перестать работать, смещается на несколько этажей вверх. Решение заключается в том, чтобы разместить проектное количество наружных блоков кондиционеров не в одной, а в нескольких нишах. Частным случаем такого решения является мнимая «оптимизация» проекта, когда вводится коэффициент одновременности работы всех блоков, который может меняться в широких пределах по желанию проектировщика.

К сожалению, универсального ответа на вопрос «какая суммарная мощность допустима для ниши?» пока не существует, так как это зависит от множества факторов: высоты здания, архитектуры фасада, наличия ветра и др.


Рис.6.Направление выбросных решёток в противоположные стороны

Направление выбросных решёток в противоположные стороны

Для снижения вероятности обратного затекания потока нагретого воздуха через воздухозаборные решётки наружные ламели направляют в противоположную сторону от воздухозабора (рис. 6). Плюсы:

  • не удорожает проект;
  • незначительно улучшает работу наружных блоков.

Минус — возможность обратного затекания сохраняется.

Перспективные решения

Разнесение забора и выброса воздуха по разным фасадам либо на расстояние

Это решение реализовывается с помощью воздуховода, который забирает холодный воздух со стороны дома, противоположной выбросу горячего воздуха, и подаёт его на воздухозабор наружных блоков (рис. 7).


Рис. 7. Разнесение забора и выброса воздуха по разным фасадам

Плюс — полное исключение перегрева наружных блоков. Минус — использование полезной внутренней площади здания, так как требуемое сечение таких воздуховодов довольно существенно.

Разделение на «горячие/холодные» зоны

Наиболее эффективным и перспективным способом решения проблемы перегрева воздуха является разделение ниши на две зоны: «холодную» и «горячую» с помощью перегородки (рис. 8).


Рис. 8. Разделение на условно «горячую» и «холодную» зоны

Плюсы:

  • практически не удорожает проект;
  • возможно применение на уже существующих объектах;
  • высокая эффективность, в том числе для высотных зданий.

Минус — для нетипового проекта требует проведения расчётов с учётом архитектуры фасада, окружающих зданий и преобладающих ветров, что можно выполнить при помощи математического моделирования (CFD-моделирование).

Пример расчётов при помощи математического моделирования

Чтобы понять, какую разницу в качестве работы наружных блоков кондиционеров вносит решение по разделению ниши на «тёплую» и «холодную» зоны, рассмотрим работу системы на примере 20-этажного жилого здания при помощи методов численного моделирования. В качестве наружных условий выбрана температура +26°C.

Численное моделирование проведено с помощью сертифицированного вычислительного комплекса Siemens STAR-CCM+, предназначенного для решения задач в области вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics, CFD) и используемого для моделирования объектов, работающих в реальных условиях.

Рассмотрим два варианта работы наружных блоков:

1. С устройством железобетонного перекрытия и размещением блоков у стены (типовое применяемое решение).

2. С устройством разделения зон забора и выброса воздуха с помощью перегородки в центре ниши.

Железобетонное перекрытие с блоками у стены

Рассмотрим варианты работы данной схемы в двух режимах: «безветрие» и «ветер, направленный в сторону ниши».

Минусом рассматриваемой схемы расположения блоков у стены и устройства железобетонного перекрытия является сильный перегрев рециркуляционных потоков внутри ниши. Потоки воздуха, направленные в стену от ближайших к решёткам блоков, перекрывают свободный выход нагретого воздуха. Тёплый воздух, оставаясь в нише, идёт на воздухозабор рядом расположенных блоков, тем самым нарушая их нормальное функционирование, как это показано на рис. 9.


Рис. 9. Горизонтальное сечение через 18 этаж в режиме безветрия

Результаты моделирования показали, что во всех рассматриваемых вариантах работы существенное количество наружных блоков достигает максимальной температуры на воздухозаборе уже начиная со второго этажа. Таким образом, в данных условиях блоки не будут обеспечивать расчётную мощность, необходимую для охлаждения квартир (табл. 1).

Необходимо отметить, что ветер не оказал существенного влияния, нормально функционируют лишь те блоки, которые находятся вблизи воздухозаборной решётки (рис. 10, табл. 2).


Рис. 10. Горизонтальное сечение через 18 этаж в режиме ветра, направленного в сторону ниши

Разделение на «горячую» и «холодные» зоны

Моделирование показало, что данная система функционирует корректно даже при 100%-й загрузке в режиме безветрия и ветра, направленного в сторону здания. Отличного результата удалось добиться после выноса перегородки на небольшое расстояние от фасада.

Перегородка смогла исключить взаимное влияние выброса и забора. Также улучшают режим ламели, направляющие нагретый поток в сторону, противоположную от забора воздуха.

Выбрасываемые горячие потоки не поворачивают на забор воздуха, а уходят в противоположную сторону, тем самым решая проблему перегрева наружных блоков (рис. 11 и 12, табл. 3 и 4).


Рис. 11. Горизонтальное сечение через 18 этаж в режиме безветрия


Рис. 12. Горизонтальное сечение через 18 этаж в режиме воздействия ветра в сторону ниши

Выводы

1. Опыт эксплуатации современных решений со скрытым расположением наружных блоков сплит-систем (в техническом колодце, технической нише) показал неустойчивую работу систем охлаждения, выключение наружных блоков даже при относительно невысоких температурах наружного воздуха.

2. Выполненное численное моделирование воздушных потоков, формирующихся при эксплуатации данных систем, показало, что проблемы при работе оборудования вызваны перегревом воздуха, поступающего с выброса одних наружных блоков на забор других.

3. С помощью численного моделирования была разработана принципиальная концепция расположения наружных блоков в нишах, позволяющая уйти от проблемы перегрева воздуха при работе оборудования. Суть предложенного решения: физическое разделение технического балкона (ниши) на «горячую» и «холодную» зоны. Получено, что при данной схеме, даже при самых неудачных направлениях ветра, горячий поток не разворачивается обратно на воздухозабор.

4. Предложенный способ решения проблемы с перегревом позволяет не использовать внутренний объём здания. Кроме того, его можно применять для модернизации уже существующих проблемных систем.

5. Эффективность разработанного решения справедлива для зданий с плоским фасадом. Однако его распространение на фасады произвольной формы требует дополнительной проработки.