Многоэтажные жилые здания

Основные вопросы концепции проектирования

А. Ситерман, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), президент компании «Value Engineering», вице-президент корпорации «Fresh Meadow Mechanical», США

Введение

Многоэтажные жилые здания очень популярны в Нью-Йорке и других крупных городах США. Обычно такие здания расположены в районах с ограниченной площадью под застройку. В соответствии со строительными нормами и правилами, действующими в Нью-Йорке, многоэтажными зданиями считаются здания высотой более 23 м, в то время как в других официальных документах установлено, что высотные здания – это здания, имеющие более 3 этажей выше уровня земли.

В этой статье рассматриваются различные концепции проектирования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, включая системы контроля температуры, используемые в многоэтажных жилых зданиях в США, в том числе в зданиях высотой до 90 этажей.

Системы ОВК

Существует несколько схем систем ОВК, используемых в многоэтажных жилых зданиях. Выбор конкретных схем в большинстве случаев определяется способом использования здания (сдача внаем, проживание владельцев с низким или высоким доходом).

1. Внутристенные агрегаты

Это недорогие системы, используемые обычно в жилищах, сдаваемых внаем или предназначенных для проживания людей с низким уровнем дохода. Такие агрегаты устанавливаются в сквозных каналах наружных стен, они состоят из компрессоров с воздушным охлаждением и отопительных батарей. В большинстве случаев в качестве теплоносителя в этих системах используется подаваемый из парового котла пар низкого давления или пар высокого давления, поступающий в батареи после прохождения станции снижения давления. Горячая вода очень редко используется для этих целей из-за способности ее замерзания в трубах или в батареях. В качестве возможного варианта для предотвращения замерзания в качестве теплоносителя может применяться раствор гликоля. Могут также использоваться и системы электрического отопления, если их применение экономически оправдано. Системами с низким давлением пара являются системы типа Vari-Vac, позволяющие регулировать температуру пара в зависимости от условий вне помещения, облегчая тем самым регулирование температуры внутри помещения. Они также позволяют обеспечивать равномерное распределение пара по всей системе. Для внутристенных агрегатов не требуется центральных холодильных установок, что позволяет уменьшить объем начальных инвестиций и стоимость технического обслуживания. Самым большим недостатком таких систем является высокий уровень шума от компрессоров с воздушным охлаждением.

2. Тепловые насосы

Это более усовершенствованные системы по сравнению с внутристенными агрегатами. Для них не требуется производить в наружных стенах сквозные отверстия, т. к. в этих системах используются компрессоры с водяным охлаждением. Они также позволяют использовать рассеянную энергию, особенно при умеренной погоде, при которой одновременно производятся и обогрев, и охлаждение, в зависимости от ориентации наружных стен. Такие системы требуют использования башенных градирен и дополнительных источников тепловой энергии (отопительная установка или пар от системы централизованной подачи энергии) для поддержания температуры в водяном контуре конденсатора на уровне 21 °C. Системы этого типа также создают повышенный уровень шума. Из-за необходимости иметь башенную градирню объем начальных инвестиций и затраты на поддержание этих систем выше, чем для внутристенных агрегатов. Используются следующие типы данных систем: устанавливаемые под окнами, модульные для многоэтажных зданий (с монтируемыми на заводе трубными стояками или без них), горизонтальные потолочные (с системой распределительных воздуховодов или без нее).

3. Агрегаты с вентиляторными конвекторами

Это наиболее популярные (и самые дорогие) системы централизованного охлаждения и отопления для высококлассных жилых зданий. В таких системах используются два типа агрегатов с вентиляторными конвекторами: фэнкойлы с подаваемой круглый год охлажденной или горячей водой (4-трубные агрегаты) и фэнкойлы с охлажденной или горячей водой, подаваемой только в течение летнего/зимнего сезона (2-трубные агрегаты). В качестве дополнительной возможности 2-трубные агрегаты могут быть оборудованы вспомогательной электрической системой отопления для использования в промежуточные сезоны.

Данные системы обладают низким уровнем шума, обеспечивают лучший контроль температуры. Имеется несколько типов таких систем: устанавливаемые под окнами, вертикальные модульные для многоэтажных зданий (с монтируемыми на заводе трубными стояками или без них), горизонтальные потолочные (с системой распределительных воздуховодов или без нее). По критерию общего потребления энергии в здании эти системы являются наиболее экономичными, т. к. они позволяют оптимизировать работу установки охлаждения/отопления в зависимости от фактической потребности в энергии.

4. Установка охлаждения/отопления

При выборе фэнкойлов должна быть спроектирована установка охлаждения/отопления. Имеется множество типов отопительного и обогревательного оборудования, используемого в установках охлаждения/отопления:

- электрические охладители с водяным охлаждением и башенные градирни;

- электрические охладители с воздушным охлаждением;

- абсорбционные холодильные установки, работающие на газе, на паре или горячей воде, либо холодильные/отопительные установки, одновременно вырабатывающие охлажденную или горячую воду;

- комбинация электрического охладителя с использующим лед устройством тепловой аккумуляции;

- паровые или водонагревательные котлы, работающие на газе или на нефтепродуктах;

- пар высокого давления из центральной энергетической системы, подаваемый через станции снижения давления.

Выбор типа оборудования осуществляется на основании рассмотрения экономических параметров, а также многочисленных дополнительных факторов, таких как: имеющееся физическое пространство, уровень шума, возможные скидки на стоимость оборудования, сложность технического обслуживания, доступность газа или пара и т. д.

5. Насосные системы

Имеется множество насосных систем, используемых для формирования циркуляции воды:

- одноконтурные системы с постоянным или переменным расходом воды через охладители или фэнкойлы;

- системы с первичным и вторичным контуром с постоянным расходом воды в первичном контуре, проходящем через охладители/нагреватели, и с переменным расходом воды во вторичном контуре, проходящем через фэнкойлы;

Выбор надлежащей системы основывается на требованиях к оборудованию, а также на надежности выбранной системы управления.

6. Ограничение на давление. Выравнивание и удаление воздуха. Трубная компенсация

Все оборудование и клапаны должны выбираться с учетом давления в точке соединения. В некоторых случаях, чтобы не использовать или использовать в минимальной степени вспомогательное сложное оборудование, должны быть предусмотрены дополнительные контуры сброса давления.

Из-за значительной длины используемой трубопроводной системы в многоэтажных зданиях очень важна стратегия балансировки воды. В большинстве случаев должна быть предусмотрена система обратной воды, в каждой системе с фэнкойлами необходимо установить клапаны автоматического контроля расхода воды. Такие клапаны должны обеспечивать необходимое постоянство потока воды, независимо от изменений давления в системе. Если необходимо регулирование потока воды, нужен дополнительный управляющий клапан с приводом от электродвигателя.

Для облегчения удаления воздуха из вертикальных стояков обратная магистраль воды и расширительный бак должны быть по возможности размещены в верхней части здания, для стабильного перемещения воздуха к устройству отделения воздуха необходимо обеспечить минимальную скорость потока воды.

В многоэтажных зданиях должна быть тщательно рассчитана степень теплового расширения и сжатия вертикальных стояков для охлажденной или горячей воды. Выбор расширительных устройств (компенсаторных муфт, свободных контуров) должен учитывать будущую осадку фундамента здания.

7. Вентиляционная система

Система распределения воздуха в многоэтажных зданиях включает механические системы вытяжки из туалетов, кухонь, помещений для стирки, а также систему кондиционирования воздуха в коридорах. Обычно из-за ограничений по уровню шума и эффекта дымовой трубы вертикальные стояки приточного и вытяжного воздуха не могут обслуживать более 20 этажей и выводятся далее на самый верх здания.

8. Технические помещения

В зданиях до 50 этажей технические помещения, в которых расположено оборудование систем ОВК, обычно расположены в подвале и/или на чердаке. Расположение технических помещений зависит от номинального значения давления используемого оборудования. Так, в зданиях выше 50 этажей технические помещения располагаются на промежуточных этажах – для разделения гидравлических контуров и снижения общего давления в системе.

Автоматический контроль температуры

Существует несколько типов систем автоматического контроля температуры, используемых в многоэтажных жилых зданиях. Сложность выбранной системы автоматического контроля температуры определяется функцией и способом использования здания, а также требованиями по техническому обслуживанию.

Самая простая система автоматического контроля температуры для отдельных квартир включает встроенные локальные элементы управления, установленные в заводских условиях. Ручной термостат переключения на обогрев или охлаждение, контролирующий температуру в помещении, может представлять собой модуль, установленный на стене.

Наиболее усовершенствованные системы автоматического контроля температуры для отдельных квартир включают в себя цифровые подсистемы полного прямого контроля (DDC), позволяющие производить автоматическое переключение между режимами охлаждения и нагрева, а также устанавливать ночной и дневной режимы управления. Эти подсистемы позволяют также осуществлять доступ к системам автоматического контроля температуры через Интернет для контроля и задания температуры в помещении.

Центральная установка охлаждения/обогрева в большинстве случаев управляется подсистемой DDC, что позволяет оптимизировать потребление энергии.

Системы механической вытяжки и кондиционирования воздуха в коридорах могут управляться подсистемами DDC или работать в круглосуточном режиме.

Заключение

В этой статье рассматриваются основные вопросы, которые должны приниматься во внимание при проектировании многоэтажных жилых зданий. Окончательная конструкторская схема зависит от множества факторов, таких как функция и способ использования здания, архитектурные задачи, местоположение, наличие источников энергии, необходимое качество воздуха в помещениях, экономические параметры, предпочтения владельца и т. д.