Особенности проектирования систем кондиционирования высотных зданий

В рамках консультации было организовано посещение строящихся и эксплуатируемых объектов: башни «Федерация» международного делового центра «Москва-Сити» и многофункционального жилого комплекса «Алые Паруса». Участники консультации имели возможность ознакомиться с опытом реального проектирования и эксплуатации действующих объектов высотного строительства, обсудить реализованные технические решения.

В статье мы приводим ответы на наиболее интересные вопросы, заданные слушателями на консультации М. Г. Тарабанова.

Какие основные проблемы возникают при проектировании систем кондиционирования высотных зданий?

При проектировании систем кондиционирования воздуха высотных зданий проектировщику приходится искать решение трех основных проблем. Первая – проблема размещения оборудования – связана с тем, что высотные здания зачастую находятся в окружении плотной застройки, не имеют стилобатной части и плоской кровли, где может быть размещено климатическое оборудование. Например, новое здание московской мэрии в комплексе «Москва-Сити» имеет в плане размеры 100×100 м, высота 310 м (73 этажа), общая площадь 650 тыс. м², холодильная нагрузка 45 тыс. кВт. При этих размерах отсутствуют какие-либо площадки рядом со зданием, внутренний двор и т. п., где потенциально могли бы быть размещены наружные блоки системы кондиционирования воздуха. Расположенный рядом высотный комплекс «Федерация» состоит из двух башен, каждая из которых вообще не имеет кровли, но в данном случае удалось совместно с архитекторами выделить участок, где и был размещен холодильный центр.

Вторая проблема касается выбора максимального гидростатического давления в коммуникациях, касается она не только систем кондиционирования, но и других водонаполненных систем. Процесс выбора можно проиллюстрировать следующим примером. Когда проектировались инженерные системы комплекса «Федерация», еще до принятия МГСН 4.19–2005, была выбрана высота зоны 90 м (технические этажи через каждые 90 м). Эта величина была выбрана по следующим соображениям. При высоте зоны 90 м гидростатическое давление в системе составляет 9 атм. 1 атм заложена на нормальную работу систем в верхней точке, и, таким образом, рабочее давление составляет 10 атм. Испытательное давление должно в полтора раза превышать рабочее, в данном случае это 15 атм. В проект были заложены трубы и арматура, рассчитанные на 16 атм. Если бы высота зоны превышала 90 м, то трубы и арматуру пришлось бы подбирать уже на давление 25 атм, что привело бы к возрастанию капитальных затрат.

В МГСН 4.19–2005 высота пожарного отсека ограничивалась величиной 50 м, при этом инженерные системы, в том числе водонаполненные (отопление, кондиционирование, водоснабжения), должны были быть зонированы в пределах пожарного отсека. Против этого положения возражали многие проектировщики, поскольку водозаполненные системы (в отличие от, например, системы вентиляции) не являются источником распространения пожарной опасности. В проекте новой редакции МГСН 4.19–2005 данное ограничение снято, высота зоны для указанных систем ограничена величиной 90 м, причем системы можно размещать независимо от размещения пожарных отсеков.

Третья проблема связана с необходимостью охлаждения зданий в зимнее время. Современные здания отличаются очень хорошей теплоизоляцией, в связи с чем в зданиях административного назначения, офисных зданиях внутренние тепловыделения зачастую превышают теплопотери даже в зимнее время. Например, для современного здания в Москве при температуре –30 °С удельные теплопотери составляют, в среднем, порядка 50–60 Вт/м², а удельные внутренние тепловыделения даже при отсутствии солнечной радиации могут достигать 70–80 Вт/м², то есть появляется необходимость в охлаждении зданий в зимнее время. Для этих целей применяются так называемые сухие охладители, dry cooler, используемый иногда термин «сухая градирня» является стилистической ошибкой (оксюмороном), поскольку градирня по определению не может быть «сухой». Это оборудование, сухие охладители, требует больших площадей. Например, сухой охладитель мощностью 600–800 кВт имеет габариты в длину 9–12 м, в ширину 2,5 м, а таких блоков необходимо несколько десятков. Площадей для размещения такого количества оборудования, как правило, нет, поэтому здесь необходимы какие-то специальные решения.

М. Г. Тарабанов со специалистами из Санкт-Петербурга на технической экскурсии в башне «Федерация»

Какие системы кондиционирования воздуха предпочтительней для использования в зимнее время и почему?

Определенные преимущества есть у системы с водяным охлаждением. Дело в том, что самый дорогой компонент системы – это компрессор холодильной машины, и установка его под открытым небом – не очень хорошее решение с точки зрения сохранности оборудования. Хотя и предполагается, что эти установки рассчитаны на наружное применение, все же в наших климатических условиях лучше самое дорогое оборудование размещать в помещении. Это можно сделать применив машины с водяным охлаждением, которые можно установить, например, в подвале. В этом случае для отвода сбросного тепла используются градирни. Обычно приводится аргумент, что градирни все равно приходится располагать снаружи здания. Но здесь надо учитывать, что стоимость градирни существенно меньше стоимости холодильной машины, и даже ее замена не приведет к ощутимым финансовым потерям. В настоящее время на большинстве новых высотных объектов в нашей стране применяются холодильные машины с водяным охлаждением конденсаторов.

Другое решение было предложено при проектировании высотного комплекса «Крылатские Холмы» (высота 110 м, площадь 36 тыс. м²). В этом здании были применены VRV-системы, у которых наружные блоки охлаждаются водой (эти блоки обычно называют не наружные, а внешние). На каждом рабочем этаже стоит внешний блок. Для охлаждения конденсатора этого внешнего блока подается оборотная вода. Размеры внешнего блока при мощности 28 кВт: ширина 800 мм, высота 1 000 мм, глубина 500 мм. На этаже любого высотного здания всегда можно найти подсобное помещение площадью 4–5 м², в котором удается разместить 2–4 таких блока. Четыре блока – это уже 100–110 кВт холодильной мощности, 1 000 м² площади. Преимущество этих систем еще и в минимальной длине фреоновых магистралей, поскольку блоки стоят на этом же обслуживаемом этаже. Сейчас экспертиза выдвигает требование проверки, может ли система работать в случае утечки фреона. При использовании рассматриваемых водяных систем даже в случае утечки всего фреона в помещении площадью 18 м² не будет достигнута аварийная концентрация. В случае же разводки фреоновых магистралей по высоте, при воздушном охлаждении, они достигают диаметра 50 мм и больше, длина, соответственно, тоже достаточно большая, и объем фреона в системе получается очень большим. В этом случае, если действительно произошла утечка в каком-то помещении, то эта концентрация может быть намного выше аварийной концентрации, она составляет около 460 г/м³. Это очень высокая цифра, но, тем не менее, объем фреона в большой системе может привести в случае утечки к концентрации, значительно превышающей эту величину.

Можно ли объединять системы холодоснабжения центральных кондиционеров и системы холодоснабжения фэнкойлов?

Нет, ни в коем случае. В СНиП есть пункт, запрещающий объединять системы теплоснабжения установок СКВ с системами отопления, поскольку у этих систем совершенно разные режимы работы в течение года и разные гидравлические характеристики. Системы холодоснабжения центральных кондиционеров и системы холодоснабжения фэнкойлов нельзя объединять по той же самой причине. Холодоснабжение центральных кондиционеров требуется при температуре наружного воздуха выше 16–17 °С. Если температура наружного воздуха ниже, вообще не нужно холодоснабжение приточных установок. Можно вообще отключить эти холодильные машины. Это первый пункт положения: совершенно разные режимы работы. Второй момент – гидравлика, которая для холодоснабжения центральных кондиционеров и для холодо-снабжения фэнкойлов абсолютно разная. Приточные установки могут быть расположены в 5–10 м от кондиционера. Фэнкойлы же могут иметь протяженность и 100, и 200, и 300 м, в том числе и по разным этажам. В таком случае невозможно даже просто нормально запустить систему, не говоря уже о том, чтобы обеспечить ее нормальную работу.

Каковы особенности работы одноконтурной и двухконтурной систем холодоснабжения?

Одноконтурная система холодоснабжения работает следующим образом. Через испаритель проходит холодная вода, забирается и насосом подается потребителю, после чего возвращается обратно в испаритель. То есть стоит один контур холодоснабжения, один насос рабочий, может быть предусмотрен резервный насос. Подобные машины можно проектировать в порядке исключения, если холодильная нагрузка примерно до 500 кВт. Если же холодильная нагрузка составляет 3–10 тыс. кВт и потребители разбросаны по зданию, в том числе по высоте, такие машины проектировать нельзя. Например, проект подобной системы для здания высотой 90 м и площадью около 40 тыс. м². Единственный насос подает воду всем потребителям, а затем эта вода возвращается на холодильную машину. В этом случае расход холодной воды в этом контуре весь год, пока работает холодильная машина, должен оставаться постоянным, поскольку если расход воды через испаритель уменьшится, сработает реле на холодильной машине и отключит ее. Поэтому в таком случае всех потребителей, каждый проход, каждую приточную установку необходимо подключить только трехходовыми клапанами. Кроме того, необходимо обеспечить гидравлическую увязку всех потребителей. В любом режиме работы должен оставаться постоянным проход воды через кондиционеры. При перекрытии прохода холодной воды меняется вся гидравлика, меняется расход воды и отключается проток холодильной машины.

Двухконтурная система холодоснабжения работает по иному принципу. Есть холодильная машина, насос подает холодную воду в бак холодной воды. Из этого бака холодная вода подается потребителям отдельными насосами. Этих насосов может быть по числу потребителей достаточно много. Отепленная вода от потребителей возвращается в бак отепленной воды, откуда поступает на испаритель. Бак холодной воды соединен с баком отепленной воды перемычкой. Таким образом, организуется внутренний контур. Тепловой контур холодильной машины работает постоянно. Это насос с давлением 15–12 м. Холодильная машина гидравлически никак не связана с потребителями. Обратная связь с потребителями – исключительно по температуре. Следует обратить внимание на следующий момент. Есть два типа холодильных машин. Один тип холодильных машин – с регулировкой температуры воды на выходе холодильной машины. Машины этого типа постоянно поддерживают температуру воды на выходе на постоянном уровне, то есть при понижении температуры обратной воды, допустим, с 12 до 10 °С температура воды на выходе все равно будет поддерживаться на уровне 7 °С, но при этом снижается производительность. Такие машины могут применяться в двухконтурных системах холодоснабжения. Другой тип холодильной машины – с регулировкой по температуре обратной воды, и такие машины в рассматриваемом случае применять ни в коем случае нельзя. Машины этого типа поддерживают постоянной температуру обратной воды на уровне 12 °С, а при ее понижении снижают холодопроизводительность, повышая температуру воды на выходе с 7 °С на несколько градусов. Допустим, к системе подключено несколько потребителей. По условиям эксплуатации половину из них отключили. Температура обратной воды при этом понижается, например, с 12 до 10 °С. Холодильная машина уменьшает холодопроизводительность, повышая температуру воды на выходе с 7 до 9 °С. Температура обратной воды восстанавливается до заданного значения, но при этом потребителям поступает вода, температура которой на два градуса выше расчетного значения, а в этих условиях холодопроизводительность фэнкойлов падает в два раза. Таким образом, оставшиеся потребители недополучают холод, хотя общая холодильная нагрузка уменьшается. В результате система не может работать нормальным образом.

На что стоит обратить внимание при проектировании СКВ с фэнкойлами?

Когда проектируется система воздушного отопления, к ней предъявляется целый ряд нормативных требований – требования по резервированию систем, по температурам и т. д. К фэнкойлам же, которые предполагается использовать в качестве отопительных приборов, нормативные документы таких требований не предъявляют, в результате чего они зачастую и рассматриваются как обычные отопительные приборы. Тем не менее, по сути своей фэнкойл – тот же прибор воздушного отопления. Он имеет в своем составе теплообменник и вентилятор, и требования к нему должны предъявляться такие же, как к части системы воздушного отопления, причем представляется, что эти требования должны быть закреплены нормативно. Известно несколько случаев аварий, которые привели к существенному ущербу именно из-за ошибок проектировщиков. В зимнее время владельцы квартиры уехали на месяц в отпуск, и буквально на следующий день после их отъезда вышел из строя вентилятор фэнкойла, установленного в большой гостиной. При неработающем вентиляторе теплоотдача фэнкойла составляет максимум 8–10 % от номинальной. В результате аварии за достаточно длительное время отсутствие хозяев произошло полное вымораживание квартиры.