Опыт проектирования и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха зданий учебных центров

Продолжение. Первую часть статьи читайте в журнале «АВОК», 2007, № 3, с. 22–30.

А. Мельцер, главный инженер по системам инженерного оборудования Иерусалимского университета, Израиль

3. Рекомендации по выбору принципиальных схем тепло- и холодоснабжения и особенности их эксплуатации

На основании рассмотренных особенностей В и КВ различных помещений можно сформулировать рекомендации по выбору принципиальных схем Т и Х и особенностям их эксплуатации.

Рисунок 1. Иерусалимский университет. Кампус общественных наук. Спортивный центр

3.1. VAV-системы

VAV-системы как принципиальная схема обеспечения воздухообмена и поддержания параметров микроклимата в помещениях учебного центра своего применения не нашли.

С полным уважением относясь к опыту США в области проектирования и эксплуатации VAV-систем, все же схемы, отработанные в странах Юго-Восточной Азии, когда функции подачи свежего воздуха и поддержания параметров микроклимата делятся между системами ПВУ и системами доводчиков (фэнкойл, VRF и др.), запитанными от центральной, зональной или центрально-зональной системы Т и Х, представляются нам предпочтительными.

Не нашли своего применения и разновидности VAV-систем, такие как общая система подачи свежего воздуха высокого или среднего давления и вентиляторная/безвентиляторная «индуктивная» коробка («mixing box») у каждого потребителя. Несколько таких установленных систем вызвали серьезные нарекания со стороны потребителей и довольно быстро прекратили свое существование. Подобное отношение к VAV-системам может, в частности, объясняться квалифика-цией обслуживающего персонала и его способностью понять и обеспечить работу VAV-систем во всех ее проявлениях.

В тех случаях, когда все же следует избегать прокладки трубопроводов воды (например, в библиотеках), рекомендуется вместо VAV-системы рассмотреть VRF-систему.

Следует отметить, что VAV-системы как системы поддержания баланса воздуха в здании (без выполнения параллельно функций поддержания параметров микроклимата) вполне приемлемы, в частности, как системы компенсации объемов воздуха, удаляемого от вытяжных лабораторных шкафов.

Рисунок 2. Кампус медицинских наук. Студенческий центр

3.2. Сплит-кондиционеры

О сплит-кондиционерах написано немало, специальная литература богата статьями о надежности, функциональности, долговечности и экономической целесообразности их применения как основного проектного решения по сравнению с центральными или зональными системами холодоснабжения на воде или VRF-системами. На сегодняшний день сплит-кондиционер превратился в электроприбор, который можно купить в магазине, как утюг или чайник, и получить соответствующее покупке качество. Однако то, что годится для частного лица, не годится для общественного здания и особенно для учебного центра. Вряд ли можно выразить отношение к сплит-кондиционерам точнее, чем это сделано в [3]: «…зачем нужен красивый, бесшумный, дешевый, компактный и т. д. кондиционер, если он в один прекрасный день ломается… Как правило, все поломки происходят в период пиковых нагрузок…».

В дополнение ко всем «за» и «против» следует отметить два дополнительных аспекта против применения сплит-кондиционера – наружная эстетика и техобслуживание. Применение сплит-кондиционера как основного решения для кондиционирования офисных помещений или как местных доводчиков для других комнат многоэтажного и многокомнатного учебного центра может превратить это здание в «куст малины», где в качестве ягод выступят блоки компрессоров, усыпавшие фасады здания. Кроме того, огромное количество единиц сплит-кондиционеров потребует техобслуживания на постоянной основе, что, несомненно, скажется на годовом бюджете эксплуатации здания.

Следует избегать установки сплит-кондиционера как основного принципиального решения схемы кондиционирования здания. Исключение составляют точечные решения, как, например, кондиционирование помещений серверных и пр.

Рисунок 3. Кампус прикладных наук. Здание физических, химических и биологических учебных лабораторий

3.3. Системы с тепловыми насосами (водяной конденсатор) у каждого потребителя

Системы с тепловыми насосами, использующие в качестве источника охлаждения/нагрева конденсаторов водяной контур с t = 28–30 °C, не нашли своего применения в основном из-за создаваемого в здании высокого уровня шума, стоимости и отсутствия необходимости в индивидуальных финансовых расчетах.

3.4. Источники энергии для систем В и КВ учебных центров

Источники энергии по уровню централизации можно разделить на 5 типов:

• центральные (центральная котельная, холодильный центр), обслуживающие кампус;

• зональные (автономная котельная, зональная система подготовки холода – чиллер, VRF), обслуживающие здание учебного центра;

• местно-зональные, обслуживающие этаж в здании центра (поэтажные VRF) или крупное помещение, например, лекционный зал;

• местные (СПК, миницентральные системы DX);

• комбинации источников.

Жидким теплоносителем в системах В и КВ является вода. Климатические условия не требуют применения гликоля в качестве холодоносителя.

По принципу выработки и подачи энергии источники можно разделить на 5 типов:

• центральные и автономные котельные на жидком и газообразном топливе;

• электрические нагреватели прямого нагрева воздуха;

• компрессионные чиллеры (в том числе тепловые насосы) для подготовки тепло- и холодоносителя;

• абсорбционные холодильные установки;

• установки когенерации и тригенерации (одновременная выработка электрической, тепловой и холодильной энергии).

Рисунок 4. Кампус общественных наук. Учебный центр для иностранных студентов

Последний тип системы представляет собой установку турбинного или дизельно-моторного типа, которая в результате сжигания природного газа или легкого мазута вырабатывает электроэнергию на общие нужды, а также готовит горячую воду 90 °С или пар на нужды общего тепло-снабжения и теплоснабжения абсорбционных холодильных установок.

При наличии центральных систем тепло- и холодоснабжения в здании или вблизи него следует отдавать предпочтение присоединению ПВУ и местных доводчиков к таким системам. Исключение могут составлять:

• Кафетерии – из-за необходимости финансового расчета с частным предпринимателем.

• Аудитории и лекционные залы на 100 и более человек – в редких, но возможных случаях, когда утвержденный график пуска центральных систем находится в явном противоречии с требованиями помещения.

• Помещения с серверами и шкафами связи – из-за круглогодичных требований к подаче холода.

Для обеспечения «сглаживания» противоречий между графиком пуска центральных и зональных систем и потребностей здания учебного центра в утреннем разогреве помещений и в холодные дни переходного периода следует устанавливать и запускать следующие системы местного подогрева:

• Ступенчатые местные электрические нагреватели, установленные на ответвлениях приточной системы в каждую комнату, для подогрева воздуха на 5 °С. При данном способе имеет место определенная экономия энергии за счет коэффициента одновременности, однако, этот вариант дорогой и, кроме того, увеличивается опасность возгорания из-за погрешностей монтажа «по месту».

• Зональные электрические нагреватели, установленные централизованно в ПВУ, позволяют производить плавное поддержание температуры в воздуховоде. Установка таких нагревателей централизованно и, как правило, на заводе-изготовителе со всеми проверками сводит опасность возникновения пожара к минимуму.

• Автономные котельные, обслуживающие здание целиком, в том числе и в отопительный сезон – при наличии соответствующих распоряжений.

• Тепловой насос, который летом может обеспечивать нагрузку по холоду совместно с основной системой холодоснабжения, а в «нестандартное» время может обеспечивать «разогрев», «подогрев» или даже основную отопительную нагрузку.

Зональные системы энергоснабжения следует устанавливать при отсутствии центральных.

Местно-зональные системы (автономный чиллер, автономная DX сплит-установка или крышный кондиционер) интересно рассмотреть для аудитории, «экономайзер» ПВУ которой не справляется с охлаждением зала 100 %-ной подачей наружного воздуха в переходный период.

Следует отдавать предпочтение присоединению к системам тепло- и холодоснабжения по четырехтрубной схеме или присоединению к системам с одновременным наличием тепловой и холодильной энергии от любых источников (например, трехтрубная VRF-система). Такие присоединения могут иметь следующие разновидности:

• Присоединение ПВУ и доводчиков здания к центральным тепловым сетям и к зональной холодильной машине. В этом случае имеет место гибкость в получении холода, несовпадения же между утвержденным графиком пуска центральной котельной и потребностями здания в тепле устраняются сезонным включением местного подогрева.

• Присоединение ПВУ и доводчиков здания к центральным сетям холодоснабжения и к зональной или местной системе подогрева – автономной котельной, электронагревателям и т. д.

• Присоединение ПВУ и доводчиков здания к двум зональным холодильным машинам типа тепловых насосов. В летний период обе машины покрывают холодильную нагрузку, в переходный период одна из машин переводится в режим нагрева и по двум отдельным трубам снабжает водой 45–50 °С локальные установки В и КВ. Кроме того, в зимний период один тепловой насос является резервом для другого. Простая и удобная схема.

• Двухтрубные VRF-системы с электронагревателями в ПВУ и местных доводчиках или трехтрубная VRF-система, позволяющая одновременный нагрев и охлаждение различных потребителей, – являются интересным решением. К недостаткам такого метода следует отнести его высокую начальную стоимость и стандартный ряд оборудования. Не на каждый объем воздуха и холодильную нагрузку можно подобрать ПВУ из такого стандартного ряда.

Проектирование и установка зональных двухтрубных систем для работы в режиме тепловых насосов должна быть ограничена. Нет никакой проблемы установить тепловой насос и обеспечить нагрев/охлаждение офисных помещений по двухтрубной схеме. В то же время применение такой схемы для компьютерных залов обречено на провал. Слишком быстрый переход от нагрева к охлаждению с целью поддержания параметров микроклимата, без обеспечения возможности охлаждения обратной воды хотя бы до 23 °С (процесс может занять 3–6 ч), приводит к остановке всей системы и порче компрессоров.

Рисунок 5. Компьютерный центр кампуса медицинских наук

3.5. Разное

ПВУ свежего воздуха и ПВУ, выполняющие функции нагрева воздуха на нужды отопления в местах большого скопления людей, должны быть оснащены резервным электродвигателем. Можно хранить такой двигатель в вентиляционной камере в упаковке, замена неисправного двигателя занимает 30–40 мин.

Необходимо обеспечить дублирование источников энергии для таких помещений, как компьютерные залы и классы. В случае выхода из строя основного источника холода, вдобавок к обычному и вполне понятному дискомфорту, могут выйти из строя компьютеры и потерять накопленную в них информацию. Эксплуатация таких помещений по своему отдельному годовому графику предопределяет закрепленное программой требование к установке местно-зональных источников энергии. Таким образом, такое техническое решение – установка теплового насоса в качестве источника холода для В и КВ с дублированием холодоснабжения от центральной системы, присоединение В и КВ к центральному теплоснабжению как к основному источнику тепла и использование теплового насоса как резерв, а также применение электронагревателей в качестве местного догрева в фэнкойле для покрытия кратковременных нагрузок – вполне отвечает всем требованиям и прекрасно работает.

Необходимость систем контроля и регулирования DDC (Direct Digital Control – прямой 1/0 контроль) или PLC (Programmable Logical Control – программный логический контроль) по-прежнему остается неясным вопросом для руководителей учебных заведений и не только. В самом деле, стоимость системы со всеми датчиками, контроллерами, программой, протоколами, линиями связи и компьютерной начинкой довольно высока, а пользу от нее ощутить довольно сложно. Поэтому первое, что отменяется как раздел проекта в случае превышения бюджета, – это системы DDC/PLC. И все же необходимо отметить, что такие системы, как минимум, дают возможность:

• Сократить штат и сэкономить время на попытку понять и устранить неисправности по месту.

• Экономить энергию за счет улучшения регулирования параметров и возможности легко программировать и перепрограммировать графики пуска систем.

• Накопить базу статистических данных в виде таблиц и графиков и выработать на ее основе программы эксплуатации похожих систем.

• Выявить тенденцию к неисправности задолго до действительной аварии.

Заключение

Учебные центры являются зданиями с большим количеством помещений разнообразного целевого назначения, и проектирование систем В, КВ и Т, Х для таких зданий является отнюдь не простой задачей.

Проектировщик должен понимать, что требования стандартов по объемам приточного/вытяжного воздуха и параметрам микроклимата никто не отменял.

Проектировщик должен понимать, что существуют рамки бюджета на капитальное строительство и никто не утвердит «лестницу на Луну», даже если она будет отвечать всем стандартам.

Проектировщик должен понимать, что системы В, КВ и Т, Х обслуживаются не профессорами, а просто квалифицированными техниками. Функционирование «системы-монстра», выполняющей все возможные в природе задачи, перегруженной заслонками, обводами, датчиками и регуляторами, обречено на немедленный провал, если ее действие и динамика ее работы будут непонятны обслуживающему персоналу.

Проектировщик должен понимать, что жизнь системы продолжается и после окончания ее проектирования, и после окончания ее монтажа. Причем жизнь системы в период эксплуатации, как предполагается, должна быть значительно длиннее, чем в оба отмеченных периода. Не следует допускать существенного увеличения эксплуатационных затрат в угоду другим соображениям.

Проектировщик должен понимать, что на дворе 2007 год и заказчик ждет от него надежной, экономичной, современной, эстетичной и контролируемой системы. Причем как проектировщик соединит воедино все эти противоречащие друг другу требования, заказчика совершенно не интересует.

Поэтому целью проектировщика должно являться создание системы вентиляции и кондиционирования воздуха и схемы обеспечения ее энергоносителями на хорошем техническом (пусть и не идеальном) уровне. Должно быть обеспечено приемлемое соответствие всем стандартам – пусть не будет вытяжной системы, воздух «вытеснится» в коридор, а оттуда удалится через туалеты, пусть не будет 23 ± 0,1 °С, 23 ± 1,5 °С будет тоже хорошо. Пусть такая система имеет DDC с ограниченным объемом точек ввода/вывода и с возможностью расширения в будущем. Пусть такая система будет запроектирована с приемлемым разделением функций, проста и понятна в эксплуатации. Пусть такая система чуть-чуть выйдет за рамки бюджета – простят. Пусть такая система не сэкономит все, что только можно, в период эксплуатации, а сэкономит немного меньше – поймут. Если все это имеет место – можно заявлять об успехе.

Подобный подход полностью оправдывает себя в Иерусалимском университете, количество жалующихся не превышает 15 %, что по стандарту CEN CR 1752 является весьма уважаемым результатом.

Если же проектировщик «дает крен» в угоду одному из аспектов – система «умрет» либо на стадии проверки бюджета, либо при сдаче в эксплуатацию.