Новые подходы к кондиционированию. Опыт Германии

Опубликовано: 03.09.2018

Summary:

Описание:

Традиционный подход к организации системы климатизации современного офисного здания предусматривает систему холодоснабжения, например, на базе чиллеров и фэнкойлов, а также приточно-вытяжную вентиляцию с механическим побуждением. В статье рассмотренны решения, обеспечивающие снижение энергетических затрат и сокращение эксплуатационных расходов.

IBS спроектировала систему электроснабжения для ЦОД DataPro в 3D

А. Н. Колубков , директор ППФ «Александр Колубков»

Н. В. Шилкин , доцент, МАрхИ

Традиционный подход к организации системы климатизации современного офисного здания предусматривает систему холодоснабжения, например, на базе чиллеров и фэнкойлов, а также приточно-вытяжную вентиляцию с механическим побуждением. В результате реализации такого технического решения в здании располагается мощная холодильная станция, вентиляционные камеры большой площади, система воздуховодов достаточно большого размера, воздухораспределительные устройства в каждом помещении. Однако, подобные схемы являются достаточно энергозатратными. В статье рассмотренны решения, обеспечивающие снижение энергетических затрат и сокращение эксплуатационных расходов.

В настоящее время все большее внимание уделяется двум ключевым проблемам: проблеме обеспечения качества микроклимата помещений и проблеме энергосбережения. С этой точки зрения традиционный подход к организации системы климатизации офисных зданий нельзя признать оптимальным. «Традиционные» системы являются достаточно энергозатратными, и в современных условиях этот аспект все чаще и чаще признается значимым при проектировании систем инженерного обеспечения зданий. Энергозатратность в данном случае подразумевает относительно высокие затраты дорогостоящей, а в некоторых случаях и дефицитной электрической энергии при относительно невысокой холодопроизводительности. В конечном итоге при правильном проектировании систем удается добиться требуемых температурно-влажностных показателей, но затраты электроэнергии (эксплуатационные расходы) при этом могут быть неоправданно высокими, при этом они непрерывно возрастают вследствие постоянного роста цен на электроэнергию. Помимо эксплуатационных, относительно высоки при традиционном проектировании и капитальные затраты – затраты на оборудование. Кроме того, например, в Москве в настоящее время подключение к системе электроснабжения само по себе является достаточно затратным мероприятием. Немаловажным аспектом является и то, что в этом случае «теряется» (используется неоптимальным образом) площадь и высота здания, что является важным для инвестора.

В связи с указанными обстоятельствами в странах Западной Европы, в частности, в Бельгии и Германии, все большее распространение получает иной подход к организации системы климатизации офисных зданий. Принципы, положенные в основу этого подхода, известны достаточно давно, и в настоящее время происходит переход от строительства отдельных экспериментальных демонстрационных объектов к внедрению таких систем в массовое строительство. Этому внедрению способствует также то обстоятельство, что к настоящему моменту производителями представлены образцы необходимого оборудования, выпускаемого серийно.

Рисунок 1.

Схема панельно-лучистого охлаждения музея в Австрии

В рамках этого подхода можно выделить два направления дальнейшего развития систем климатизации зданий. Первое направление – замена традиционных чиллеров на системы, позволяющие захолаживать само здание , то есть, по сути, «аккумулировать холод» в конструкциях здания. При таком подходе в толщину теплоемкого бетонного перекрытия замоноличиваются змеевики охлаждения и здание охлаждается в ночное время. При этом электрическая энергия, необходимая для охлаждения, также расходуется в ночное время, во внепиковые часы. Для многих регионов характерен не недостаток электрической мощности как таковой, а ее дефицит в часы пиковых нагрузок. Ночное охлаждение позволяет сместить расход электроэнергии на ночные часы, добившись тем самым более равномерного среднесуточного ее расхода. Для владельца здания такой подход весьма выгоден экономически, поскольку расходуемая на охлаждение здания электрическая энергия расходуется в ночные часы и, соответственно, оплачивается по специальному «ночному» тарифу, гораздо более низкому. Большие массы теплоемких бетонных конструкций, охлажденные в ночное время, эффективно ассимилируют теплоизбытки в дневные часы. Холодильные машины включаются в работу уже во второй половине дня, когда пик расхода электроэнергии, связанный с пиком холодильной нагрузки, уже миновал. Запаздывание времени включения холодильных машин может составлять в климатических условиях стран Западной Европы 5–6 часов. В результате использования захолаживания здания в ночное время производительность системы холодоснабжения удается снизить в два раза, с соответствующей экономией средств на подключение, снижением первоначальных капитальных затрат на оборудование, эксплуатационных расходов, уменьшением потребных площадей в здании.

Дополнительные возможности экономии энергии дает использование в качестве источника холодоснабжения воды, охлажденной естественным образом, то есть без использования системы холодоснабжения здания. В качестве естественного источника холодоснабжения могут быть использованы грунтовые воды, геотермальные системы, охлаждение холодным наружным воздухом в ночное время.

В условиях нашей страны возможно использование таких систем не только для охлаждения, но и для отопления зданий. Системы лучистого отопления и охлаждения описывались в журнале «АВОК» в статьях «Теория и практика напольного лучистого отопления» (2003, № 1) и «Системы лучистого отопления и охлаждения» (2003, №№ 6, 7).

Рисунок 2.

Самая большая в мире система охлаждения пола смонтирована в аэропорту Бангкока

Фирмы-производители предлагают готовые системы, в том числе запатентованные технические решения. Такие системы реализованы к настоящему моменту уже на достаточно большом числе объектов в Германии.

Крупнейшая в настоящий момент система панельно-лучистого охлаждения функционирует в аэропорту Бангкока. Здесь огромное пространство пола (150 тыс. м2) выполнено с замоноличенными трубами из сшитого полиэтилена (PE-Xa), по которым пропускается охлажденная вода. Применение этой системы в сочетании с солнцезащитными устройствами и вытесняющей вентиляцией позволило обеспечить в рабочей зоне температуру 20 °С, притом что в верхней части здания эта температура достигает 40 °С.

Основной компонент системы – сетка, на которой смонтирован охлаждающий змеевик. Змеевик крепится к сетке специальными хомутиками. Эта конструкция изготавливается в заводских условиях, причем при производстве не требуется использования квалифицированной рабочей силы. Сетка со смонтированном на ней змеевиком доставляется на строительную площадку, где укладывается в специально подготовленную опалубку, либо на подставки, либо подвешивается к верхнему слою арматуры. Затем в опалубку заливается бетон. С помощью специальных приспособлений извлекается хвостовик трубы, который опрессовывается. Опрессованный хвостовик выводится из перекрытия под потолком нижележащего этажа через специальные закладные устройства, далее посредством обычных тройников присоединяется к магистрали. Используются обычные методы балансировки.

С экономической точки зрения система получается очень дешевой. Самая трудоемкая операция – монтаж охлаждающего змеевика на сетку – выполняется неквалифицированными рабочими, поэтому затраты здесь невысоки. Сами материалы – сетка, труба змеевика – также очень дешевы. Стоимость работ по заливке бетона и присоединению системы к магистрали, равно как и стоимость материалов, практически та же самая, что и при «традиционном» подходе. Таким образом, первоначальные капитальные затраты на систему существенно меньше затрат на реализацию «традиционной» системы.

Однако эксплуатация таких систем имеет свои особенности. Основная проблема здесь, требующая обязательного решения, – исключение повреждения замоноличенного в конструкцию змеевика при проделывании отверстий (в любом здании неизбежно будут сверлиться отверстия для монтажа каких-либо конструкций, осветительных приборов и т. д.). Проблема решена следующим образом: всем организациям-подрядчикам, выполняющим работы на объекте, выдается предписание о том, что при сверлении отверстий требуется использовать сверло строго определенной длины. При использовании сверел ненадлежащей длины организация несет ответственность за процедуру замены труб. Разумеется, подобное ограничение действует во все время жизненного цикла здания. По опыту реальной эксплуатации нескольких десятков объектов в Германии было отмечено всего два случая, когда подобное повреждение имело место. Можно сделать вывод о том, что если данную проблему контролировать, то вероятность повреждения змеевиков невелика.

Охлаждающие змеевики могут замоноличиваться в любые ограждающие конструкции, как в потолки, так в полы и стены. Есть ограничения по использованию тех или иных конструкций. Например, системы охлаждения потолков не могут применяться в сочетании с подвесными потолками – система в этом случае просто не будет работать. Охлаждающие поверхности стен не должны заставляться мебелью и т. д.

В условиях Москвы в типичном офисном здании теплоотдача в помещении (бытовые и технологические теплопоступления) без учета солнечной радиации составляет примерно 70 Вт/м2. На реально эксплуатируемых объектах в Германии такая производительность охлаждающих панелей достигается, а ассимиляция теплопоступлений от солнечной радиации достигается иными способами, один из которых рассматривается ниже.

Фирмы-производители предлагают специальные програм-мные средства для расчета потребной мощности и подбора параметров оборудования, но отдельные моменты требуют особого внимания при проектировании. Есть, например, поверхность охлаждающего потолка с определенным шагом замоноличенного охлаждающего змеевика, характеризующегося определенной холодопроизводительностью. В местах расположения окон требуется установка отдельного модуля, в котором охлаждающий змеевик располагается с меньшим (более частым) шагом, чем достигается большая холодопроизводительность с тем, чтобы отсечь солнечную радиацию. Также в этих местах может укладываться дополнительный змеевик вторым слоем.

Такой способ охлаждения используется в Германии как в зданиях, оборудованных системами механической вентиляции, так и в зданиях, в которых используется естественное проветривание. Следующий шаг в развитии систем охлаждения был связан с переосмыслением взаимосвязи системы холодоснабжения и вентиляции здания. При проектировании офисного здания потребная площадь на одного человека принимается обычно 6–10 м2/чел. Исходя из этого значения определяется количество человек, затем исходя из этого количества определяется потребное количество воздуха, которое требуется подать в данное помещение. Однако очень часто фактическое количество людей не соответствует расчетному. Возможны и на практике достаточно часто встречаются случаи, когда большую площадь занимает один человек (например, из числа топ-менеджеров). Такие ситуации невозможно спрогнозировать на стадии проектирования. В результате возможна ситуация, когда в помещение подается избыточное количество воздуха. Оборудование уже установлено, и оно требует в этом случае специальной переналадки. Эти соображения в числе прочих привели к тому, что все большее распространение получают децентрализованные системы климатизации. Очень часто такая децентрализация выполняется по этажам здания. В этом случае, если на одном этаже здания находится, к примеру, десяток человек, а на другом – около сотни, то и инженерные системы этих этажей подбираются различные, исходя их фактической заполненности помещений персоналом. Нет смысла использовать на всех этажах более производительное, но при этом и более дорогое оборудование. В развитие этой концепции децентрализации появились системы климатизации, в которых вообще не используется централизованная подача приточного воздуха. Были созданы приборы, которые выполняют функции забора наружного воздуха, его подогрева или охлаждения и подачи непосредственно в обслуживаемое помещение. Эти приборы в комбинации с системой охлаждающих поверхностей показали очень хорошие результаты и без использовании систем охлаждения зданий традиционного типа. Использование децентрализованного притока в сочетании с охлаждением или подогревом приточного воздуха – второе направление развития систем климатизации, направленное на энергосбережение и общее сокращение затрат.

Рассмотрим в качестве примера реализации такого решения многоэтажное офисное здание, построенное в Германии в Мюнхене. Это здание со сплошным остеклением «от пола до потолка». Фасад здания выполнен двуслойным, с воздушным промежутком между наружным и внутренним слоем. В наружном слое через каждые два этажа по периметру выполнены щелевые отверстия, через которые в пространство межу наружным и внутренним слоями поступает наружный воздух. Этот вентилируемый воздушный промежуток, во-первых, в определенной степени предохраняет здание как от излишнего перегрева в теплый период года, так и от переохлаждения в холодный период. Во-вторых, наличие вентилируемой прослойки делает возможным организацию забора из нее наружного воздуха и использования его в качестве приточного для вентиляции здания.

В полу каждого помещения по всему периметру светопрозрачных наружных ограждающих конструкций устанавливаются приборы, выполняющие функцию забора наружного воздуха из пространства вентилируемой воздушной прослойки, его очистки, обогрева или охлаждения и раздачи в помещение. При этом приточный воздух подается непосредственно настилающейся струей на внутреннюю поверхность остекления, что можно считать определенного рода защитой от выпадения конденсата на этой поверхности в холодный период года. В состав прибора входит вентилятор, набор фильтров, шумоглушитель, теплообменники, блок регулирования. Подключение к системам тепло- и холодоснабжения здания осуществляется обычным образом, по четырехтрубной схеме. Магистрали горячей и охоложенной воды прокладываются скрытно под фальшполом, с теплоизоляцией. В этом же пространстве под фальшполом прокладываются и другие коммуникации: электроснабжение, ЛВС, телефонная сеть и т. п.

Наружный воздух, забираемый из пространства вентилируемой воздушной прослойки, после очистки может пройти стадию охлаждения в летнее время либо стадию обогрева зимой, после чего подается в помещение. В этом случае можно отказаться от централизованной приточной вентиляции. Одним из положительных сторон такого решения является уменьшение общей высоты здания.

Рассматриваемое здание в Мюнхене изначально было огра-ничено по высоте по архитектурным соображениям, это жесткое условие было поставлено органами, выдающими разрешение на строительство. Применение схемы с децентрализованным притоком непосредственно в обслуживаемые помещения позволило заказчику за счет снижения высоты этажа построить два дополнительных этажа, уложившись в заданную высоту здания. Уменьшение высоты этажа стало возможным за счет отказа от подвесных потолков (либо существенного уменьшения высоты пространства за подвесным потолком), за которыми при использовании централизованного притока должна была располагаться система приточных воздуховодов и на которых должны были располагаться анемостаты. Остается лишь система вытяжных воздуховодов и система спринклерного пожаротушения, но для их размещения требуется существенно меньшее место. Кроме того, в основном вытяжные воздуховоды размещаются в пространстве подвесного потолка коридоров, для которых уменьшение высоты не является особенно значимым.

В потолки помещения замоноличен охлаждающий змеевик по схеме, аналогичной рассмотренной выше. Охлаждающий змеевик выводится под потолком через специальный закладной элемент и через балансировочный клапан посредством фитингов подключается к системе холодоснабжения здания. Каждый отдельный модуль можно отладить и отбалансировать независимо.

Как уже было отмечено, эти системы позволяют ассимилировать теплоизбытки, связанные с бытовыми и технологическими теплопоступлениями в типичное офисное помещение, равные примерно 70 Вт/м2 без учета теплопоступлений от солнечной радиации. В таком режиме – охлаждение только потолочными панелями – система работает в летнее время в пасмурные дни, то есть в моменты, когда теплопоступления от солнечной радиации отсутствуют или незначительны. Приборы подают в помещение наружный воздух без его дополнительного охлаждения. Кроме того, при желании сотрудники, находящиеся в обслуживаемом помещении, могут открыть внутреннюю створку окна, обеспечив тем самым естественное проветривание помещения. Механический приток в этом случае автоматически отключается (для этого на каждой створке устанавливается специальный датчик).

Если же теплопоступления от солнечной радиации достигнут такой величины, что температура воздуха в помещении превысит определенный предел, в работу включается охлаждающий контур рассматриваемого прибора. Охлажденный воздух настилающейся струей подается на внутреннюю поверхность светопрозрачной ограждающей конструкции, ассимилируя тем самым теплопоступления от солнечной радиации.

Следует отметить, что в случае необходимости, помимо подачи подогретого или охлажденного наружного воздуха, система допускает обогрев или охлаждение воздуха в помещении посредством отдельного рециркуляционного вентилятора. Дополнительный рециркуляционный вентилятор отличается низким уровнем шума за счет оснащения рабочим колесом больших размеров. Рециркуляционный вентилятор регулируется независимо от приточного вентилятора.

Расход наружного воздуха через один прибор составляет от 60 до 120 м3/ч, расход рециркуляционного воздуха от 80 до 140 м3/ч. При меньших расходах воздуха уменьшается и шум от работы вентилятора.

Индивидуальное регулирование параметров микроклимата в каждом помещении позволяет сократить время работы системы кондиционирования воздуха , что, в конечном итоге, ведет к снижению затрат энергии и сокращению эксплуатационных расходов.

Отказ от охлаждения или подогрева приточного воздуха в системах воздухоподготовки позволяет высвободить дополнительные площади. По сути, в здании остаются только тепловой пункт, холодильная станция и вытяжная вентиляция. Функции же приточных установок, центральных кондиционеров и системы отопления выполняют рассмотренные выше приборы в комбинации с системой охлаждающих потолков. Следует ожидать, что этот аспект – увеличение полезного объема и площади здания, окажется весьма интересным для инвесторов и в нашей стране.

Рисунок 3.

Блок регулирования

Рисунок 4.

Секция фильтрации. Фильтр снят

Рисунок 5.

Горизонтальные щелевые воздухозаборные отверстия по периметру фасада

через каждые два этажа

Рисунок 6.

Вентилируемая прослойка фасада

Рисунок 7.

Солнцезащитные устройства в пространстве между наружным и внутренним слоями

Рисунок 8.

Размещение приборов под окнами

Рисунок 9.

Подвесной светильник и короб, в котором прокладываются коммуникации. Хорошо заметен выигрыш в высоте помещения

Рисунок 11.

Прокладка коммуникаций и подключение приборов. Коммуникации затем закрываются фальшполом. Приборы временно закрыты щитами

Рисунок 12.

Крепление прибора. Прибор временно закрыт щитом

Рисунок 13.

Размещение прибора под окном. Прибор закрыт щитом. Видны отверстия вентиляции фасада

Рисунок 14.

Гибкая подводка и крепление спринклерной головки. Гибкая подводка позволяет правильно установить спринклерную головку даже при некотором изменении высоты подвесного потолка

Рисунок 15.

Транзит воздуховодов через перегородки выполняется обязательно с шумоизоляцией

Рисунок 16.

Спринклеры на гибких подводках и воздухозабор вытяжной вентиляции (воздухозаборные устройства пока не установлены)

Рисунок 17.

Потолок помещения с отделкой. На потолке подвешен светильник, за которым скрыт спринклер пожаротушения. Никаких других систем здесь не требуется