Услуги

Юмор

 

alt

alt

 

alt

Тепловые насосы для зданий: полезно или модно?

В России температура наружного воздуха в холодные периода года ниже, чем в Украине. Кратко приведем опыт российских коллег.

Системы отопления и кондиционирования – основной потребитель энергии в здании, поэтому минимизация ее потребления является задачей номер один.
Мы не будем говорить о воздушных тепловых насосах, т.е. о чиллерах, работающих на тепло, и о бытовых кондиционерах. В наши морозы ими не спасешься, ведь чем холоднее, тем больше электрической энергии необходимо для работы чиллера или кондиционера, и в какой-то момент ваш дорогой кондиционер станет таким же «энергоэффективным», как и масляные обогреватель.
Единственный тип теплового насоса, который может быть применим в России – это геотермальный тепловой насос, т.е. тот, который берет от Земли холод для кондиционирования или тепло для отопления.
Так все же, есть смысл применить тепловой насос? Ведь примеров их применения в больших зданиях у нас очень мало, может это действительно не нужная технология?

Краткое описание геотермального теплового насоса (ГТН)
Для простоты считаем, что это обычный кондиционер, наружный блок которого закопан глубоко в прохладную землю. Т.е. когда кондиционер работает на охлаждение, то уносимое из помещения тепло передается не горячему уличному воздуху, а земле. А поскольку на большой глубине она намного прохладней, чем воздух на улице, то и затраты энергии на кондиционирование будут существенно меньше.

Есть одно серьезное конструктивное отличие системы на тепловых насосах от кондиционеров и чиллеров. Трубки в земле – это и есть аналог теплообменника в чиллере или наружном блоке кондиционера. Но в отличие от системы чиллер-фанкойлы, где компрессор (компрессоры) расположены в наружном блоке, в системе с тепловыми насосами компрессора находятся в каждом внутреннем блоке.
Зимой система хорошо работает на тепло, ведь температура земли на глубине всегда выше нуля, и этого тепла достаточно, чтобы согреть любое здание. Такова суть теплового насоса – обогрев помещений с помощью тепла от земли, воды, канализационных сливов и т.п.
Тепловой насос -  это универсальное средство, которое может черпать тепло/холод из любых источников. Т.е. наружный теплообменник может быть размещено в любом месте, где есть достаточное количества тепла или холода, например:
- земля
- подземные воды
- озера и реки
- сточные воды от канализации
- горячий воздух от технологических выбросов и т.п.


Преимущества тепловых насосов

Главное преимущество: меньшее потребление электроэнергии, чем традиционные системы кондиционирования. На сегодняшний день система чиллер-фанкойлы является самым энергоемким решением при кондиционировании. До недавних пор лидером по энергоэффективности были системы VRF. А теперь их сменили геотермальные тепловые насосы.

 

Чиллер-фанкойлы

VRF

ГТН

Потребление электричества для производства 100 кВт холода с учетом насосов и др. затрат

40 кВт

32 кВт

28,5 кВт

Разница с чиллером-фанкойлом

0%

- 20%

- 29%


Это означает:
Уменьшение стоимости за подключение к электрической энергии, что при нынешних ценах за кВт, довольно заметно. Для здания площадью 10 000кв.м. экономия на подключении составит значительную сумму. Если к этому добавим затраты на более мощную трансформаторную подстанцию, электрощитовую и т.п., то экономия станет еще значительней, особенно с учетом эксплуатационных затрат.

Другие преимущества.
Они хоть и не являются определяющими, но, тем не менее, лишними не будут:
- одновременно часть помещений может работать на тепло, другая часть – на холод;
- очень высокая надежность системы, поскольку кроме главных насосов нет оборудования, от которого зависят все внутренние блоки;
- другие преимущества ценны в основном для Европы и Америке, но, надеюсь, это дойдет и до нас: меньшее потребление электричества и меньшее количества горячей воды от котельных позволяют наносить меньший ущерб экологии Земли.

Дополнительная экономия тепла и холода
По сравнению с чиллером-фанкойлами система на ГТН намного более гибкая, потому что в системе десятки небольших компрессоров (в каждом внутреннем блоке), а не 4-6 огромных, многокиловаттных. Скажем, если часть помещений холода не требует, то тепловые насосы отключатся, и электричество на компрессоры не будет тратиться. А в громоздкой системе чиллер-фанкойлы должно отключиться много фанкойлов, чтобы чиллер перешел на меньшее количество рабочих компрессоров.
Еще одной важной особенностью системы на тепловых насосах является способность переносить тепло/холод из одних помещений в другие. Скажем, в зимнее время, тепло, выделяемое от прачечной, от машинного отделения, от помещений с большим количеством людей (конференц-зал и т.п.) может быть передано с помощью тепловых насосов в помещения, где тепла не хватает. Поэтому зданию требуется меньше тепла от городских сетей.

Недостатки геотермальных тепловых насосов
По сути их два: экономический и технический.

Высокая стоимость
Система на геотермальных тепловых насосах – существенно дороже любых других систем кондиционирования и отопления.

Основная разница стоимости традиционных систем и систем с геотермальными насосами заключается в стоимости подземного контура. Затраты на этот контур существенно выше, чем стоимость градирен.

Система на тепловых насосах дороже в среднем на 20-40%.

 

Чиллер-фанкойлы

VRF

ГТС

Цена за 1 кВт

1600 USD/кВт

1400 USD/кВт

1950 USD/кВт

Разница с VRF

115%

100%

140%

    

Структура цены на систему с геотермальным тепловым насосом

Как вы видите, стоимость подземного контура составляет треть затрат, и намного больше, чем сухая градирня в системе чиллер-фанкойлы.
Однако, в случае, если используется подземный контур, который использует подземные воды или в системе применяется контур, погружаемый в воду реки/озера, то стоимость системы существенно удешевляется и становится на уровень систем чиллер-фанкойлы.


Трудности с организацией подземного контура.

Существует несколько вариантов организации контура. В больших коммерческих зданиях используется в основном три:

1. Вертикальный замкнутый теплообменник (U-образная трубка), закопанный в землю.
2. Замкнутый теплообменник, уложенный на дно реки/озера
3. Не замкнутая система, забирающая воду из-под земли (подземные воды) или из водоема, и возвращающая ее обратно.

Вот некоторые данные, чтобы оценить, почему земляной контур обходится в треть стоимости:
В среднем с одного погонного метра вертикального теплообменника снимается 30Вт холода. Т.е. для того, чтобы получить 1кВт холода необходим трубопровод длиной 30 метров (диаметр полиэтиленовой трубкы ¾-1 ¼ дюйма).
Это означает, что для здания площадью 10 000 кв.м. (1 000 кВт холода) длина теплообменника составит 30 000 метров, т.е. длина всех отверстий (поскольку трубопровод имеет форму U) составит 15 км!
Расстояние между отверстиями должно быть 5-6 метров.
Средняя глубина скважины – 150-200 метров.

Теперь вы видите, что использовать геотермальный тепловой насос в зданиях большой площади довольно проблематично, ведь стоимость земляных работ будет очень высокой.
Поэтому, в больших зданиях используются открытые системы, т.е. в которых насосы подают к тепловым насосам воду из подземных рек или из открытых водоемов. В этом случае затраты на земляные работы будут меньше в 2.5 раза!


Самые мощные геотермальные тепловые насосы в Европе

Объект

Количество скважин

Глубина скважин, м

Общая глубина скважин, м

Госпиталь в Lorenskog, Норвегия

350

200

70 000

Офисное здание Nydalen, Осло, Норвегия

180

200

36 000

Институт химии, Лунд, Швеция

153

230

35 190

Торговый центр Umraniye, Стамбул, Турция

208

41-150

18 327

Институт Макса Планка, Германия

160

100

16 000

 


Примеры зданий с тепловыми насосами

Самая большая система на геотермальных тепловых насосах в мире
Офисно-гостиничный  комплекс GaltHouseEastLouisville, 161 000 кв.м.
Отель: 700 номеров и апартаментов.
Офис: 89 000 кв.м.

В 1984 году в Луизвилле, Кентукки  был построен отель GaltHouse East, в котором была установлена геотермальная система отопления и кондиционирования мощностью почти 6 000 кВт. Владелец этой гостиницы оказался настолько доволен этой системой, что 10 лет установил ее в новом бизнес центре. Ее мощность составляет 10 500 кВт.
Общая мощность системы составляет 16 мВт!
В здании установлено 1200 тепловых насосов.
Вода для охлаждения/обогрева тепловых насосов поступает из подземных вод через четыре 50 метровых отверстий. Вода после теплообмена поступает в реку.
Расход воды – 27 тонн в минуту.
В силу того, что владельцу зданий было разрешено использовать подземные воды в качестве источника холода и тепла, то общие затраты на систему отопления и кондиционирования оказались НИЖЕ, чем у традиционной системы чиллер-фанкойлы!
Месячная экономия на электроэнергии в ценах 1995-2005 года составляет 30 000 долларов/месяц.
При этом владелец здания подчеркивает отсутствие проблем с системой в течение 15 летней эксплуатации системы.

 

Бизнес центр Paragon, Пенсильвания
Здание площадь 24 000 кв.м.

Для помещений площадью 6 000 кв.м. была установлена геотермальная система отопления и кондиционирования, которая состоит из 77 внутренних блоков общей мощностью 700 кВт.
Земляной контур: 88 отверстий глубиной 40 метров каждое.
По первоначальному проекту система должна была иметь 55 отверстий по 150 метров глубиной, но геологическое исследование показало, что на глубине более 50 метров земля имеет структуру «голландского сыра», поэтому пришлось отказаться от применения только геотермального теплообменника.
Проектировщики предложили комбинированное решение: частичное использование подземных теплообменников и частично  с помощью градирни. Геотермальная часть системы удовлетворяет 40% потребности в тепле и холоде, что вполне достаточно для большей части года.
Максимальное потребление системы летом составляет 199 кВт, т.е. коэффициент эффективности составляет 3,51. В зимнее время коэффициент равен 5.
Обращу внимание, что это здание построено 15 лет назад. Современные тепловые насосы позволяют добиться еще большей эффективности!


В Европе за последние годы стали устанавливать геотермальные тепловые насосы в зданиях любого назначения.

Название

Описание

 

Штаб квартира DaimlerChrysler, Милтон Кейнс,
Великобритания

Площадь 2.000кв.м.                                                     

69 внутренних блоков.

Мощность 162кВт.

 

Meerpaal бизнес парк, Голландия

Площадь 2.000кв.м.

57 внутренних блоков.

 

 

Здание Pre Women,
Голландия

Площадь 5.000кв.м.

99 внутренних блоков.

Мощность системы 290кВт.

 

Гостиница Luton Hoo Hotel, Великобритания

120 внутренних блоков

 

Офис компании Ziengs Shoes, Ассен,
Голландия

Площадь 3000кв.м.

65 внутренних блоков

Мощность 235кВт

 

Гостиница Bluebrick Premier Inn, Великобритания

99 внутренних блоков

 

Middlesex University, Великобритания

59 внутренних блоков

Мощность 235кВт

 

 

Рекомендации для больших зданий

Давайте опишем систему, которая, исходя из опыта других стран, может быть использована в коммерческом строительстве.

Цель использования тепловых насосов очевидна – свести потребление электроэнергии и тепла к минимуму.

Мы знаем, что использование геотермальных тепловых насосов позволят снизить электропотребление на 15% по сравнению с самыми эффективными системами VRF и на 30% по сравнению с чиллерами.

Но мы сталкиваемся с большой проблемой – для крупного здания требуется десятки километров скважин, что не только дорогостояще, но и зачастую просто невозможно. Поэтому, для крупных зданий можно устанавливать только тепловые насосы с открытым контуром, т.е. насосы выкачивают воду из подземных источников (или водоемов) и возвращают обратно. В этом случае, мы не только экономим на капитальных затратах, вплоть до полного сокращения разницы в стоимости с традиционной системой,  но и получаем намного более энергоэффективную систему.

Судя по опыту иностранных коллег, довольно распространен случай, когда мощность теплового насоса (точнее мощность подземного теплообменника) недостаточна для полного покрытия пиковых потребностей в тепле или холоде. В этом случае в контур устанавливается дополнительный источник холода/тепла – градирня, чиллер, котел и др. Но по опыту они работают только 10-30% времени.

Важная особенность системы с тепловыми насосами, которая вносит очень существенный вклад в энергоэффективность – это возможность насосов переносить тепло/холод из одного помещения в другое без использования дополнительных внешних источников тепла/холода.  Скажем, в переходные периоды вполне возможна ситуация, когда в помещении на солнечной стороне тепло, а на теневой – холодно. В этом случае одни помещения с тепловыми насосами греются или охлаждаются за счет других помещений и наоборот.

Итак, мы рекомендуем для крупных зданий:
·- использовать геотермальную систему с открытым контуром (или при условии легкого доступа для естественного источника холода/тепла – река, озеро, сточные воды и т.п.);
- дополнительно устанавливать в контур холодильную машину для пиковой жары и котел/теплообменник от городского теплоснабжения для особых холодов;
- применять тепловые насосы максимально эффективно в многофункциональных зданиях с разным назначением помещений для возможности переноса тепла или холода из помещения в помещения.


alt Теплоснабжение воздушными тепловыми насосами

Новый лондонский король

Автор A. Field. Перепечатано с сокращениями из журнала «Costruire Impianti». Перевод с итальянского С. Н. Булекова. Опубликовано в журнале AВОК №2/2004, рубрика: "Энергоэффективные здания. Технологии"

Речь идет вовсе не о новом монархе подданных Британской Короны, а о новом здании в Лондоне, построенном по проекту известного архитектора Нормана Фостера, где разместилась компания «Swiss Re» — вторая в мире по величине страховая компания.

Это здание знаменует собой решительный разрыв с традиционной архитектурой. Архитектурную революционность здания дополняет применение новейших инженерных решений и систем ОВК с низким энергопотреблением и, следовательно, минимальным отрицательным воздействием на окружающую среду.

Круглая в сечении, полностью остекленная 40-этажная конструкция взметнулась на высоту 180 м над землей в финансовом центре Лондона.

Здание «Swiss Re» построено в форме сигары, методом «дайэгрид» (от англ. «diagrid» — диагонально-сетчатый). Опорный каркас выполнен из стальных труб, пересекающихся по треугольной схеме. Здание имеет в основании сечение 49 м, увеличивающееся затем до 57 м на уровне 17-го этажа и постепенно уменьшающееся до 26 м к 39-му этажу. Сверху здание покрыто стеклянной «линзой», имеющей форму полусферы. И это единственный компонент остекления, для которого потребовалось гнутое стекло, — на основной конструкции к раме крепится плоское листовое стекло.

В здании «Swiss Re» под офисы отведены 33 этажа общей площадью 46 000 м2, которые рассчитаны на 4 000 сотрудников и посетителей. Сама компания «Swiss Re» оставила себе со 2 по 15 этажи, с 16 по 32 этажи займут арендаторы. На верхних этажах расположится ресторан — самый высокий в Лондоне (165 м от земли), а под куполом — зал приемов с уникальной панорамой города с высоты птичьего полета. Межэтажные перекрытия сделаны из бетона, уложенного на металлические конструкции, поверх которого на 150 мм надстроены полы. В подпольном пространстве проложены электрические провода, силовой кабель и телекоммуникационные сети. Средняя высота потолков составляет 2,75 м.

Площадь помещений определяется в первую очередь этажом, где они расположены. На самом деле расстояние от фасада до центрального ствола башни варьируется от 6 до 13,5 м в самой высокой точке. В силу высокой боковой устойчивости, обусловленной диагонально-сетчатым каркасом, центральный ствол башни рассчитан только на статическую нагрузку и состоит из локализованных диагональных конструкций. Первый этаж фактически занимает пространство двух этажей. Помимо входа в здание здесь располагаются различные магазины. При желании арендатора проект предусматривает возможность дополнительно оборудовать в помещении низкий полуэтаж. Снаружи башни по кругу вымощена панорамная площадь.

Проект, разрабатывавшийся в рамках четкого предписания заказчика — крупнейшей швейцарской страховой группы «Swiss Re», принадлежит перу, а точнее карандашу архитектора Нормана Фостера (Norman Foster), предложившему весьма неординарное решение, при котором архитектурная составляющая тесно переплетается с использованием энергии окружающей среды.

Двойная стеклянная оболочка, световые шахты, возможность использования естественной вентиляции в течение почти 40 % календарного года — все это послужило основой для переоценки роли инженерных систем, которые в этом проекте большую часть времени работают в гармонии с природой.

Новый проект Нормана Фостера является отличным подтверждением насущной сегодня потребности в теснейшей связи архитектора и инженера-проектировщика систем обеспечения микроклимата на самых первых этапах разработки проекта. Такая связь является залогом обеспечения гармонии между строительным объектом и естественной природной средой, ставшей неотъемлемым фактором современного строительства.

alt

Взаимодействие с окружающей средой

Компания «Swiss Re» с большим вниманием относится к проблеме сохранения гармонии между строительным объектом и естественной природной средой, вопросам качества, сокращения энергозатрат и минимизации вредных выбросов в атмосферу. Это ключевые факторы, которые легли в основу разработки проекта здания и предоставляемых им услуг. Инженеры-консультанты работали в тесном контакте с архитекторами проекта на начальном, концептуальном этапе разработки для согласования общих подходов к экологическим характеристикам здания. На последующих этапах были подготовлены проекты инженерных и электрических сетей, водопроводных сетей питьевой и санитарной воды, системы противопожарной безопасности и энергетического управления зданием.

Во многих случаях те или иные решения принимались на основании компьютерного моделирования, в частности, компьютерного моделирования аэро- и гидродинамики здания и термодинамического моделирования здания как единой энергетической системы.

alt alt

Рисунок 1.
Фрагмент вестибюля башни
«Swiss Re».
На снимке виден диагонально-сетчатый каркас из стальных труб

Рисунок 2.
Фрагмент ресторана, расположенного на последнем этаже здания «Swiss Re».
Видна диагонально-сетчатая структура из стальных труб. Это единственное место, для которого потребовалось гнутое стекло, образующее стеклянный купол башни

Одна из проблем, вызвавших достаточно серьезные споры на первом этапе разработки проекта, — как ослабить сильное солнечное излучение, проникающее через сплошное остекление фасада, и как одновременно сохранить естественное освещение, чтобы не прибегать к избыточному использованию искусственного света. Проблему решили путем комбинирования особенностей каркаса башни: конструкция с двойной «оболочкой» и организация световых шахт по краям. В результате здание получило фасад, обеспечивающий максимальное прохождение естественного света и подчеркивающий его оригинальность.

Основу фасада составляют три базовых элемента: первые два — наружная оболочка из двойного стекла с низкой излучательной способностью и внутреннее остекление, расположенное на расстоянии 1—1,4 м от наружного. Третий элемент — это система механических козырьков, находящихся между оболочками и образующих воздушные камеры. Регулирование угла наклона козырьков осуществляется системой энергетического управления зданием в соответствии с сезонным изменением положения солнца. Таким образом оптимизируется количество естественного света. В основе программного обеспечения, применяемого в системе энергетического управления зданием, лежат модели слежения за положением солнца на небесной сфере. Световые шахты, или как их еще называют «легкие» башни,  устроены для того, чтобы дать больше естественного света во внутренние помещения. Кроме того, посредством механически открывающихся окон световых шахт обеспечивается естественная вентиляция.

alt

Рисунок 3.
Типовой поэтажный план — 26-й этаж.
В центре – ствол, где проложены инженерные магистрали.
Помещения, сдаваемые в аренду, планируются в соответствии
с пожеланиями арендаторов

 

   

Проектом предусмотрены шесть световых шахт треугольного сечения на каждом этаже. Каждая световая шахта имеет принудительно открываемую поверхность площадью около 4 м2, т. е. общая открываемая площадь поверхности для естественной вентиляции составляет до 24 м2 на этаж. На фасаде световых шахт применено более темное остекление по сравнению с обычным офисным остеклением для снижения солнечного облучения. Каждая световая шахта смещена на 5° по окружности относительно аналогичной шахты нижнего этажа. Отсюда при взгляде на башню снаружи создается эффект цветных полос, спирально опоясывающих башню снизу доверху, что придает зданию абсолютную уникальность. Участки под световыми шахтами могут использоваться в качестве конференц-залов либо для размещения офисного оборудования (фотокопировальных машин, раздатчиков питьевой воды и пр.).

alt

Рисунок 4.
Фрагмент вентиляционных каналов системы приточной вентиляции
на участке вблизи фасада башни на одном из этажей

Естественная вентиляция

Очевидно, в здании такого типа, имеющем сплошное 100%-е остекление, с существенной плотностью тепловой нагрузки, обусловленной сосредоточием офисного оборудования, не обойтись без системы кондиционирования воздуха.

Разработчики остановили свой выбор на системе вентиляции смешанного типа, когда при всякой возможности используется естественная вентиляция. Моделирование на компьютере ветрового режима вокруг башни показало, что большую часть календарного года имеет место перепад давлений с наветренной и заветренной сторон здания, достаточный для того чтобы работала система естественной вентиляции перекрестного течения с применением открываемых окон световых шахт.

Открывание окон и ширина такого открывания рассчитываются системой энергетического управления зданием по показаниям, снимаемым с датчиков, установленных по всему зданию.

Что это за датчики? — анемометры для измерения скорости и направления ветра; пиранометры для измерения интенсивности солнечной радиации; датчики для измерения температуры наружного воздуха; приборы для измерения объемов дождевых осадков.

alt

Рисунок 5.

Вид снаружи на башню «Swiss Re». Хорошо видна ромбовидная структура здания со сплошным остеклением

Немаловажная функция световой шахты в режиме обеспечения естественной вентиляции заключается в том, что шахта работает как накопитель-посредник, своего рода успокоительная камера, где скорость поступающего воздушного потока снижается перед тем, как воздух поступит в рабочие помещения.

На этапе проектирования здания фактическая планировка помещений арендаторов еще не была известна. Площади могли арендоваться целыми этажами либо делиться на модульные офисы и сдаваться одному или нескольким арендаторам. Степень влияния различных планировок помещений на конфигурацию воздушных потоков при охлаждении естественной вентиляцией изучалась посредством компьютерной гидродинамики, в различных комбинациях открытого пространства и модульных офисов. Результаты расчетов показали, что в течение 40 % времени естественная вентиляция может использоваться в дополнение к системе кондиционирования воздуха и в определенные периоды может выступать единственной формой охлаждения воздуха для определенных участков здания.

alt

Рисунок 6.
Пример вентиляторного конвектора, установленного за подвесным потолком. Со 2 по 15 этажи, занимаемые компанией «Swiss Re»,
в стандартном оснащении поставляются 36 вентиляторных конвекторов на этаж и 6 узлов воздухоподготовки,
наружный воздух в которые поступает из воздушной прослойки между стеклянными оболочками здания

 

Кондиционирование воздуха

На этапе проектирования здания рассматривались различные варианты устройства системы кондиционирования воздуха.

Перед разработчиками стояла следующая альтернатива — система центрального кондиционирования с вертикальной разводкой распределения воздуха на каждом этаже либо децентрализованная сеть с независимыми узлами воздухоподготовки на каждом этаже, с забором наружного воздуха непосредственно с фасада здания.

Возможность применить эти системы в комбинации с пассивным охлаждением, например, охлаждающими балками либо потолками, сразу исключалась из-за риска образования конденсата на тех участках здания, которые находятся в режиме только естественной вентиляции. На самом деле здание в целом ни при каких обстоятельствах не сможет остаться с одной лишь только естественной вентиляцией, поскольку для внутренних модульных офисов всегда будет требоваться дополнительное поступление охлажденного воздуха.

В итоге выбор был сделан в пользу децентрализованной сети, объединяющей узлы воздухоподготовки с вентиляторными конвекторами, предусмотренными для рециркуляции. Такое решение освобождает от необходимости прокладывать вертикальные каналы большого сечения для подачи и отвода воздуха для внутренних помещений. При этом существенно сокращается энергопотребление в целом, поскольку каждый этаж (либо часть этажа) оказывается автономным в плане регулирования своих удельных расходов на кондиционирование и отопление независимо от здания в целом.

Объемы наружного воздуха, обрабатываемого узлами воздухоподготовки, определяются из расчета 12 л/с (43,2 м3/ч) на человека с коэффициентом заполняемости 1 чел. на 10 м2 площади этажа. Это значение является базовым, рекомендуемым Ассоциацией инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционирования воздуха Великобритании (CIBSE — Chartered Institution of Building Services Engineers) и объединением BRE (Building Research Establishment) для помещений, где не разрешено курить. Тем не менее проект предусматривает достаточный запас мощности по отоплению/кондиционированию, позволяющий при необходимости на 50 % увеличивать подаваемые объемы воздуха, например, в периоды наплыва посетителей, а также на случай, если в будущем будут ужесточаться нормативные требования в части обеспечения вентиляции зданий и сооружений.

alt

Рисунок 7.

Наружное остекление здания. Видны треугольные окна световых шахт с механическими приводами, предусмотренные для использования в системе вентиляции

Общей чертой систем, предусмотренных проектом, является использование в качестве воздушного канала воздушной прослойки между двумя слоями остекления, которая оснащена козырьками регулирования солнечного облучения. Имеющиеся здесь в верхней части воздушные камеры действуют как приточные. Узлы воздухоподготовки с вентиляторными конвекторами смонтированы над подвесными потолками. По фактическому числу агрегатов и рабочим режимам возможны варианты по функции вытяжки. В известной степени они определяются специфическими потребностями пользователей. Проект допускает установку одного единственного узла централизованной воздухоподготовки на этаж. В этом случае система удаления воздуха независима от узла воздухоподготовки и обеспечивается шестью специальными вытяжными вентиляторами. Такое решение, скорее всего, и будет востребовано большинством арендаторов, хотя на своей половине компания «Swiss Re» распорядилась иначе.

alt

Рисунок 8.
Трехмерная схема узла воздухоподготовки для этажей,
оборудованных ротационным регенератором тепла

 

Здесь по шесть узлов воздухоподготовки на каждом этаже. Каждый из них забирает воздух из трех приточных камер, точнее из двух, поскольку третья установлена как резервная на случай 50%-го избыточного роста расхода воздуха. Подготовленный воздух подается по воздуховодам на вентиляторные конвекторы, причем зимой он дополнительно увлажняется. На этажах «Swiss Re» все агрегаты оснащены ротационным регенератором тепла и включают в себя вытяжную секцию. Они забирают наружный воздух из вентилируемой полости фасада через две приточные камеры. На каждый сегмент этажа между двумя световыми шахтами предусмотрены шесть вентиляторных конвекторов общим числом 36 на этаж. Тем не менее для участков с повышенной нагрузкой, например, в конференц-залах, возможно, их число потребуется увеличить. В рекомендациях BRE для зданий с пониженным расходом энергоресурсов потребление электричества в годовом исчислении не должно превышать 175 кВт•ч/м2. У башни «Swiss Re» этот показатель лучше на 25 кВт•ч/м2 — здесь в оптимальной конфигурации энергетических характеристик годовое энергопотребление составляет всего 150 кВт•ч/м2.

alt

Рисунок 9.

Этап надстройки полов на этаже. На уровне потолка видны один из вентиляционных конвекторов и фрагмент сети воздуховодов

Холодильная станция

За исключением отопительных котлов, охлаждающих башен и трансформаторов, все основные компоненты инженерных сетей смонтированы в подвальном помещении. Холодильная станция состоит из пяти холодильных машин винтового типа с водяным охлаждением мощностью 1,3 МВт каждый. Кроме того, предусмотрены циркуляционные насосы с регулируемой скоростью, теплообменники и накопительные резервуары воды для системы противопожарной безопасности спринклерного типа и питьевой воды, а также главные электрощиты. На этапе проектирования был отклонен вариант использования холодильных машин с воздушным охлаждением, поскольку в верхней части здания, где и без того тесно в силу конструктивных особенностей, они должны были бы монтироваться в непосредственной близости от ресторана, а учитывая их повышенную шумность, это было бы крайне нежелательно. Но и на нулевом уровне их монтаж был бы также невозможен и из-за шумности, и из-за значительных объемов горячего воздуха, которые пришлось бы отводить вблизи панорамной площади.

А вот охлаждающие башни замкнутого контура с увлажнением намного привлекательней в плане эффективности, а также потому, что при благоприятных погодных условиях они могут работать и без увлажнения.

Преимущества такого режима не только в экономии энергоресурсов, которое дает выключение рециркуляционных насосов, но и в значительном сокращении химических реагентов, используемых для обработки воды.

Шесть охлаждающих башен замкнутого контура мощностью 1,55 МВт каждая смонтированы на уровне этажей с 35 по 37, где, кстати, установлены и электрические щиты. Для минимизации водяного тумана, образующегося в результате работы башен, на каждой сливной горловине смонтирована система специального догрева, задача которой — ликвидация образования испарений. Такие системы специального догрева питаются горячей водой, которая идет из конденсаторов перед тем, как поступить в градирни.

alt

Рисунок 10.

Циркуляционные насосы, обслуживающие холодильную станцию, с регулировкой посредством инвертера

Установленная в здании система кондиционирования помимо башни «Swiss Re» полностью обслуживает еще один объект — стоящее рядом 6-этажное здание, которое также находится в собственности компании «Swiss Re». В свою очередь в этом здании на 4 и 5 этажах размещаются четыре газовых отопительных котла мощностью 1,5 МВт каждый, также обслуживающих оба здания. Решение установить отопительные котлы вне основного здания продиктовано недостатком места на верхних уровнях башни «Swiss Re». Чтобы не возводить полноразмерный дымоход и избежать проблем с позиционированием трубы, котлы закрыты в герметичном машинном зале с уравновешенным давлением, а продукты сгорания отводятся на уровне проезжей части. Статическое давление котлов, насосов и теплообменников составляет около 18 бар. Насосы регулируются инвертером, что позволяет сократить расход энергии в периоды частичной нагрузки.

 

Холодные потолки (бесшумные)

Охлаждаемый потолок. Технические решения. Аппаратная управляющая часть системы.

Альфонс ШТРИКНЕР
главный специалист компании A-Climax, изобретатель

 

Меры по обеспечению герметичности, небольшая разница между температурами охлаждающих элементов и воздуха в помещении, использование защитной автоматики позволяют обходиться при монтаже «холодных потолков» без применения специальных гидроизоляционных материалов.

Идеальная ситуация, когда разработка проекта «холодного потолка» осуществляется на стадии архитектурного проектирования здания, одновременно с проработкой дизайн-проекта помещений. Проектировщику климатической системы, архитектору и дизайнеру легче найти компромиссные решения до начала строительных и отделочных работ, чем после их завершения. Такой подход выгоден и с экономической точки зрения.

Уровень автоматизации системы «холодных потолков» позволяет производить зонирование (градация значений поглощения тепловой энергии в различных зонах охлаждаемых поверхностей) как в рамках здания, блока помещений, так и в рамках одного помещения, если в этом имеется объективная необходимость. Каждая зона (отдельный охладительный контур) имеет свой термостат, что позволяет устанавливать индивидуальные температурные характеристики в зависимости от имеющихся климатических условий этой зоны.

Меры защиты от образования конденсата на охлаждаемых элементах

Поскольку «холодные потолки» монтируются в элементах конструкций либо под декоративным слоем отделки помещения, главным критерием надежности системы является абсолютное отсутствие конденсата на охлаждающих элементах. В противном случае издержки на восстановительный ремонт лишат всякого смысла применение подобных климатических систем.

Первой преградой на пути образования конденсата является небольшая разница температуры охладительных элементов и воздуха внутри помещения – примерно 2 °С. Тем не менее соблюдение этого условия само по себе не застрахует пользователя системы от выпадения конденсата. Важнейшая роль здесь отводится оборудованию.

Оборудование (на примере отдельного контура)

В единую электрическую цепь включены температурно-влажностный датчик (датчик «точки росы»), термостат, электромагнитный клапан. Датчик «точки росы» контролирует температуру и влажность в помещении в непосредственной близости от охладительного контура, термостат отвечает за температурный режим хладоносителя (в рамках предварительных установок), электромагнитный клапан регулирует подачу хладоносителя в контур «холодного потолка».

Основная пиковая нагрузка по предотвращению образования конденсата на охладительных элементах ложится на датчик «точки росы», поскольку исправный термостат поддерживает температуру хладоносителя на стабильном заданном уровне с высокой точностью.

Сюрпризов следует ждать со стороны воздуха внутри помещения, смешанного с атмосферным воздухом, проникающим через открытые окна, потому как невозможно проконтролировать температуру и влажность такого воздушного «коктейля». Итак, при наступлении опасных симптомов – повышении температуры и влажности воздуха внутри помещения – датчик «точки росы» посылает сигнал электромагнитному клапану, и тот мгновенно останавливает подачу хладоносителя в охладительный контур.

Насколько четко сработает автоматика, сумеет ли она вовремя «заметить» наступление критических (для образования конденсата) климатических условий в помещении, зависит от настроек и качества приборов. Инженерные расчеты, позволяющие правильно калибровать приборы автоматики «холодного потолка», являются техническим ноу-хау.

Погрешность приборов. Критерии надежности

Уместен вопрос – какая гарантия предоставляется на работу системы без сбоев, кто и в течение какого времени несет ответственность в случае возникновения аварийной ситуации и порчи имущества?

За многолетний опыт инсталляции потолочных охлаждающих систем в различных странах мира (самым старым «холодным потолкам» России – четыре года) автоматическая система управления хладоносителем еще ни разу не привела к выпадению конденсата на охлаждаемых поверхностях.

Уровень автоматизации системы таков, что роль человека в ее обслуживании минимальна. Однажды запущенная система «холодный потолок» способна годами работать без остановки.

Работа системы в чрезвычайных обстоятельствах – отключение электропитания, водоснабжения – также не приносит обременительных хлопот.

В случае отключения электричества оборудование системы отключается, и в худшем варианте, когда температура охладительных элементов сравнивается с температурой воздуха, система перестает на какое-то время отводить из помещения тепловые нагрузки. При восстановлении электроснабжения автоматика «холодного потолка» выходит на ранее установленный режим работы без дополнительных установок.

Перерывы в централизованном водоснабжении зданий тоже не сказываются на работе «холодного потолка». Система имеет автономный закрытый контур охлаждения, в котором во избежание завоздушивания предусмотрен расширительный резервуар.

Отдельного внимания заслуживает вопрос, что «холодный потолок» не является самодостаточной климатической системой. Воздух, поступающий в помещение с охлаждаемым потолком, должен пройти специальную подготовку – очистку и, в зависимости от заданных климатических характеристик в том помещении, осушение или увлажнение. Сделать это возможно с помощью специализированной вентиляционной системы m

Охлаждающие элементы обладают универсальностью: их можно монтировать непосредственно на потолке (классический вариант), при необходимости опускать продолжение гидравлических матов на верхние части стен, осуществлять переходы на разноуровневых потолках, сводах, покрывать матами отдельно стоящие колонны.

Рис. 1. Принципиальная схема системы «холодный потолок»

Принципиальная схема системы «холодный потолок»

Рис. 2. Размещение охладительных гидравлических матов на плане этажа (частный случай)

Размещение охладительных гидравлических матов на плане этажа (частный случай)

Теория воздушных струй

Различают два основных способа вентиляции зданий: вентиляция вытеснением и вентиляция перемешиванием.

Вентиляция вытеснением преимущественно используется для вентилирования больших промышленных помещений, поскольку она может эффективно удалять излишки тепловыделений, если правильно рассчитана. Воздух подается на нижний уровень помещения и течет в рабочую зону с малой скоростью. Этот воздух должен быть несколько холоднее, чем воздух помещения, чтобы работал принцип вытеснения. Этот метод обеспечивает прекрасное качество воздуха, но он менее пригоден для использования в офисах и других небольших помещениях, поскольку терминал направленной подачи воздуха занимает довольно много места, и часто непросто избежать сквозняков в рабочей зоне.

Вентиляция перемешиванием является предпочтительным способом раздачи воздуха в ситуациях, когда необходима, так называемая, комфортная вентиляция. Основой этого метода является то, что подаваемый воздух поступает в рабочую зану уже смешанным с воздухом помещения. Расчет системы вентиляции должен быть сделан таким образом, чтобы воздух, циркулирующий в рабочей зоне, был достаточно комфортным. Другими словами, скорость воздуха не должна быть слишком большой, и температура внутри помещения должна быть более или менее однородной.

Вентиляция перемешиванием

Воздушная струя, входящая в помещение, вовлекает в поток и перемешивает большие объемы окружающего воздуха . В результате объем воздушной струи увеличивается, тогда как ее скорость снижается тем больше, чем дальше он проникнет в помещение. Подмешивание окружающего воздуха в воздушный поток называется эжекцией.


Рис. 8. Эжекция.

Движения воздуха, вызванные воздушной струей, вскоре тщательно перемешивают весь воздух в помещении. Загрязняющие примеси, находящиеся в воздухе, не только распыляются, но и равномерно распределяются. Температура в различных частях помещения также выравнивается.

При расчетах вентиляции перемешиванием самым важным моментом является обеспечение того, чтобы скорость воздуха в рабочей зоне не была слишком высокой, иначе возникает ощущение сквозняка.
 

Теория воздушных струй

 

На рис. 9, показана воздушная струя, которая формируется в случае, когда воздух принудительно подается в помещение через отверстие в стене. В результате появляется свободная воздушная струя. Если температура воздуха в струе такая же, как и в помещении, она называется свободной изотермической струей.

Распределение и форма

Воздушная струя состоит из нескольких зон с различными режимами потоков и скоростями перемещения воздуха. Зона, представляющая наибольший практический интерес, - это основной участок. Скорость в центре (скорость вокруг центральной оси) является обратно пропорциональной расстоянию от диффузора или клапана, т. е. чем дальше от диффузора, тем меньше скорость воздуха. Воздушная струя полностью развивается на основном участке, и превалирующие здесь условия будут оказывать решающее воздействие на режим потоков в помещении в целом.


Рис. 9. Основной участок воздушной струи, скорость , наклона.

От формы диффузора или проходного отверстия воздухораспределителя зависит форма воздушной струи. Круглые или прямоугольные проходные отверстия создают компактную воздушную струю конической формы. Для того чтобы воздушная струя была абсолютно плоской, проходное отверстие должно быть более чем в двадцать раз шире своей высоты или таким же широким, как помещение. Воздушные веерные струи получаются при прохождении через совершенно круглые проходные отверстия, где воздух может распространяться в любых направлениях, как в приточых диффузорах.


Рис. 10. Различные типы воздушных струй

Скоростной профиль

Скорость воздуха в каждой части струи можно рассчитать математически. Для расчета скорости на определенном расстоянии от выходного отверстия диффузора/клапана, необходимо знать скорость воздуха на выходе из диффузора/клапана, его форму и тип воздушной струи, который им формируется. Таким же образом возможно рассмотреть, как варьируют скорости в каждом профиле струи.

Используя эти расчеты, можно нарисовать кривые скорости для всей струи. Это дает возможность определить области, которые имеют одну и ту же скорость. Эти области называются изовелами (линии постоянной скорости). Убедившись, что изовела, соответствующая 0,2 м/сек, находится за пределами рабочей зоны, можно быть уверенным, что скорость воздуха не превысит этот уровень непосредственно в рабочей зоне.


Рис. 11. Различные изовелы воздушной струи

Коэффициент диффузора

Коэффициент диффузора - постоянная величина, которая зависит от формы диффузора или клапана. Коэффициент можно рассчитать теоретически с использованием следующих факторов: импульсное рассеивание и сужение воздушной струи в точке, где она подается в помещение, и степень турбулентности, созданная диффузором или клапаном.

На практике коэффициент определяют для каждого типа диффузора или клапана, измеряя скорость воздуха как минимум в восьми точках, находящихся на разном расстоянии от диффузора/клапана и не менее чем в 30 см друг от друга. Эти значения затем наносят на график с логарифмическим масштабом, который показывает замеренные величины для основного участка воздушной струи, а это, в свою очередь, дает значение для константы.

Коэффициент диффузора дает возможность рассчитать скорости воздушной струи и спрогнозировать распределение и путь воздушной струи. Этот коэффициент отличен от коэффициента К, который используется для введения верного значения объема воздуха, выходящего из приточного воздухораспределителя или ирисового клапана. Коэффициент К описан на странице 390.

Эффект настилания

Если воздухораспределитель установлен в достаточной близости от плоской поверхности (обычно это потолок), выходящая воздушная струя отклоняется в ее сторону и стремится течь непосредственно по поверхности. Этот эффект возникает вследствие образования разряжения между струей и поверхностью, а так как нет возможности подмеса воздуха со стороны поверхности, то струя отклоняется в ее сторону. Это явление называется настилающим эффектом.


РИС. 12. Настилающий эффект

Практические эксперименты показали, что расстояние между верхней кромкой диффузора или клапаном и потолком не должно превышать 30 см, чтобы возник настилающий эффект. Эффект настилания можно использовать для того, чтобы увеличить путь холодной воздушной струи вдоль потолка до внедрения ее в рабочую зону. Коэффициент диффузора будет несколько выше при возникновении настилающего эффекта, чем при свободном воздушном потоке. Также важно знать, как крепится диффузор или клапан при использовании коэффициента диффузора для проведения различных расчетов.

Неизотермическая воздушная струя

Картина распределения становится более сложной, когда подаваемый воздух теплее или холоднее, чем внутри помещения. Тепловая энергия, возникающая в результате разницы в плотности воздуха при различных температурах, заставляет более холодный воздушный поток двигаться вниз (струя тонет), а более теплый воздух устремляется вверх (струя всплывает). Это означает, что две различные силы оказывают воздействие на холодную струю, находящуюся у потолка: эффект настилания, который старается прижать ее к потолку, и тепловая энергия, которая стремится опустить ее к полу. На определенном расстоянии от выхода диффузора или клапана тепловая энергия будет преобладать, и воздушная струя в конечном итоге отклонится от потолка.

Отклонение струи и точка отрыва могут быть рассчитаны с помощью формул, основанных на температурных дифференциалах, на типе выходного отверстия диффузора или клапана, а также на скорости воздушного потока и т. д.


Рис. 13. Точка отрыва воздушной струи (Хm) и отклонение (Y)

 

Важные критерии при расчете вентиляции

 

Важно правильно выбрать и разместить воздухораспределитель. Важно также, чтобы в рабочей зоне температура и скорость воздуха были приемлемыми.

Правильная скорость воздуха в рабочей зоне

Для большинства воздухораспределительных устройств в каталоге приведена характеристика, называемая длина струи. Под длиной струи понимается расстояние от приточного отверстия диффузора или клапана до сечения воздушной струи, в котором скорость ядра потока снижается до определенного значения, обычно до 0,2 м/сек. Длина струи обозначается 102 и измеряется в метрах.


Рис. 14. Понятие "Длина струи"

Первое, что принимается во внимание при расчетах систем воздухорас-пределения,- это то, как избежать слишком высоких скоростей воздушного потока в рабочей зоне. Но, как правило, в рабочую зону попадает отраженный или обратный ток этой струи: см. рис.15.


Рис. 15. Обратный воздушный поток при установленном на стене диффузоре

Скорость обратного воздушного потока составляет примерно 70 % от скорости, основной воздушной струи у стены. Это означает, что диффузор или клапан, установленный на задней стене, подающий струю воздуха с конечной скоростью 0,2 м/сек, вызовет скорость воздуха в обратном потоке 0,14 м/сек. Что соответствует комфортной вентиляции в рабочей зоне, скорость воздуха в которой не должна превышать 0,15 м/с.

Длина струи для описанного выше диффузора или клапана такая же, как длина помещения, и в данном примере является прекрасным выбором. Приемлемая длина струи для установленного на стене диффузара лежит между 70 % и 100 % длины помещения.

 

Проникающая способность воздушной струи

 

Форма помещения может оказать существенное влияние на конфигурацию потока. Когда поперечное сечение воздушного потока составляет более 40 % от поперечного сечения помещения, эжекция воздуха помещения в поток прекратится. В результате воздушная струя начнет подмешивать собственный воздух. При этом увеличение скорости подаваемого воздуха не решит проблему, поскольку проникающая способность останется прежней, увеличится только скорость воздушной струи и окружающего воздуха в помещении.

В той части помещения, куда не доходит основной воздушный поток, начнут появляться другие воздушные потоки, вторичные вихри. Однако, если длина помещения менее чем в три раза больше его высоты, можно предположить, что воздушная струя проникнет до конца помещения.


Рис. 16. Вторичные вихри образуются в самом дальнем конце помещения, куда не доходит воздушная струя

 

Обтекание препятствий

Воздушная струя при наличии препятствий на потолке в виде перекрытий, светильников и др., если они расположены слишком близко от диффузора, может отклониться и опуститься в рабочую зону. А потому необходимо знать, какое расстояние должно быть (А на графике) между устройством, подающим воздух, и препятствиями для свободного продвижения струи воздуха.


Рис. 17. Минимальное расстояние до препятствия

 

Установка нескольких воздухораспределителей

Если один потолочный диффузор предназначен для обслуживания всего помещения, он должен быть размещен как можно ближе к центру потолка, и общая площадь не должна превышать размеров, указанных на рис. 18.


Рис. 18. Небольшое помещение, вентилируемое одним потолочным диффузором

Если помещение большое, необходимо разделить его на несколько зон, и в каждой зоне поместить по диффузору.



Рис. 19. Большое помещение, вентилируемое несколькими потолочными диффузорами

Помещение, вентилируемое несколькими настенными диффузорами, также делят на несколько зон. Количество зон зависит от растояния между диффузорами, достаточного для предотвращения воздействия друг на друга. Если два воздушных потока смешиваются, получается один поток с большей длиной струи.


Рис. 20. Большое помещение, вентилируемое несколькими настенными диффузорами

 

Подача теплого воздуха

Горизонтально подаваемый потолочным диффузором теплый воздух хорошо обогревает помещения с высотой потолков до 3,5 метров, повышая комнатную температуру на 10-15°С.


Рис. 21. Горизонтальная подача воздуха потолочным диффузором

Однако в очень высоких помещениях подаваемый воздух должен быть направлен вертикально вниз, если он используется и для обогрева помещения. Если разница температур не более 10°С, то воздушная струя должна опуститься примерно до 1 м от пола, чтобы температура в рабочей зоне стала комфортной.


Рис. 22. Вертикальная подача воздуха потолочного диффузора

 

Подача холодного воздуха

Если подаваемый вдоль потолка воздух холоднее воздуха в помещении, важно, чтобы скорость воздушной струи была достаточно высока, чтобы обеспечить ее прилегание к потолку. Если ее скорость будет слишком мала, существует риск того, что тепловая энергия может направить воздушную струю вниз к полу слишком рано.

На определенном расстоянии от диффузора, подающего воздух, воздушная струя в любом случае отделится от потолка и отклонится вниз. Это отклонение случится быстрее для воздушной струи, которая имеет температуру ниже комнатной, а потому в этом случае длина струи будет короче.


Рис. 23. Разница между длиной изотермической и неизотермической струй.



Воздушная струя должна пройти, по крайней мере, 60 % глубины помещения, прежде чем отделиться от потолка. Максимальная скорость воздуха в рабочей зоне будет, таким образом, почти такой же, как и при подаче изотермического воздуха.

Как расчитать точку отрыва воздушной струи от потолка указано ниже.

Когда температура подаваемого воздуха ниже комнатной, воздух в помещении будет до некоторой степени охлаждаться. Приемлемый уровень охлаждения (известный как максимальный эффект охлаждения) зависит от требований к скорости воздуха в рабочей зоне, от расстояния до диффузора, на котором воздушная струя отделяется от потолка, и также от типа диффузора и его местоположения.

В общем, большая степень охлаждения достигается при использовании потолочного, а не настенного диффузора. Это происходит потому, что потолочный диффузор распространяет воздух во всех направлениях, а потому ему требуется меньше времени для смешивания с окружающим воздухом и для выравнивания температуры.



Правильный выбор воздухораспределителя

 

Воздухораспределители могут крепиться либо на потолок, либо на стену. Они часто оборудованы соплами или имеют перфорацию, что облегчает подмешивание окружающего воздуха в воздушный поток.

Сопловые диффузоры являются наиболее гибкими устройствами, поскольку допускают индивидуальную настройку каждого сопла. Они идеальны для подаваемого воздуха, температура которого значительно ниже температуры в помещении, особенно если они установленны на потолке. Модель распределения может изменяться путем поворота сопел в различных направлениях.

Диффузоры с перфорацией дают положительный эффект там, где температура воздушной струи существенно ниже температуры окружающего воздуха. Они не так гибки, как сопловые диффузоры, но при помощи экранирования подаваемого воздушного потока в различных направлениях можно изменить модель распределения.

Настенные решетки имеют большую длину струи. Они имеют ограниченные возможности для изменения модели распределения и не очень подходят для подаваемого воздуха, имеющего температуру значительно ниже температуры окружающего воздуха.


alt Выбор воздухораспределительных устройств
alt Воздухораспределители и решетки

JoomlaWatch 1.2.12 - Joomla Monitor and Live Stats by Matej Koval
YOOtheme design - Powered by Joomla