Под климат-контролем подразумевается согласованное управление системами вентиляции, отопления и кондиционирования здания. Эта система призвана поддерживать три составляющих параметра: температуру воздуха, его влажность и подвижность. Немаловажной задачей климат-контроля также является минимизация энергопотребления при одновременном поддержании высокого уровня комфорта для жильцов.
Если речь идет об устройстве климатконтроля в загородном доме или здании, включающем помещения разного назначения, используют такое современное понятие, как «многозонный климатконтроль». Влажность — это параметр сложный в регулировании и поддержании, поэтому значение влажности обычно задается «единым» на весь дом. Как правило, для поддержания определенного уровня влажности в зданиях устанавливают увлажнители воздуха, которые используются преимущественно в зимнее время.
Осушители воздуха встречаются реже и применяются в основном в помещениях с бассейнами. Реализовать идею климат-контроля в полной мере невозможно без установки механической приточно-вытяжной вентиляции. Чем обычный дом отличается от «умного» с точки зрения климат-контроля? В обычном доме различные климатические системы функционируют отдельно друг от друга и требуют индивидуальных настроек.
Их действия не взаимосвязаны и не согласованы друг с другом. В «умном» доме все климатические системы работают взаимосвязано, управляются по заранее заданному алгоритму и предоставляют пользователю единый интуитивно понятный интерфейс управления климатом. Как выглядит этот процесс? Пользователь выставляет требуемые параметры, после чего система сама заботится об их поддержании. Какие инженерные решения возможны для управления климатом в доме? Рассмотрим наиболее распространенные варианты с присущими им многими особенностями.
Механическая приточно-вытяжная вентиляция
Этот тип вентиляции выбирают 80 % заказчиков. Приточные установки подразумевают круглогодичное использование, поэтому для достижения экономии энергопотребления прибегают к применению рекуперации тепла вытяжного воздуха, исключают работу вентиляции в тех помещениях, где в текущий момент времени этого не требуется. Среди моделей, представленных на рынке, немало приточных установок, в которых секция подогрева приточного воздуха получает горячую воду от котла.
Также приточные установки могут комплектоваться дополнительной секцией электрического подогрева. Блок автоматики следит за температурой обратной воды, и при угрозе замерзания подача холодного воздуха перекрывается. Установки могут быть укомплектованы секцией охлаждения, функционирующей преимущественно в летнее время. Холод в секцию поступает от воды, используемой в холодильной машине (чиллере).
Подготовленный приточный воздух подается в комнаты по системе воздуховодов. В сложных (разветвленных) системах вентиляции используются зональные заслонки, регулирующие объемы подаваемого воздуха. Когда речь идет о жилых помещениях, во избежание перетекания приточного и вытяжного воздуха в жилых зонах дома организуется подпор. Для достижения максимальной экономии используют моноблочные приточно-вытяжные установки с рекуперацией тепла вытяжного воздуха.
Такие установки отличаются высокой стоимостью, удорожание процесса их установки также связано с большой протяженностью воздуховодов. Однако при эксплуатации (за счет утилизации тепла вытяжного воздуха) достигается экономия не менее 50 % энергии, необходимой на подогрев приточного воздуха. Для большого загородного дома с постоянным проживанием за год данная экономия выливается в существенную сумму.
Отдельные модели рекуператоров позволяют производить не только теплообмен, но и влажностный обмен, отслеживая параметры влажности приточного воздуха. Для вытяжной вентиляции можно реализовывать алгоритмы управления, интегрируя их с другими системами «умного» дома. В этом случае возможно включение света и вытяжного вентилятора в ванных по датчикам движения, вытяжки на максимальную мощность в курительных комнатах и на кухне при срабатывании датчика качества воздуха.
Радиаторы водяного отопления
Присутствующая во всякой системе ступень нагрева — водяное отопление, которое с помощью отопительных приборов в помещениях доводит температуру воздуха до нужного значения. К этому классу устройств можно отнести встраиваемый в пол конвектор. Чаще всего отопление в загородном доме строится по коллекторной схеме: на этаже ставится коллектор (гребенка), от которого отходят подводки к отдельным радиаторам.
Большинство производителей коллекторов выпускают гребенки со встроенными регулирующими клапанами, которые вписываются в общую систему управления домом и являются штатным способом управления производительностью радиаторов. Клапан может находиться либо на радиаторе, либо на гребенке в техническом помещении. В зависимости от типа запорнорегулирующей арматуры производительность радиаторов может регулироваться двумя способами.
Первый тип регулирующих клапанов имеет только два положения: «открыто» и «закрыто» (промежуточных положений нет). Например, если необходимо получить 30 % от полной производительности радиатора, в течение 10 минут клапан будет находиться в положении «открыто», а затем на протяжении 20 минут — в положении «закрыто». Таким образом, полный цикл регулирования будет длиться 30 минут, в течение которых вода будет проходить через отопительный прибор только треть времени.
Каждый отопительный прибор имеет тепловую инерционность. Это позволяет управлять производительностью системы, задав полный цикл отопления 15–30 минут. Второй способ регулирования работы радиаторов подразумевает использование пропорциональных приводов, обладающих способностью плавно перекрывать сечение клапана от 0 до 100 % (количественно). Такой подход чаще применяют для малоинерционных приборов, например фанкойлов.
Пропорциональные приводы бывают с интерфейсами управления 0–10 В (2–10 В) или с подключением к шинам управления (шинный кабель и питание). Однако такой способ регулирования обойдется примерно в пять раз дороже вышеописанного, в связи с чем он преимущественно используется в общественных зданиях и сооружениях.
Конвекторы
В системе «умный дом» используются встроенные в пол конвекторы. Они могут быть активными и пассивными (с вентилятором и без него). Эстетичный внешний вид этих отопительных приборов (прибор спрятан в полу, под окном на полу располагается только решетка) позволяет использовать их в домах с большой площадью остекления. Работа конвектора с вентилятором строится по принципу предоставления высшего приоритета регулированию количества горячей воды, проходящей через прибор. Вентилятор включается только в том случае, когда пассивного режима не хватает для обеспечения необходимой температуры в помещении. Чтобы обеспечить нужную производительность конвектора, мощность вращения вентилятора изменяется, что одновременно способствует экономии электроэнергии.
«Теплый пол»
Важное значение в отоплении «умного» дома играет система «теплый пол». Данный вид отопления обеспечивает подогрев поверхности пола, а также участвует в нагреве воздуха в комнате. Для того чтобы «теплый пол» был включен в систему климат-контроля, он должен занимать значительную часть поверхности пола, так как только в этом случае данная система отопления оказывает значительное воздействие на изменение температуры в помещении.
Фанкойлы
Фанкойл представляет собой оборудование, регулирующее температуру и влажность воздуха в помещении. Некоторые модели работают только на охлаждение воздуха, другие также и на обогрев. Если речь идет о нагреве, то принцип работы фанкойла схож с активным конвектором. Происходит управление работой клапана, регулирующего объем жидкости, и работой вентилятора, рециркулирующего внутренний воздух.
Рекуператор
В состав климатической системы может быть включен рекуператор. Он выполняет функцию утилизации тепловой энергии загрязненного воздуха, выбрасываемого на улицу. Его использование позволяет экономить ресурсы, увеличивает срок службы воздухонагревателя благодаря снижению температурного удара на трубы его теплообменника.
Кондиционирование воздуха
Для обеспечения охлаждения воздуха в помещении можно пойти двумя разными путями. Первый — это связка «чиллер–фанкойл» с использованием воды в качестве хладагента. Второй путь предполагает использование многочисленных фреоновых систем (системы с переменным расходом хладагента VRF, сплити мультисплит-системы). Также для кондиционирования воздуха применяют VAV-блоки (блоки с переменным расходом воздуха).
Сплит-система снабжается специальным внутренним блоком канального типа, который конструктивно представляет собой оребренный трубчатый теплообменник в прямоугольном металлическом корпусе. Данный блок устанавливают над воздухонагревателем, где он выполняет функцию испарителя жидкого фреона, как в обычном кондиционере. Используется для охлаждения и осушения воздушного потока, который через него прогоняет центробежный вентилятор воздухонагревателя.
Работу системы кондиционирования контролируют при помощи датчиков, отслеживающих текущие параметры климата, и технических средств управления этими датчиками: пульты, панели управления и переключатели.
Климат-контроль – одно из звеньев общей цепи
Регулирование климатических показателей в системе «умный дом» неразрывно связано с работой системы безопасности, контроля доступа и расхода ресурсов. Например, при угрозе возникновения пожара вентиляционные установки, расположенные в пределах тревожной зоны, автоматически отключаются. В то время, когда объект функционирует в режиме «охраны», оборудование вентиляции переводится в щадящий режим работы, температура нагрева в пустующих помещениях или зданиях снижается.
Система климат-контроля должна быть совмещена с датчиками движения, отслеживающими перемещение человека по всей площади здания для обеспечения автоматического включения/отключения нагревательных приборов, кондиционеров и устройств приточновытяжной вентиляции. Также необходимо обеспечить возможность получения данных о расходе ресурсов: электричества, воды, газа и др., для принятия на их основе решений по оптимизации обслуживания объекта.
Таким образом, система для обеспечения требуемых климатических условий должна объединять: саму систему управления технологическими процессами объекта; интегрированные в нее охранную и пожарную составляющие; контроль доступа; контроль расхода ресурсов и обеспечение должного уровня взаимодействия всех перечисленных компонентов-систем.
Такие интегрированные системы позволяют не только создать комфортные условия труда и отдыха для находящихся на объекте рабочих, жильцов или служащих, но и повысить экономичность эксплуатации объекта, ускорив его самоокупаемость. Система микроклимата может быть оснащена такими функциями, как: автоматическая регулировка температуры в помещениях (в зависимости от их назначения, времени года и суток, дня недели, наличия или отсутствия хозяев); автоматическое отключение отопления в помещении при его проветривании; автоматический запуск вытяжной вентиляции в санузлах при включении там освещения и ее отключение с задержкой по времени; перевод систем в различные режимы (например «экономичный» или «полный») нажатием одной кнопки.
Простая идея экономит ресурсы
В США изобрели новый способ экономии. Относительно простая «умная» система управления климатом помещения позволит экономить огромное количество энергии в масштабах страны. Технология, разработанная в Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории (Pacifi c Northwest National Laboratory — PNNL), позволит большому офисному зданию сэкономить до 18 % годового потребления энергии.
Экономия будет осуществляться благодаря автоматическому учету количества людей в помещении. Инженеры разработали концепцию использования простого устройства, которое регулирует мощность систем вентиляции и отопления в зависимости от того, сколько людей находится в помещении. До сегодняшнего дня такие решения не использовались, и климатические системы в крупных зданиях, офисных центрах, вокзалах, больницах и т.д. почти всегда работают на полную мощность и почти никогда не совпадают с «зоной комфорта» людей.
Для решения этой проблемы команда инженеров провела серию экспериментов в большом офисном здании размерами 48 × 73 м с 12-ю этажами и подвалом — в общей сложности площадь здания составила около 46 тыс. м2. Ученые провели моделирование: запрограммировали виртуальную модель климатической системы здания на обогрев при температуре воздуха ниже +21 °C и охлаждение при температуре выше +24 °C. По вечерам и выходным температура могла колебаться в более широком коридоре.
Расчеты показали, что в 13-ти из 15-ти регионов США «умная» система, оценивающая количество людей в помещении, позволит сэкономить не менее $ 40 тыс. в год для каждого здания, похожего на то, что было смоделировано. При этом в двух городах, Дулут и Фэрбенкс, экономия превысила $ 100 тыс. в год, в основном, из-за снижения необходимости нагревать воздух, закачиваемый с улицы.
Даже в очень жарких городах, Эль-Пасо и Майами, где экономия предполагалась небольшой, удалось сэкономить $ 33,4 тыс. и $ 23,5 тыс., соответственно. Новая технология очень перспективна, так как позволит сэкономить гораздо больше, чем на интеллектуализации освещения, поскольку количество энергии, потребляемой освещением, несравнимо меньше той, которая расходуется на обеспечение систем отопления и вентиляции.
Например, добавление «умного» датчика, измеряющего количество людей в помещении, позволяет экономить до 40 % энергии здания даже при использовании систем HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха), которые считаются совершенными.
