В настоящее время в борьбе за энергосбережение достигаются все новые результаты и используются все более непривычные технические решения. Сейчас уже никого не удивишь применением окон со стеклопакетами и дверей с высокоплотными притворами. Применение ограждающих конструкций зданий и сооружений с высоким термическим сопротивлением является уже обязательной нормой, а не исключительным явлением. В массовом порядке осуществляется замена ламп накаливания на энергосберегающие светильники. Более того, в последние годы уже стали говорить о необходимости применения тепловых насосов, вкладывая в эти слова соответствующее понятие, а не имея в виду при этом гидродинамические нагреватели. Действительно, грамотное применение тепловых насосов способно обеспечить зачастую наиболее эффективное энергосбережение, не только позволяя отбирать тепло от окружающей среды (возобновляемые источники «зеленой» энергии), но и использовать вторичное низкопотенциальное сбросное тепло. Есть уже успешный опыт использования тепла канализационных вод от жилого здания. Все это убедительно свидетельствует об активизации усилий в области энергосбережения. Параллельно с неукоснительным ростом требований по энергосбережению растут также требования к системам климатизации. Сейчас требование кондиционирования воздуха, экзотическое для большинства зданий и сооружений еще полтора десятка лет назад, воспринимается как само собой разумеющееся (здесь и далее в этой статье под термином «кондиционирование» будет подразумеваться тепловая обработка воздуха). И это, конечно, правильно, особенно учитывая неуклонный рост как среднегодовых, так и максимальных летних температур окружающего воздуха. Поэтому неудивительно, что приходится мириться с тем, что для обеспечения работы устройств кондиционирования воздуха расходуется довольно много энергии. Удивительно другое — почему в свете борьбы за энергосбережение не используется для кондиционирования воздуха дармовой холод воды хозяйственно-бытового назначения, который бесполезно сбрасывается в системы канализации? Почему повсеместно демонстрируется пренебрежительное отношение к такому дорогому виду энергии, как холод? Чем продиктовано такое расточительство при решении задач летнего кондиционирования? Лежат в основе этого объективные причины: отсутствие технических средств, способных эффективно использовать холод водопроводной воды, или основными здесь являются субъективные причины — ведь исторически сложилось так, что все усилия специалистов в течение многих лет были сосредоточены на обеспечении энергоэффективного отопления помещений в зимний период? А может имеет место сочетание обоих факторов? Нам показалось, что при обеспечении решения задачи энергосберегающей климатизации зданий в летний период незаслуженно мало внимания уделяется холоду, попутно и неизбежно вносимому в здание с водой хозяйственно-бытового назначения и бесполезно теряемому при сбросе этой воды после ее использования по прямому назначению в канализацию. Здесь просматривается прямая и однозначная аналогия с попутным газом на нефтяных месторождениях, неизбежно сопровождающим процесс добычи нефти. Многие десятилетия этот газ бесполезно сжигался в виде факелов, обустраиваемых на каждом нефтяном месторождении, однако в последнее время на большинстве месторождений этот газ уже полезно используется (а в 2007 г. даже нормативно предписано прекратить бесполезное сжигание этого газа в виде факелов). Обратив внимание на это несоответствие — острую потребность зданий в холоде в летний период, с одной стороны, и наличие дармового, попутно поступающего с водопроводной водой, но не используемого холода, с другой стороны, мы предприняли попытку совмещения энергосбережения путем утилизации холода подаваемой в помещение водопроводной воды с кондиционированием воздуха в этом (или рядом расположенном) помещении. Действительно, все здания, как жилые, так и административно-производственные, оснащены водопроводными системами, подающими в жаркий летний полдень воду с расчетной температурой 15 °С. Эта вода либо сливается в канализацию после использования по прямому назначению (умывальники, туалеты, влажная уборка, технологические нужды и пр.), либо используется, например, для приготовления пищи, полива комнатных растений и пр. Но ведь нет абсолютно никаких технически обоснованных резонов сливать воду в канализацию именно при этой температуре. А в случае использования воды для приготовления пищи, полива растений и пр., некоторое (отметим сразу — к сожалению, незначительное) повышение ее температуры будет воспринято как положительный, а иногда еще и как дополнительный энергосберегающий фактор (например, для воды, предназначенной для дальнейшего нагрева, в частности, для приготовления пищи или обеспечения горячего водоснабжения). Учитывая, что исходная температура этой воды (как отмечено выше, на уровне 15 °С) создает весьма благоприятные условия для предварительного использования ее прохлады для охлаждения воздуха в помещениях, было небезынтересно посмотреть, насколько с потребительской точки зрения целесообразным, а также энергетически эффективным и технически сложно реализуемым будет такое решение. Нашим предприятием в период 2006–2007 гг. был выполнен комплекс работ в этом направлении. Учитывая отсутствие публикаций, посвященных разработке этого направления, результаты выполненных нами работ представляются заслуживающими самого пристального внимания и, нам думается, позволяют считать работы в указанном направлении перспективными с точки зрения высокоэффективного энергосбережения. Техническая реализация Техническое решение стоящей задачи было решено осуществлять на базе разработанных и выпускаемых нашим предприятием известных теплообменных аппаратов ТТАИ. Однако теплообменник для решения этой задачи должен был претерпеть некоторые конструктивно-технологические изменения и, с целью адаптации его математической модели, пройти натурные испытания. Такой специально спроектированный аппарат, являющийся по назначению водяным доводчиком воздуха (если угодно — фанкойлом), а по сути водяным воздухоохладителем, был изготовлен, испытан, доработан по результатам анализа испытаний, вновь изготовлен (фото. 1) и повторно испытан. Схема испытаний указанного натурного образца приведена на рис. 1, откуда видно, что охлаждающая вода подавалась в трубную, а охлаждаемый воздух в межтрубную полость охладителя. Результаты испытаний этого охладителя приведены в табл. 1. Учитывая различную специфику возможных мест использования этих охладителей, была также изготовлена и испытана полноразмерная модель аппарата с инверсным подключением рабочих сред (рис. 2), т.е. охлаждающая вода подавалась в межтрубную, а охлаждаемый воздух в трубную полость охладителя (фото 2). Соответствующие результаты приведены в табл. 2. В ходе вышеуказанных работ были последовательно созданы несколько полноразмерных моделей, а затем натурных образцов водяных охладителей воздуха как с прямым, так и с инверсным подключением. Возникавшие в процессе их изготовления конструктивно-технологические вопросы получили свое решение и к настоящему моменту по штатной технологии уже выпущена установочная партия водяных охладителей воздуха. Это позволяет сказать, что техническое решение, дающее возможность утилизировать попутный холод поступающей в здание воды хозяйственно-бытового назначения, найдено и доведено до уровня промышленной реализации. Энергетическая эффективность Разумеется, что только лишь наличия доказанной легко реализуемой технической возможности утилизации попутного холода водопроводной воды явно недостаточно для того, чтобы, находясь в здравом уме и твердой памяти, начать агитировать активно использовать этот холод. Необходимо, и именно это должно явиться определяющим фактором, оценить энергетическую эффективность, т.е. энергосберегающий эффект от такой утилизации. Если ее энергетическая эффективность будет находиться на уровне не ниже 2,0, что примерно соответствует энергетической эффективности применения фанкойлов (с учетом потребления энергии обеспечивающих их работу чиллеров), то применение таких водяных охладителей воздуха уже может быть признано энергетически целесообразным. Если же их энергетическая эффективность превысит уровень 4,5–5,0, соответствующий коэффициенту преобразования тепловых насосов — бесспорных лидеров среди энергосберегающей климатотехнической продукции, — то будет необходимо именно этим охладителям отдать пальму первенства среди энергосберегающего климатотехнического оборудования и приложить максимум усилий для их широкого применения на реальных объектах. Данные, полученные в ходе вышеупомянутых натурных испытаний и приведенные в табл. 1 и 2, позволят выполнить необходимый и несложный анализ, результаты которого приведены в табл. 3. Интерес представляют цифры, приведенные в ст. 3 и 6 табл. 3 и характеризующие энергетическую эффективность водяных охладителей, прошедших испытания (эти цифры представляют собой отношение полезнойэнергии — холода, к затраченной для этого электрической энергии). Результаты, приведенные в табл. 3, настолько красноречиво свидетельствуют о высоком энергосберегающем потенциале рассматриваемых водяных охладителей воздуха при обеспечении ими утилизации попутного холода водопроводной воды, поступающей в здание, что не требуют комментариев, но вызывают недоумение — почему до сих пор никто не обратил внимание на этот энергетический, причем дармовой, резерв? Тем более, что энергетическая эффективность его использования оставляет далеко позади общепризнанного лидера по части энергосбережения — тепловые насосы. Может быть, дело в практической бесполезности или неуместности потребительских характеристик рассматриваемых устройств? Потребительские характеристики На первый взгляд, результаты испытаний (см. табл. 3, ст. 1 и 4) не дают оснований для оптимизма — действительно, стоит ли «огород городить» ради столь незначительной мощности по холоду (85–150 Вт), даже принимая во внимание исключительно высокие значения коэффициентов энергетической эффективности, характеризующие аппараты с прямым и инверсным подключением (соответственно 29,2 и 50,5). Ведь понятно же, что эти аппараты не позволят кондиционировать в соответствии с современными нормами ни одно, даже самое маленькое помещение. Представляется также важным контраргументом нерегулярность поступления в помещение воды, предназначенной для обеспечения хозяйственно-бытовых нужд. К тому же нельзя не принимать во внимание и то обстоятельство, что в большинстве случаев от такой воды можно отобрать относительно небольшое количество тепловой энергии (холода). Эти три соображения представляют собой, видимо, исчерпывающий, но, надо признать, весомый список контраргументов, способный привести к, как нам представляется, преждевременному и, вероятно, ошибочному выводу о неперспективности рассматриваемого метода энергосбережения. Попробуем привести доводы, показывающие ошибочность такой аргументации. Незначительная мощность по холоду Первое, на что стоит обратить внимание читателя, это на соотношение уровней температурводы и воздуха, зафиксированных во время проведения испытаний и предопределенных не совсем обычными условиями места проведения испытаний (водопроводная труба к зданию проложена в верхних слоях грунта и летом существенно прогревается). Они заметно отличаются от тех температур, которые реально могут и должны быть при эксплуатации водяных охладителей воздуха на различных объектах. Известно, что согласно нормативам необходимо ориентироваться на температуру водопроводной воды на входе в здание в летний период на уровне 15 °С, однако, как видно из таблиц, соответствующая температура была в ходе первой серии испытаний равна 18,3 °С, а во время второй серии испытаний — и вовсе составляла 20,7 °С. Кроме того, очевидно, что на большинстве реальных объектов можно было бы признать вполне удовлетворительной работу охладителя, если бы он обеспечивал охлаждение воздуха, например, от 30 до 24 °С (средняя температура 27 °С), в то время как в ходе первой серии испытаний воздух охлаждался от 27,2 до 22,9 °С (средняя температура 25,05 °С), а во время второй серии испытаний воздух охлаждался от 30,1 до 25,3 °С (средняя температура 27,7 °С). Если привести результаты обеих серий испытаний к реальным режимам эксплуатации с характеристиками, сопоставимыми с нормируемыми, то полученная полезная мощность по холоду уже не будет казаться столь пренебрежимо малой, т.к. в первой серии испытаний составит 152 Вт, а во второй серии превысит 250 Вт. И необходимо особо подчеркнуть, что такие показатели по холодопроизводительности достигаются при тех же 2,9 Вт собственного энергопотребления, т.е. при входных условиях, соответствующих реально существующим на большинстве объектов, энергетическая эффективность охладителя с прямым подключением характеризуется коэффициентом энергетической эффективности с почти неправдоподобным значением 52,4, а охладителя с инверсным подключением и вовсе фантастическим значением 86,2. Вот это энергосбережение! Однако даже эти выдающиеся показатели энергосбережения не являются максимально достижимыми. В ходе проводимых нами работ мы приняли во внимание (см. табл. 1 и 2), что, по вполне понятным причинам, температура воды после прохождения водяного охладителя воздуха меняется крайне незначительно, и создали аппарат, позволяющий существенно увеличить полезную холодопроизводительность охладителя. Приведенный на фото 3 охладитель воздуха состоит как бы из трех охладителей, показанных на фото 1, но собранных в одном корпусе. Очевидно, что реализованный вариант трехсекционного аппарата не является предельно достижимым и может быть создан аппарат с любым наперед заданным количеством секций. Причем удельная стоимость такого охладителя при увеличении числа секций снижается при одновременном росте его холодопроизводительности. Следует отметить, что проведенные испытания (в т.ч. и аппарата, показанного на фото 3) позволили адаптировать математическую модель этого аппарата к его конструктивно-технологическим особенностям, что позволяет достаточно точно задавать количество секций, сообразуясь со стоящей технической задачей. Для того, чтобы не быть голословным и подтвердить фактическими данными рост холодопроизводительности при увеличении числа секций, в табл. 4 приведены данные испытаний охладителя, показанного на фото 3. Даже беглый взгляд на табл. 4 показывает, что значение полезной холодопроизводительности уже не так легко, без внятного обоснования, сбросить со счетов. Однако нельзя забывать о том, что и эта серия испытаний была проведена при температурах и воздуха, и воды далеких от тех, которые, согласно нормативов, можно ожидать на реальных объектах. Вполне строгое приведение полученных результатов к нормируемым условиям реальных объектов дает значение холодопроизводительности, равное 442 Вт, что показывает практически трехкратный рост холодопроизводительности по сравнению с приведенными к нормативным температурам результатами испытаний односекционного охладителя с прямым подключением. Эта холодопроизводительность является уже вполне самодостаточной величиной, позволяющей рассматривать такой доводчик воздуха даже в качестве самостоятельного источника холода для относительно небольшого помещения. Однако, как нам кажется, рассматриваемые устройства не следует сопоставлять и тем более противопоставлять ныне широко применяемым кондиционерам. У них не только технические возможности разные, но и, вероятно, предназначение разное. Действительно, кондиционеры в абсолютном большинстве случаев подбираются, исходя из задачи обеспечения кондиционирования воздуха во всем помещении. Наверное, такая постановка задачи зачастую правомерна. Но всегда ли? Здесь мы опять, кажется, сталкиваемся с парадоксом выпадения задач летнего кондиционирования воздуха из зоны пристального внимания специалистов, занимающихся энергосбережением. Оправдана ли такая расточительность? Ведь уже давно доказано и активно используется тот факт, что местное, локальное воздействие всегда более эффективно и при том еще и энергетически более целесообразно, чем общее воздействие. Зачем «стрелять из пушки по воробьям»? Ведь известно, например, что локальная вентиляция более предпочтительна, чем общеообменная, уже повсеместно применяется децентрализованное (индивидуальное на дом или даже поквартирное) отопление, никому не приходит в голову критиковать настольные (напольные) вентиляторы за то, что они имеют весьма ограниченную зону охвата струей воздуха и т.д. и т.п. Почему бы не применить уже оправдавший себя подход и в области кондиционирования и не уделить самое пристальное внимание возможностям локального, местного кондиционирования? Ведь в действительности далеко не всегда существует обоснованная необходимость кондиционировать все помещение. Люди, даже в быту, большую часть времени находятся в определенных зонах помещения, а в процессе трудовой деятельности в абсолютном большинстве случаев люди находятся на своих постоянных рабочих местах. Именно эти зоны и постоянные рабочие места и следует локально кондиционировать и только инерцией мышления можно объяснить тот факт, что принято кондиционировать или все, или ничего. Кстати, помимо необходимости охлаждения воздуха по физиологическим потребностям человека возникают и сугубо технические задачи, когда необходимо обеспечить локальное охлаждение какого-то объекта техники. В частности, нам пришлось решать задачу поддержания пониженной температуры в месте нахождения электронного блока управления оборудования, расположенного в горячем цеху. Задача была решена путем расположения этого электронного прибора в зоне направленного потока охлажденного в водяном охладителе воздуха. Попутно можно обратить внимание на то, что приведенный на фото 3 охладитель, имеющий несколько выходов воздуха, позволяет обеспечить локальное кондиционирование нескольких рядом расположенных точек помещения, например, локально охлаждать несколько рабочих мест или мест нахождения приборов, требующих пониженной температуры воздуха. Однако, если даже априори известно, что в помещении будет применен традиционный кондиционер, следует проанализировать, стоит ли пренебрегать пусть и частичным, но практически бесплатным и высокоэнергоэффективным кондиционированием, обеспечиваемым доводчиком воздуха и снижающим необходимую мощность основного кондиционера. Тем более, что удельные капитальные затраты на водяной охладитель воздуха заметно меньше аналогичной величины для традиционного кондиционера. Нерегулярность поступления воды Существенным аргументом оппонентов предлагаемого метода является то, что в большинстве помещений вода расходуется (а стало быть и подается) весьма нерегулярно, в связи с чем работа водяного доводчика воздуха будет характеризоваться существенной неравномерностью и в некоторые периоды времени неэффективностью. На первый взгляд, этот неоспоримый аргумент резко уменьшает привлекательность использования доводчика воздуха. Однако это только на первый взгляд. При более внимательном изучении вопроса ситуация выглядит не столь уж неудачно. Дело в том, что: ❏ во-первых, водяной эквивалент воды больше, чем в 4000 раз превышает аналогичный параметр для воздуха, в связи с чем кратковременное даже полное прекращение прокачивания воды не скажется сколь-либо заметно на функционировании доводчика воздуха; ❏ во-вторых, из рассмотрения данных, приведенных в табл. 1, 2 и 4 видно, что во всех сериях испытаний расходы воды находились в районе 0,7 м3/ч, что примерно соответствует всего лишь работе двух бытовых водопроводных кранов, причем открытых далеко не полностью или одного, но полностью открытого. Очевидно, что это очень небольшой водоразбор и он в среднем всегда будет обеспечен в офисе, в парикмахерском салоне, на производстве, да и в быту. Однако специально, чтобы оценить снижение эффективности работы доводчика при значительном уменьшении водоразбора, для каждого типа охладителей (фото 1, 2 и 3) были проведены еще серии испытаний (ввиду ограниченности объема статьи соответствующие результаты здесь не приводятся и не анализируются), при которых расход воды составлял порядка 0,25 м3/ч, что примерно соответствует наполовину открытому одному водоразборному крану. Представляло интерес оценить, до какого уровня упадет эффективность работы доводчика при столь радикальном уменьшении расхода воды. Испытания показали, что снижение тепловой эффективности составило 10–15 %. Столь небольшое снижение было ожидаемым и является легко объяснимым, если принять во внимание как принципиально различные водяные эквиваленты, так и коэффициенты теплоотдачи воды и воздуха; ❏ в-третьих, использование воды во времени в основном совпадает с нахождением и жизнедеятельностью человека в помещении. Будь то производственное, бытовое и общественное помещение. Охлаждение нужно тогда, когда люди находятся в помещении, но и водой пользуются тоже, как правило, тогда, когда в помещении есть люди. Можно привести совершенно конкретные, проверенные уже двухлетним опытом эксплуатации, примеры. На нашем производстве, например, такой доводчик воздуха, «обвязанный» средствами измерения температуры, установлен в одном из производственных помещений. Наблюдения за температурой выходящего из него воздуха показали, что на протяжении всего рабочего дня температура выходящего воздуха была стабильно и технически значимо ниже температуры окружающего воздуха, что объясняется тем, что периодически кто-то с какой-то целью пользовался водой (надо набрать воду для кипятильника, помыть руки, воспользоваться туалетом, полить растения, осуществить влажную уборку и т.д.), благодаря чему вода в доводчике с достаточной частотой заменялась вновь поступающей. Этот доводчик воздуха (фото 4) располагался в помещении, где работают несколько человек, не имеющих постоянного, не меняющегося в течение рабочего дня, места, в связи с чем он осуществлял не локальное кондиционирование, а работал в помощь традиционному кондиционеру. Другой доводчик на нашем предприятии осуществлял локальное кондиционирование рабочего места сварщика. Этот вариант использования является чрезвычайно эффективным. Во-первых, рабочее место сварщика не обширно и четко ограничено в пространстве и, во-вторых, сварочный агрегат предполагает постоянное водяное охлаждение (повышение на 0,2 °С температуры воды в процессе ее прохождения через доводчик воздуха является исчезающе малой величиной по сравнению с тем диапазоном температур охлаждающей воды, который указан в паспорте на сварочный агрегат). Не менее успешным (по тем же причинам) оказался и опыт применения охладителя воздуха для локального кондиционирования рабочего места повара в кафе. Но это лишь частные примеры, подтверждающие целесообразность и жизненность этого метода энергосбережения. Возможность использования небольшого количества холода Вышеприведенные соображения в основном уже дают ответ на негативный тезис о возможностииспользования лишь относительно небольшого количества холода. В этой связи из ранее названного можно упомянуть возможность применения многосекционного охладителя (такой доводчик способен в разы увеличить холодопроизводительность), специфичность задачи, ставящейся перед доводчиком (не всеобъемлющее, а локальное, и потому исключительно эффективно обеспечиваемое, кондиционирование), небывало высокая энергетическая эффективность (хоть и действительно относительно немного холода в ряде случаев, но зато всегда почти без дополнительных затрат энергии и при невысокой удельной величине капитальных затрат). Однако имеются и специфичные соображения, показывающие, что в ряде случаев рассматриваемый негативный тезис в принципе теряет смысл. Например, если речь идет о кондиционировании помещений коттеджа. Во-первых, коттеджи нередко имеют собственную скважину (кстати, температура такой воды всегда и существенно ниже нормативных 15 °С, что радикально повышает холодопроизводительность доводчика, т.е. количество используемого холода), во-вторых, требуется охлаждать воздух в некоторых, заранее известных помещениях (что в ряде случаев может сделать доводчик основным и единственным кондиционером) и, наконец, при ведении хозяйства в коттедже в существенно больших количествах расходуется вода, что также способствует резкому росту холодопроизводительности (это, в частности, и полив зеленых насаждений, и подпитка воды в бассейне, и мойка автомобиля и многое другое, на что не расходуется вода при жизнедеятельности человека в других условиях). Аналогично может складываться ситуация на некоторых производственных объектах, где технологический процесс предполагает использование достаточно больших объемов воды, что позволит обеспечить полноценное кондиционирование нескольких помещений. В заключение хочется отметить, что такое оборудование, как водяной охладитель воздуха, не является оборудованием исключительно сезонного, летнего, назначения. Это изделие в зимний период с той же эффективностью будет работать на нагрев воздуха, обеспечивая либо локальное воздушноеотопление, либо способствуя прогреву помещения, обеспечиваемому другими техническим средствами (радиаторами отопления, «теплыми полами» и пр.). Переход от одного режима эксплуатации к другому осуществляется чрезвычайно просто и состоит в отключении доводчика воздуха по водяной стороне с помощью трубопроводной арматуры от одной системы и подключении к другой. Учитывая конструктивную простоту водяного тракта доводчика и выполнение его из некорродирующих металлов (высоколегированная нержавеющая сталь), переход от зимнего режима (работа на нагрев воздуха), при котором через доводчик прокачивалась техническая вода, к летнему режиму (работа на охлаждение воздуха), при котором через аппарат будет прокачиваться водопроводная вода, не составит большого труда. Достаточно промыть водяной тракт обильной струей водопроводной воды, а если будет такая необходимость, то предварительно промыть его любыми принятыми чистящими или дезинфицирующими растворами, не опасаясь разрушения узлов и элементов доводчика. Для сведения в табл. 5 приведены параметры, характеризующие работу доводчика воздуха, изображенного на фото 4, в зимнем, отопительном режиме. Приведенные в табл. 5 данные подтверждают равно эффективную работу доводчика воздуха как в летнем, так и в зимнем режиме. Однако, конечно, особо привлекательной представляется его работа в качестве водяного охладителя воздуха летом, когда он сможет с неправдоподобно высокой эффективностью обеспечивать энергосбережение при кондиционировании воздуха, утилизируя бесполезно теряемый холод водопроводной воды.