Опыт проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха высотных зданий

М. Г. Тарабанов, директор НИЦ «Инвент», руководитель НП «АВОК Волгоград»

Рисунок 1. Здание «Вулворт билдинг» («Woolworth Building») в Нью-Йорке высотой 241 м (57 этажей)	Рисунок 2. Башни-близнецы «Petronas Towers» высотой 452 м в Куала-Лумпуре в Малайзии

 

Естественно, что такой повышенный интерес заказчиков и инвесторов к высотным зданиям заставил архитекторов, конструкторов и инженеров искать новые не традиционные технические решения, соответствующие современному уровню развития техники.

Особенность проектирования современных высотных зданий в России заключается в отсутствии нормативных документов, опыта проектирования и длительной эксплуатации, а также в индивидуальности самих зданий.

В этих условиях для специалистов по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, тепло- и холодоснабжению нельзя дать какие-то готовые советы и рекомендации, т. к. выбор принципиальных решений зависит от желания заказчика и инвестора, от архитектурных и конструктивных особенностей здания, от размера участка, окружающей среды и многих других объективных и субъективных факторов. Во многих случаях удачное решение, осуществленное на одном объекте, оказывается неприемлемым или технически невыполнимым на другом, поэтому для принятия правильных принципиальных решений необходимо прорабатывать несколько вариантов.

В настоящей статье представлены некоторые принципиальные решения, принятые при разработке проекта систем отопления, вентиляции кондиционирования воздуха, тепло- и холодоснабжения одного из высотных комплексов «Москва-Сити» высотой 345 м (рис. 3).

Расчетные параметры наружного воздуха

Наименование систем Период года Расчетные параметры наружного воздуха tн.р., °С Jн.р., кДж Отопление помещений до 29-го этажа холодный –28 –27,6 Отопление помещений выше 29-го этажа холодный –30 –29,7 Кондиционирование в помещениях до 29-го этажа холодный –28 –27,6 теплый 32 63,0 Кондиционирование в помещениях выше 29-го этажа холодный –30 –29,7 теплый 30 58,0 Оборотное водоснабжение теплый 32 63,0

Особенности высотных зданий необходимо учитывать уже при выборе расчетных параметров наружного и внутреннего воздуха. Очевидно, что для высотных зданий принимаемые значения коэффициентов обеспеченности должны быть выше, чем для обычных зданий. Это обусловлено не только уникальностью высотных зданий, но и особенностями их взаимодействия с наружным воздухом. В частности, в холодный и теплый периоды года температура наружного воздуха понижается примерно на 1 °С через каждые 150 м высоты, а скорость ветра возрастает. В теплый период года, в результате воздействия солнечной радиации, у наружных ограждающих конструкций возникает мощный конвективный поток с более высокой температурой, чем вдали от здания.

Рисунок 3. Один из высотных комплексов «Москва-Сити» высотой 345 м

Количественная оценка указанных выше факторов сегодня невозможна, но и делать вид, что такой проблемы не существует, нельзя. Поэтому в проекте приняты следующие расчетные параметры наружного воздуха (см. табл.).

Как видно из таблицы, принятые параметры наружного воздуха отличаются от нормируемых как в теплый, так и в холодный периоды года с учетом более высокой обеспеченности систем и влияния высоты здания.

Расчетные параметры внутреннего воздуха с учетом высокого класса здания приняты, например, в офисах в теплый период 22—24 °С, в холодный период 20—22 °С, а в номерах отеля 22—24 °С круглый год. В холодный период в большинстве помещений предусмотрено поддержание относительной влажности воздуха в пределах 30—40 %.

В процессе проектирования инженерных систем прорабатывались различные варианты технических и компоновочных решений. В частности, острую дискуссию вызвал выбор между децентрализованной поэтажной компоновкой систем и схемой с техническими этажами и с вертикальными шахтами. По просьбе заказчика этот вопрос обсуждался даже на техническом совещании в НП «АВОК».

При децентрализованной схеме на каждом рабочем этаже предусматривается небольшой инженерный центр площадью 60—70 м² с забором наружного воздуха непосредственно с фасада и выбросом отработанного воздуха тоже на фасад на расстоянии не менее 7 м. В таком центре размещается центральный кондиционер производительностью 11 000 м³/ч, обслуживающий только свой этаж, вытяжная установка, внешние VRV-блоки и чиллер с водяным охлаждением конденсатора, вентиляторная градирня, теплообменники, насосы, электрические щиты и другое вспомогательное оборудование.

В качестве альтернативы рассматривали вариант с техническими этажами, на которых устанавливается такой же набор более мощного оборудования, в частности, на одном техническом этаже 6 кондиционеров производительностью 44 000 м³/ч каждый, которые подают воздух на 12 этажей вверх или вниз по трем вертикальным шахтам отдельно для каждого фасада (здание в плане имеет форму треугольника).

Технические и экономические расчеты и тщательный анализ показали, что более предпочтительным является децентрализованный вариант. Не останавливаясь подробно, отметим его основные преимущества:

- меньшая суммарная площадь, занимаемая оборудованием и шахтами;

- очень высокая степень зонирования, поскольку одна система обслуживает только один этаж, т. е. примерно 1 700 м²;

- более высокая обеспеченность, т. к. отказ кондиционера оставляет без приточного воздуха только один этаж здания;

- меньшие эксплуатационные затраты, поскольку работа всего мини-инженерного центра точно соответствует режиму работы офисов обслуживаемого этажа;

- минимальные сечения воздуховодов и их протяженность, отсутствие огнезадерживающих клапанов и некоторых других элементов сети;

- исключительная простота обслуживания оборудования, имеющего небольшие габариты и массу и, что очень важно, значительное уменьшение первичных затрат, т. к. приобретение и монтаж такого оборудования можно вести по мере сдачи помещений в аренду.

К недостаткам поэтажного варианта можно отнести только три фактора:

- более высокая удельная стоимость оборудования меньшей мощности (для разного вида оборудования от 10 до 30 %);

- более низкие удельные энергетические показатели;

- значительно (в несколько раз) большее количество обслуживаемого оборудования, что пугает службу эксплуатации.

Что касается первых двух факторов, то они полностью перекрываются указанными выше преимуществами.

При оценке третьего недостатка необходимо учитывать, что сам процесс эксплуатации, а в случае необходимости и ремонта малогабаритного оборудования несоизмеримо проще и дешевле, поскольку можно быстро осуществить замену оборудования и последующий его ремонт уже в стационарных условиях мастерской, а не на техническом этаже.

С точки зрения специалистов по вентиляции и кондиционированию воздуха вариант компоновки с техническими этажами для данного конкретного объекта практически не имеет никаких преимуществ. Однако, к сожалению, после долгих споров именно этот вариант был принят заказчиком, т. к. технические этажи оказались предпочтительнее при выборе количества и схемы движения лифтов, а также для размещения силового электрооборудования.

Выбранная схема компоновки в значительной степени определила и дальнейшие принципиальные решения.

Конструктивно комплекс представляет собой стилобатную часть от –4-го до 4-го этажа, который является первым техническим этажом, и две треугольные в плане башни высотой 55 и 85 этажей.

В стилобатной части здания на этажах от –4 до 3-го размещаются подземные автопарковки, дизель-генераторная, ЦТП, насосные, ТП, технические помещения, супермаркет и промтоварные магазины, столовые, кафе, бары, офисы, административные помещения, вестибюли, холлы, конференц-залы и другие помещения.

То есть функционально эта часть здания ничем не отличается от обычного «джентльменского» набора невысотных многофункциональных зданий, поэтому при проектировании систем отопления, вентиляции и КВ стилобатной части можно использовать эффективные, оправдавшие себя решения, реализованные на других объектах. Однако при этом приходится учитывать и некоторые принципиальные особенности. Например, выбросы воздуха, удаляемого из автостоянок, кухонь, санузлов и других подобных помещений, а также от систем дымоудаления, которые обычно выводятся выше кровли здания, приходится выполнять на кровле стилобатной части или на первом техническом этаже непосредственно на фасад.

В высотных башнях комплекса размещаются офисы, апарт-отель, технические этажи и наверху, рестораны со смотровыми площадками.

Для отопления башен разработана следующая принципиальная схема.

На –2-м этаже расположен тепловой пункт, в котором установлены теплообменники первого контура, обеспечивающие получение первичного теплоносителя с параметрами 95—70 °С. Самостоятельные группы теплообменников выделены для стилобатной части и башен «А» и «Б». Кроме того, теплообменники для башен разделены на блоки, которые обслуживают только свой технический этаж. Такое деление необходимо для решения проблемы высокого статического давления. Для уменьшения количества трубопроводов теплообменники первого контура рассчитаны на отопительную и вентиляционную нагрузку.

На каждом техническом этаже установлены пластинчатые теплообменники вторичного контура, в которых получают теплоноситель с параметрами 85—60 °С.

Предусмотрены три самостоятельных контура систем отопления в плане для каждого из трех фасадов здания. Системы отопления двухтрубные с нижней разводкой для этажей, лежащих выше технического, и с верхней разводкой с опрокинутой циркуляцией «сверху-вверх» для этажей ниже технического. Каждый вертикальный стояк обслуживает не более 12 этажей. Горизонтальные трубопроводы проложены в полу у наружных стен с подключением приборов по попутной или тупиковой схеме. На каждой горизонтальной ветке установлены балансировочные клапаны, отключающая арматура и приборы учета тепла. В качестве отопительных приборов приняты обычные напольные и встроенные в пол вентиляторные конвекторы, работающие на средних оборотах с уровнем шума не более 35 dB(A).

В рабочее время теплопоступления в офисных помещениях значительно превышают теплопотери, поэтому расчет систем отопления офисов выполнен на внутреннюю температуру 12 °С.

Для индивидуального регулирования на каждом отопительном приборе установлен терморегулятор.

Значительно больше проблем возникло при проектировании систем вентиляции, кондиционирования воздуха и холодоснабжения.

Для больших многофункциональных зданий в настоящее время в основном применяют центральные кондиционеры с минимальным расходом наружного воздуха и фэнкойлы в качестве местных доводчиков-охладителей или нагревателей. Если теплопоступления в помещениях значительно превышают теплопотери в холодный период, то в схеме дополнительно предусматривают сухой охладитель (dry-cooler) с контуром этиленгликоля.

Однако для помещений, в которых требуется значительный объем наружного воздуха или имеются местные отсосы, например, для ресторанов, столовых, тренажерных залов, конференц-залов и т. п. более целесообразной является схема, когда расход наружного воздуха принимают из условия ассимиляции теплоизбытков в холодный период года. Такое решение позволяет отказаться от сухих охладителей, пластинчатых теплообменников и этиленгликоля.

Обе указанные выше схемы применены для систем кондиционирования в стилобатной части здания, но уже на первом этапе пришлось отказаться от использования холодильных машин (чиллеров) с воздушным охлаждением, т. к. они просто не помещались на свободной кровле четвертого этажа.

Поэтому в хладоцентре на –2-м этаже установлены чиллеры с водяным охлаждением, получающие оборотную воду от вентиляторных градирен, расположенных на 4-м техническом этаже.

Для высотных башен были рассмотрены практически все известные сегодня схемы с центральными СКВ и местными доводчиками, в качестве которых используются:

- фэнкойлы;

- эжекционные доводчики;

- охлаждаемые потолки;

- моноблоки с водяным охлаждением;

- VRV-системы c воздушным охлаждением наружных блоков;

- VRV-системы c водяным охлаждением наружных блоков.

Подробный анализ указанных вариантов требует отдельной статьи, поэтому приведем только их основные преимущества и недостатки применительно к нашему конкретному объекту с учетом того, что всего в здании необходимо установить более 5 000 штук доводчиков, общий расход холода на одном техническом этаже башни составляет около 6 000 кВт, и первые три схемы требуют внешних источников холода.

Применение фэнкойлов с подводом тепла и холода к каждому аппарату по четырехтрубной схеме требует установки более 10 000 регулирующих и балансировочных клапанов, запорной и другой арматуры и прокладки многих километров трубопроводов холодной и горячей воды и дренажных систем.

Расчет эжекционных доводчиков, выпускаемых в Европе, с подачей обработанного воздуха непосредственно у пола показал, что они для данного конкретного здания не обеспечивают требуемого охлаждения помещений летом, т. к. температура приточного воздуха не должна быть ниже 19 °С, и они не могут отопить помещения зимой при температуре наружного воздуха ниже –20 °С.

Вариант с охлаждаемыми потолками имеет меньше конструктивных проблем, но требует самых больших капитальных затрат.

Однако основной причиной отказа от первых трех схем стали проблемы, связанные с размещением на технических этажах чиллеров, сухих охладителей, градирен, теплообменников, насосов и другого оборудования, необходимого для получения холода в теплый и холодный периоды года.

Интересное техническое решение дает применение моноблоков. Эти небольшие автономные кондиционеры, устанавливаемые непосредственно в обслуживаемом помещении, представляют собой, условно говоря, напольный фэнкойл со встроенным компрессором, испарителем, конденсатором с водяным охлаждением и полным набором элементов управления и автоматики. Первые системы кондиционирования с моноблоками были установлены нами еще в 1995 году в здании областного Сберегательного банка в Волгограде. Восемь лет эксплуатации подтвердили высокую эффективность и надежность таких систем, но и эта схема имеет недостатки: моноблоки выпускаются только в напольном исполнении и занимают арендуемую производственную площадь, а также имеют повышенный уровень шума — 40 dB(A), что недопустимо для офисов категории А.

Еще большую автономность имеют VRV-системы с воздушным охлаждением наружных блоков, однако до сих пор такие системы в высотных зданиях не применялись, что не случайно.

В самом деле в здании с техническими этажами через 100 м VRV-системы будут работать на предельных режимах, и все здание должно быть опутано сплошной паутиной фреоновых трубопроводов. Применительно к рассматриваемому объекту ситуация усугубляется тем, что наружные блоки могут быть установлены только на технических этажах и для их охлаждения только на одном этаже требуется около 1,4 млн м³/ч наружного воздуха, который можно забрать и выбросить только на фасад технического этажа, обеспечив при этом нормальную работу блоков как в теплый, так и в холодный периоды года.

Учитывая достоинства и недостатки рассмотренных выше доводчиков, мы остановили свой выбор на VRV-системе с водяным охлаждением внешних блоков. Эта система не требует внешних источников холода, многокилометровых теплоизолированных трубопроводов с регулирующими и балансировочными клапанами и арматурой, обеспечивает минимальную протяженность фреоновых магистралей и трубопроводов оборотной воды, позволяет более чем в три раза уменьшить расход наружного воздуха на технических этажах для получения необходимого количества холода и сократить до минимума расход теплоты на первый подогрев центральных кондиционеров.

Разработанные нами принципиальные схемы кондиционирования воздуха, тепло-, холодоснабжения и оборотного водоснабжения для офисных этажей в башнях «А» и «Б» приведены на рис. 4 и 5.

Рисунок 4. (подробнее) Принципиальная схема кондиционирования воздуха, холодоснабжения и оборотного водоснабжения для офисных этажей ниже технического

На техническом этаже, например 28 этаж в башне «А», предусмотрены 6 отдельных, не связанных между собой блоков, каждый из которых обслуживает офисные помещения, выходящие на один фасад и расположенные на 12 этажах вниз или вверх от технического. В первом случае применяется схема, приведенная на рис. 4, а во втором — схема на рис. 5.

Рисунок 5. (подробнее) Принципиальная схема кондиционирования воздуха, холодоснабжения и оборотного водоснабжения для офисных этажей выше технического

В состав каждого блока входят:

- центральный прямоточный кондиционер производительностью 44 000 м³/ч с набором секций, показанных на рис. 4;

- вытяжная вентиляционная установка производительностью 40 000 м³/ч;

- две вентиляторные градирни открытого типа с тепловой нагрузкой по 750 кВт, оборудованные дополнительными воздушными фильтрами, смесительной секцией и поверхностным теплообменником;

- чиллер с водяным охлаждением конденсатора (один на два кондиционера) холодопроизводительностью 500 кВт;

- пластинчатый теплообменник «вода — 40 % раствор этиленгликоля» мощностью 900 кВт;

- насосы, регулирующие клапаны и другое вспомогательное оборудование (на рис. 4 не показано).

В состав блока входят также связанные с ним трубопроводами оборотной воды 24 внешних водоохлаждаемых VRV-блока холодопроизводительностью по 28 кВт, которые установлены по 2 шт. в небольших отдельных помещениях на каждом офисном этаже и соединяются с внутренними блоками VRV-системы короткими фреоновыми линиями небольшого диаметра.

В зависимости от температуры наружного воздуха работа оборудования, приведенного на схеме (рис. 4), подразделяется на три периода с плавным переходом от одного к другому:

теплый — 17 °С < t_i < 32 °С;

переходный — 7 °С < t_i < 17 °С;

холодный — –30 °С < t_i < 7 °С.

В теплый период наружный воздух очищается в двухступенчатом воздушном фильтре, охлаждается в поверхностном воздухоохладителе 1.4 и подается в обслуживаемое помещение вентилятором 1.6. Отработанный воздух удаляется из помещений вытяжным вентилятором 2 и из-за недостаточной площади и высоты технического этажа выбрасывается наружу. Первоначально предполагали удаляемый воздух в этот период подать к приемной секции градирни, поскольку его температура по мокрому термометру ниже, чем у наружного воздуха.

Охлажденная вода с температурой 7 °С подается к кондиционеру от испарителя 4.1 насосом 4.3.

Доохлаждение внутреннего воздуха в офисах осуществляется внутренними VRV-блоками 10, которые соединены фреоновыми линиями с внешними водоохлаждаемыми блоками 9.

К конденсатору 4.2 чиллера и к внешним блокам 9 насосы 3.9 подают из поддонов 3.3 градирен охлажденную оборотную воду. Нагретая оборотная вода возвращается в градирни на распылительные гребенки 3.4 через трехходовые клапаны 3.5.

В этот период в контуре оборотной воды проходные клапаны 6 и 7 открыты, а клапан 8 закрыт. На вентиляторных градирнях открыты воздушные клапаны 3.7 и 3.8, а клапаны 3.6 закрыты.

По мере понижения температуры наружного воздуха уменьшается расход холода в воздухоохладителе 1.3 и, кроме того, снижается начальная температура оборотной воды, поэтому часть отепленной воды с помощью клапанов 3.5 надо подавать через обводные линии непосредственно в поддоны 3.3, минуя распылители 3.4.

Кроме того, в схеме предусмотрено плавное уменьшение в этот период производительности вентиляторов градирен с помощью частотных преобразователей.

При температуре наружного воздуха ниже 17 °С наступает первый переходный режим. В этот период уже не требуется охлаждение воздуха в кондиционере и чиллер отключается вместе с насосом 4.3. Закрывается проходной клапан 6 и оборотная вода подается только к внешним VRV-блокам, которые работают круглый год, поскольку расчетные тепловыделения в офисах превышают теплопотери и не могут быть ассимилированы только приточным воздухом.

При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха его необходимо нагревать в центральном кондиционере. Для этого в работу включается теплообменник 5.1 и контур этиленгликоля с насосом 5.2, воздухонагревателем 1.1 и сухими охладителями 3.2. В таком режиме клапан 7 закрывается, а клапан 8 открывается, и вся оборотная вода проходит через теплообменник 5.1. Заметим, что в этот период на распылители 3.4 подается уже менее 25 % оборотной воды.

Второй переходный режим предусмотрен при температуре наружного воздуха 7 °С. В этот момент оборотная вода полностью охлаждается в пластинчатом теплообменнике 5.1 без распыления в градирне, только за счет сухих охладителей 1.1 и 3.2. Такой режим является очень важным, т. к. позволяет исключить образование тумана на выбросе из градирен.

В холодный период года расчетная температура 7 °С поддерживается в смесительных секциях градирен 3.1 даже при t_н = –30 °С с помощью воздушных клапанов 3.6, 3.7 и 3.8. В четырехрядном теплообменнике-утилизаторе 1.1 приточный воздух нагревается от –30 до +5 °С, что позволяет уменьшить расход теплоты на первый подогрев при t_н = –30 °С на 60 %, а при более высокой наружной температуре вообще обойтись без первого подогрева.

При переходе от холодного периода к теплому включение и отключение оборудования и регулирующих клапанов осуществляется в обратном порядке. Заметим, что реальные переходы с одного режима на другой в значительной степени зависят от температуры мокрого термометра наружного воздуха, которая изменяется в меньших пределах и гораздо медленнее, чем температура сухого термометра. Это обеспечивает необходимую инерционность системе и защищает оборудование от частых включений и выключений в переходные периоды.

Применение в схеме на рис. 4 вентиляторных градирен открытого типа является в определенной мере вынужденным решением. Просто эти градирни более эффективны, чем закрытые, требуют меньшего расхода воздуха при одной и той же тепловой нагрузке и имеют меньшие габариты. Именно эти факторы и стали определяющими в нашем конкретном случае.

Однако открытые градирни имеют один очень существенный недостаток — разрыв потока оборотной воды в объеме оросительного пространства. Из-за этого происходит некоторое загрязнение оборотной воды наружным воздухом и, что самое главное, открытые градирни нельзя размещать ниже обслуживаемого оборудования.

Поэтому для оборотного водоснабжения внешних VRV-блоков, расположенных на 12-ти офисных этажах выше технического, предложена схема с закрытыми градирнями (рис. 5). Для уменьшения тепловой нагрузки, а, следовательно, расхода воздуха и габаритов этих градирен, все чиллеры, установленные на техническом этаже для холодоснабжения кондиционеров в теплый период, подключены к градирням открытого типа (рис. 4).

Оборудование в схеме с закрытыми градирнями работает в тех же режимах, что и на рис. 4, поэтому для рис. 5 не требуются дополнительные пояснения.

Очевидно, что обе схемы могут быть реализованы не только на высотных зданиях.

Госстрой России совместно с Правительством Москвы наметили в течение 2004 года разработать нормативную базу, включая МГСН, на проектирование многофункциональных высотных зданий. Надеемся, что настоящая статья будет полезной для специалистов по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха при разработке этих норм.

 

Тел. (8442) 76-40-58