Панельно-лучистое охлаждение помещений

Ю. Я. Кувшинов, доктор техн. наук;

Д. Н. Зинченко, аспирант, МГСУ;

С. Г. Булкин, канд. техн. наук, ООО «REHAU»

 

Как известно, в теплое время года, помимо конвективного тепла, в помещение поступают большие лучистые тепловые потоки, прежде всего, от солнечной радиации. Если избытки конвективного тепла быстро ассимилируются охлажденным воздухом, то лучистое тепло накапливается в ограждениях, и это приводит к их существенному разогреву. При наличии в помещении развитой поверхности охлаждения она включается в лучистый теплообмен, что приводит к быстрому понижению радиационной температуры помещения, а следовательно – к улучшению комфортности тепловой обстановки в нем.

Необходимость вентилирования помещения, а также осушки внутреннего воздуха в теплое время года и его увлажнения в холодное, предполагает наличие в помещении системы вентиляции. Представляется целесообразным обеспечивать параметры микроклимата в помещении двумя системами: панельно-лучистого отопления-охлаждения (СПЛО), кондиционирования воздуха (СКВ) или вентиляции (СВ). В теплое время года система водяного охлаждения работает как фоновая круглосуточно, а воздушная СКВ – только в течение рабочей смены. При этом практически безинерционная СКВ должна быть рассчитана на покрытие пиковой холодильной нагрузки. Такое сочетание ощутимо повышает экономическую и энергетическую эффективность обеспечения микроклимата.

Известно, что воздушные системы из-за малой плотности воздуха расходуют большое количество электроэнергии на очистку и тепловую обработку воздуха в кондиционерах, а также на его транспортировку по вентиляционным каналам. СПЛО снимает существенную часть холодильной нагрузки на СКВ, что позволяет уменьшить расход приточного воздуха в системе, доводя его до санитарной нормы. Так как расход энергии на перемещение замещающего количества воды несопоставимо мал, возникает экономия энергии.

При совместном действии СКВ и СПЛО понижается суммарная установочная холодильная мощность двух систем по сравнению с одной СКВ. Это происходит за счет круглосуточной работы фоновой СПЛО. Уменьшение установочной мощности означает уменьшение стоимости холодильной установки. При этом не происходит умень-шения суточного расхода холода двумя системами, наоборот, расход несколько увеличивается. Возрастание суточного расхода холода обусловлено снижением радиационной температуры помещения за счет лучистого охлаждения поверхностей, то есть лучшим качеством микроклимата в теплое время года.

Можно избежать этого перерасхода, если повысить температуру воздуха в помещении. При понижении радиационной температуры, компенсирующем повышение температуры воздуха, результирующая температура помещения останется неизменной, а следовательно, не происходит ухудшения комфортности тепловой обстановки.

К перечисленным преимуществам панельно-лучистого охлаждения следует прибавить то, что отопление и частично охлаждение помещения осуществляется одной системой, к тому же имеющей хорошие эксплуатационные качества.

Конструктивно системы панельно-лучистого отопления-охлаждения представляют собой греющий/охлаждающий контур из толстостенных пластмассовых труб, заложенных в тело ограждающей конструкции или прикрепленных к ней. Существующие в настоящее время технические средства разрешают конструировать множество схем размещения и устройства трубопроводов в панелях систем отопления-охлаждения. Как правило, системы делятся на потолочные, стеновые и напольные. Для целей охлаждения предпочтение следует отдавать потолочным и стеновым панелям.

Рисунок 1. Процесс формирования температуры воздуха с помощью СКВ (а) и комплексной системы СКВ + СПЛО (б)

Если сравнивать чисто конвективное (рис. 1а) и смешанное лучисто-конвективное охлаждение помещения (рис. 1б), то в первом случае радиационная температура t_R оказывается выше температуры воздуха t_B, а во втором – ниже. В результате процесс формирования температуры воздуха в том и другом случае оказывается различным.

При сменной работе СКВ мощностью Q_C1 охлаждение помещения происходит от высокого температурного уровня, во втором случае – при круглосуточной работе фоновой СПЛО мощностью Q_СФ допускается дисбаланс теплопоступлений Q_B и холодильной мощности СКВ Q_C2 и температура воздуха формируется в результате подогрева помещения внутренними теплопоступлениями.

В отличие от систем панельно-лучистого отопления, использование систем панельного охлаждения не нашло пока достаточного обоснования. Сказанное относится, прежде всего, к рассмотрению гигиенических аспектов. В многочисленных исследованиях гигиенистов и инженеров, например [1–3], приводятся данные оценки комфортности тепловой обстановки применительно к обогреву помещения. В то же время отсутствуют в явном виде сведения о радиационном балансе организма человека при панельно-лучистом охлаждении. Освещая основной вопрос – о допустимой температуре охлажденной поверхности, авторы публикаций рекомендуют принимать ее несколько выше температуры точки росы.

При проектировании систем панельно-лучистого обогрева-охлаждения условия комфортности тепловой обстановки оценивается двумя факторами: 1) соотношением температуры воздуха, радиационной температуры и результирующей температуры помещения t_В; t_R; t_П, °С; 2) минимально допустимой средней температурой охлажденной поверхности t_О, °С. Первый фактор устанавливает комфортное сочетание видов теплоотдачи человека, второй – допустимый баланс лучистого теплообмена на поверхности человека и температуру в пограничных зонах.

В результате обобщения многочисленных данных публикаций по комфортности тепловой обстановки при лучисто-конвективном отоплении-охлаждении были установлены рекомендации по нормированию параметров микроклимата.

При охлаждении помещения поверхностью температуру воздуха t_B следует принимать на 1–2 градуса выше нормируемой температуры воздуха в рабочей зоне t_B,P. Комфортное сочетание температуры воздуха и температуры помещения при охлаждении помещения следует определять в соответствии с данными рис. 2.

Рисунок 2. Зона теплового комфорта при панельно-лучистом охлаждении: 1 – зона теплового комфорта при панельно-лучистом охлаждении; 2 – зона теплового комфорта при конвективном охлаждении

Минимально допустимая температура охлажденной поверхности принимается как средняя температура всей охлажденной поверхности. Помимо этого значения следует оценивать минимальную локальную температуру на поверхности, которая должна быть не менее чем на 1 °С выше температуры точки росы.

На минимальную температуру вертикальных панелей налагается дополнительное требование не допускать переохлаждения воздуха у пола помещения (на расстоянии 1 м от панели) более чем на 2 °С ниже нормируемой температуры. При этом поверхностная плотность лучистого теплового потока на рабочем месте не должна превышать 35 Вт/м².

Использование ПЛО в помещении требует рассмотрения системы лучисто-конвективного теплообмена в охлаждаемом помещении. В полной постановке задачи такая система должна включать достаточно большое число уравнений баланса тепла на поверхностях ограждений, что затрудняет ее использование в инженерных решениях.

В упрощенном решении приняты два неизвестных (рис. 3): температура поверхности рабочей зоны t₃ и температура поверхности остальных (нейтральных) ограждений t₂.

Рисунок 3. К постановке задачи расчета лучисто-конвективного теплообмена в помещении при панельно-лучистом охлаждении

Система уравнений лучисто-конвективного теплообмена при двух неизвестных включает уравнение баланса конвективного тепла в помещении и уравнение баланса тепла на поверхности рабочей зоны.

В рассматриваемом случае обеспечения температурно-влажностных условий в помещении двумя совместно работающими системами задача состоит в определении холодильной мощности каждой из систем с учетом особенностей лучисто-конвективного теплообмена в помещении при наличии развитой охлажденной поверхности.

При параллельной работе СПЛО и СКВ, подающих в помещение тепловые потоки разной природы и в разное время суток, они по-разному воздействуют на формирование температуры воздуха. Причем из-за нестационарности процессов реакция температуры воздуха на то или иное тепловое воздействие происходит с различным запаздыванием. В основу учета нестационарности температурных условий заложена закономерность изменения радиационной температуры помещения. Для решения инженерных задач обычно используют математические модели с сосредоточенными параметрами.

Определяющим при рассмотрении нестационарных процессов в помещении является рассмотрение изменения во времени радиационной температуры помещения. Радиационная температура определена как средняя по площади температура поверхностей. Учитывая периодический характер изменения во времени суток тепловых потоков, составляющих холодильную нагрузку на системы охлаждения, расчет колебания t_R предпочтительно вести на основе понятия теплоустойчивости помещения. Совместное решение системы уравнений теплообмена в помещении и уравнения изменения радиационной температуры позволяет получить решение с частично распределенными параметрами.

В общем случае система отопления-охлаждения может работать или круглые сутки, или рабочую часть суток. Искомое соотношение холодильной мощности СПЛО и СКВ определяется из уравнения баланса среднесуточных возмущающих и регулирующих тепловых потоков, поступивших в помещение, которое имеет вид [4]

Q_C h_C + Q_TP +ΣQ_j h_j + Q_СФ h_СФ = 0, (1)

где Q_ТР – среднесуточный транс-миссионный тепловой поток, проходящий через наружные ограждения и определенный относительно рабочей температуры воздуха t_B, Вт;

Q_j – тепловые потоки, составляющие холодильную нагрузку на помещение, Вт;

h_C, h_j, h_СФ – коэффициенты нагрузки, соответственно, для конвективной системы, работающей часть суток, и для тепловых потоков, составляющих тепловую нагрузку на помещение, и для фоновой СПЛО [4].

Уравнение баланса тепловых потоков в помещении (1) позволяет выбирать соотношение долей холодильной мощности параллельно работающих систем в случае, когда мощность одной из систем задана. Учитывая зависимость температурных условий в помещении от холодильной мощности систем, корректное решение уравнения (1) достигается итерацией.

В помещении возможны различные варианты расположения охлаждающих поверхностей. В случае, когда площадь нескольких поверхностей оказывается достаточной для покрытия холодильной нагрузки, выбор того или иного места расположения панели зависит от теплотехнической эффективности варианта.

Коэффициент эффективности варианта охлаждающей поверхности показывает долю общей холодоотдачи СПЛО, приходящуюся на рабочую зону. Чем больше его значение, тем выше эффективность варианта СПЛО. Проведенное моделирование теплообмена в помещениях различной геометрии позволило оценить величину коэффициента эффективности в виде

K = C (1 – r), (2)

где r – конвективная доля суммы тепловых потоков, составляющих нагрузку на помещение:

r =ΣQ_i r_i / ΣQ_i. (3)

Коэффициент С, значения которого приведены в таблице, характеризует эффективность варианта расположения охлаждающей поверхности. Наибольшее его значение соответствует варианту 4.1 расположения панели в верхней части стены с одной стороны помещения. Наименьшее значение коэффициента эффективности приходится на вариант 2.

Значения коэффициента С в формуле (2)

№ варианта Расположение поверхности Коэффициент С 1 В потолке 0,5 2 В полу 0,38–0,07 а/h 3.1 В одной боковой стене у пола 0,43 3.2 В двух боковых стенах у пола 0,36 4.1 В одной боковой стене у потолка 0,56 4.2 В двух боковых стенах у потолка 0,51

Для расчета площади охлажденной поверхности следует определить ее холодоотдачу:

q_П = q₁ q_Р (1,02 – 0,01 (b/a)) • [0,94 + 0,01 (t_B – t₀)], Вт/м², (4)

где величина q₁ в качестве примера приведена на рис. 4 в виде зависимости от размеров помещения а, b, h и общей для помещения конвективной доли тепловой нагрузки r.

Рисунок 4. Зависимость относительной удельной теплоотдачи охлажденной поверхности от размеров помещения а, b, h и общей для помещения конвективной доли тепловой нагрузки r

Величина q_P – холодоотдача поверхности, рассчитанная относительно максимального перепада температуры (t_B – t₀).

С целью всесторонней оценки влияния различных факторов на энергетические и экономические показатели охлаждения помещений было проведено моделирование совместной работы СПЛО и СКВ. Моделирование реализовывалось с помощью компьютерного расчетного комплекса, в основу которого заложены приведенные выше зависимости.

В результате определялись холодильная мощность СКВ и СПЛО в расчетных условиях и годовые расходы энергии на охлаждение и вентиляцию помещений при переменном соотношении вклада в охлаждение каждой из систем. Последний фактор оценивался величиной m, равной

m = Q_CПЛО / Q_СПЛО.1, (5)

где Q_CПЛО – мощность СПЛО при совместном с СКВ охлаждении помещения;

Q_СПЛО.1 – то же при охлаждении помещения одной СПЛО.

Были рассмотрены два варианта планировки и назначения тестовых помещений, для каждого из помещений были приняты два варианта ориентации (южной и северной половины румбов) фасадов в трех характерных климатических зонах (Центр, Западная Сибирь, Юг России). Принятые к рассмотрению 12 вариантов помещений имеют холодильную нагрузку в расчетных условиях от 50 до 115 Вт на 1 м² площади пола. Общее число рассмотренных вариантов, равное 70, представляет выборку, правомерно претендующую на высокую достоверность результатов.

Рассматривались помещения читального зала с ориентацией фасада на юго-запад (ориентация 1) и север (ориентация 2) в Москве, Новосибирске и Краснодаре при переменном показателе m. Результаты моделирования иллюстрируются данными на рис. 5–12.

Рисунок 5. Диаграмма холодильной мощности в помещении читального зала при совместной работе СПЛО и СКВ в зависимости от принятой доли мощности СПЛО m в Москве

Рисунок 6. Диаграмма холодильной мощности в помещении читального зала при совместной работе СПЛО и СКВ в зависимости от принятой доли мощности СПЛО m в Новосибирске

Рисунок 7. Диаграмма холодильной мощности в помещении читального зала при совместной работе СПЛО и СКВ в зависимости от принятой доли мощности СПЛО m в Краснодаре

Рисунок 8. Диаграмма суммарного годового расхода холода вариантами охлаждения помещения

Рисунок 9. Диаграмма суммарного годового расхода электроэнергии вариантами охлаждения помещения

Рисунок 10. Диаграмма приведенных затрат на варианты охлаждения помещения, Москва

Рисунок 11. Диаграмма приведенных затрат на варианты охлаждения помещения, Новосибирск

Рисунок 12. Диаграмма приведенных затрат на варианты охлаждения помещения, Краснодар

На рис. 5–7 показаны диаграммы зависимости холодильной мощности СПЛО, СКВ и суммарной мощности, потребляемой на охлаждение помещения и обработку наружного воздуха в объеме санитарной нормы от m.

На рис. 8 показаны графики зависимости от m суммарного годового расхода холода на охлаждение помещения и обработку наружного воздуха в, а на рис. 9 – аналогичные графики для суммарного годового расхода электроэнергии на охлаждение и перемещение воздуха в СКВ.

Выбор целесообразного соотношения мощности СПЛО и СКВ при их совместной работе является экономической задачей.

Для решения технико-экономических задач в качестве критерия экономической эффективности широко используется величина приведенных затрат (отечественная терминология):

П = КЕ + Э, руб./год, (6)

где К – капиталовложения в вариант сопоставления, руб.;

Э – годовые эксплуатационный затраты, руб./год.

В рыночных условиях при замене понятия капиталовложений на более широкое – инвестиции использование критерия приведенных затрат оправдано [5] при условии замены коэффициента эффективности капиталовложений Е в прежнем понимании на коэффициент бездисконтной эффективности Е_Э = 1/Т_Э. В зависимости от использования дохода, получаемого после окупаемости инвестиций в вариант, величина коэффициента эффективности определяется по разным формулам. Если доход будет использоваться в качестве оборотных средств (дисконтироваться), то величина Е_Э будет равна

Е_Э.1 = r/[1 – exp (–r T_ОК)]. (7)

В случае капитализации дохода, т. е. изъятия его из оборота и наращивания

Е_Э.2 = r/[exp (r T_ОК) – 1], (8)

где r – расчетная норма дисконта, 1/год;

ТОК – предельный срок окупаемости инвестиций.

Как показывают расчеты, при разумных сроках окупаемости инвестиций, от 3 до 9 лет, величина коэффициента Е_Э.1 изменяется от 0,4 до 0,15, коэффициента Е_Э.2 от 0,3 до 0,05. Таким образом, для оценки всей области возможных экономических ситуаций достаточно рассмотреть варианты в диапазоне Е_Э от 0,05 до 0,4.

Результаты сопоставления вариантов по величине приведенных затрат приведены на рис. 10–12.

Выводы

1. Результаты моделирования показали, что величина удельной холодоотдачи в существенной степени зависит от доли конвективной составляющей тепловой нагрузки. Влияние соотношения размеров, температуры охлажденной поверхности на рассматриваемую величину оказывается значительно меньше. Наибольшее значение удельной холодоотдачи соответствует варианту расположения поверхности в потолке, наименьшее – расположению панели в полу.

2. Было установлено, что наибольшее значение показателя эффективности соответствует расположению поверхности в боковых стенах помещения у потолка, второе место по эффективности занимает расположение панели охлаждения в потолке, третье – в боковых стенах у пола. Наименьшее значение показателя приходится на расположение панели у пола.

3. Проведенные расчеты изменения в течение суток температуры показали, что среднесуточная величина радиационной температуры для варианта совместной работы СПЛО и СКВ на 3–4 °С ниже, чем для варианта чисто конвективного охлаждения.

4. С уменьшением величины m имеет место нелинейное возрастание Q_СКВ, при этом возрастает суммарная холодильная установочная мощность охлаждающих систем.

5. С уменьшением m происходит изменение суммарного годового расхода холода на охлаждение и вентиляцию помещения. При этом с уменьшением m от 1 до 0,5 годовой расход холода уменьшается, а в последующем несколько увеличивается, причем при m = 0 годовой расход холода меньше, чем при m = 1.

6. Внешние климатические условия оказывают существенное влияние на годовое потребление холода. Об этом свидетельствуют данные о расходе холода, отличающиеся в вариантах для разной ориентации помещений и в разных климатических зонах в 2–3 раза.

7. В большинстве вариантов минимальные приведенные затраты соответствуют значению m, близкому к 1. Из рассмотренных 36 случаев распределения приведенных затрат в зависимости от m (для 1-го помещения) в 56 % минимум затрат соответствует m = 1 и только в 20 % случаях минимум соответствует m = 0,5. Из 18 вариантов для 2-го помещения оптимум имеет место при m = 0,5 в 50 % случаев. Смещение оптимума в сторону m = 0,5 наблюдается при увеличении эксплуатационных затрат и уменьшении коэффициента экономической эффективности Е_Э. Последний фактор соответствует большому сроку окупаемости инвестиций и (или) малой расчетной норме дисконта r.

8. Функция приведенных затрат с уменьшением m от 1 медленно растет до m = 0,5 и с дальнейшим уменьшением m возрастает более интенсивно.

Изложенные выше соображения позволяют сделать вывод об относительном равенстве приведенных затрат на варианты в области 0,5 < m <`1. Таким образом, область соотношения холодильной мощности СПЛО и СКВ, соответствующая 0,5 < m <`1, является экономически оптимальной.

Литература

1. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений. – М. : Стройиздат, 1981.

2. McNall P. E., Biddison R. E. Thermal and Comfort Sensations of Sedentary Persons Exposed to Asymmetric Radiant Fields. – ASHRAE Transactions, 1970, Vol. 76.

3. Fanger P. O. Thermal Comfort. – McGrow Hill, 1970.

4. Кувшинов Ю. Я. Теоретические основы обеспечения микроклимата помещения. – М. : Изд. Ассоциации строительных вузов, 2007.

5. Дмитриев А. Н., Табунщиков Ю. А., Ковалев И. Н., Шилкин Н. В. Руководство по оценке экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2005.