Улучшение контроля влажности при помощи вентиляции с рекуперацией энергии

ВРЭ реализуется с использованием энтальпийного теплообменника типа «воздух-воздух» в качестве компонента воздухообрабатывающей установки, совмещенной с агрегатированным кондиционером воздуха, или в качестве компонента установки добавочного воздуха. Как показано на рис. 1, энтальпийный теплообменник типа «воздух-воздух» передает явную и скрытую теплоту (т. е. теплоту и водяные пары или энтальпию) между кондиционированным воздухом, выходящим из здания (Т₃ и Н₃), и наружным воздухом, поступающим в здание (Т₁ и H₁). В период охлаждения теплый влажный наружный воздух предварительно охлаждается за счет передачи теплоты и влаги более холодному и сухому вытяжному воздуху из здания, поэтому Т₂ и Н₂ будут меньше, чем Т₁ и Н₁. В режиме обогрева ситуация обратная (т. е. вытяжной воздух из здания нагревает более холодный поступающий наружный воздух через энтальпийный обменник), но в данной статье рассмотрим только период охлаждения.

Рисунок 1 (подробнее)   Схематическая конфигурация энтальпийного теплообменника

Роторные энтальпийные теплообменники имеют насадку для переноса теплоты и влаги, покрытую осушителем. При вращении ротора обменника насадка поочередно проходит через потоки приточного и вытяжного воздуха, поглощая теплоту и влагу из теплого влажного воздушного потока и передавая ее холодному сухому потоку. Теплота и влага аккумулируются в материале насадки при переходе из одного воздушного потока в другой.

Во многих типах коммерческих зданий, таких как офисы, торговые центры, гостиницы, больницы, основная расчетная влажностная нагрузка – это влага, поступающая в здание в зону пребывания людей вместе с вентиляционным воздухом в жаркую влажную погоду. Причина положительного воздействия ВРЭ на регулирование влажности в здании заключается в том, что ВРЭ забирает значительную часть влаги из вентиляционного воздуха до того, как он попадает в здание, передавая ее более сухому вытяжному воздуху, удаляемому из здания. Хорошее объяснение этого явления можно получить при рассмотрении вопроса, из чего складываются явные и скрытые холодильные нагрузки в коммерческих зданиях.

На протяжении последних лет все большее количество зданий и находящихся в них людей испытывали серьезные проблемы с влажностью, включая так называемый синдром больного здания, рост плесени и дискомфорт, вызванный высокой влажностью. Эти проблемы вызваны плохим регулированием влажности внутреннего воздуха и утечками воды, такими как течи канализационной и водопроводной систем и протекание дождевой воды (серьезные проблемы с утечками воды не могут быть устранены только за счет осушения, необходимо устранить сами течи). Проблемы с влажностью и плесенью могут, в свою очередь, вызвать серьезные проблемы со здоровьем людей и снизить производительность. В экстремальных случаях здания даже признавались непригодными для проживания. Финансовые последствия таких ситуаций могут оказаться существенными и отражаются в резком росте стоимости страхования ответственности. Эти эффекты были задокументированы и получили широкое освещение в прессе.

Плохое регулирование влажности часто приписывается неспособности традиционных агрегатированных кондиционеров воздуха выдерживать влажностные нагрузки. Общепринятая концепция заключается в том, что повышенная эффективность современного оборудования для кондиционирования воздуха привела к снижению скрытой производительности (удаление влаги).

Миф о снижающейся холодильной производительности агрегатированных кондиционеров воздуха по скрытой теплоте

Когда оборудование для кондиционирования воздуха охлаждает воздух, оно снижает температуру (охлаждение по явной теплоте) и снижает содержание влаги в воздухе (осушает воздух), заставляя часть водяных паров в воздухе конденсироваться (скрытое охлаждение – называется так, потому что скрытая теплота конденсации влаги из воздуха является частью холодильной нагрузки, связанной с осушением). Осушительная эффективность оборудования для кондиционирования воздуха обычно характеризуется отношением явной (сухой) теплоты к общему (SHR), которое представляет собой отношение холодильной производительности по явной теплоте к общей (явная + скрытая) холодильной производительности. Снижение SHR повышает долю общей холодильной производительности, обеспечивающую осушение воздуха.

Уже широко известно, что увеличение коэффициента энергоэффективности (EER) агрегатированных кондиционеров воздуха, имевшее место в начале 1980-х годов, сопровождалось снижением холодильной производительности по скрытой теплоте как доли от общей холодильной производительности (т. е. повышается SHR). Также следует, что среди различных методов повышения эффективности увеличение площади поверхности испарителя приводит к более высокой температуре испарителя и, следовательно, к снижению осушительной производительности.

В реальном мире коммерческого оборудования для кондиционирования воздуха такое прямое отношение не существует. ARI провела тщательный анализ отношения EER к SHR для сегодняшнего оборудования и оборудования 1970-х годов. Результаты показали, что SHR различных моделей индивидуальных агрегатированных кондиционеров воздуха составляло 0,65–0,80 для всех уровней EER с 1970 года до сегодняшнего дня, без каких-либо статистически значимых связей между EER и SHR или между годом изготовления и SHR.

Отношение явных и скрытых холодильных нагрузок изменилось

Несмотря на то что SHR агрегатированного оборудования для кондиционирования воздуха осталось прежним, нагрузки внутри здания изменились существенно. Меры по повышению энергоэффективности (улучшенная теплоизоляция стен и покрытий, уменьшенные коэффициенты теплопередачи (U-value) окон, улучшенное затемнение солнечного света, более энергоэффективное освещение), реализуемые в соответствии с требованиями Стандарта 90.1 «Энергоэффективное проектирование новых зданий (кроме малоэтажных жилых зданий)», существенно снизили холодильные нагрузки. Холодильные нагрузки по скрытой теплоте, вызванные в большинстве зданий коммерческого назначения преимущественно вентиляцией, инфильтрацией и людьми, существенно не изменились.

Эффект от этого для большинства зданий, построенных или подвергшихся существенной реконструкции после 1990 года, заключается в повышении холодильной нагрузки по скрытой теплоте относительно холодильной нагрузки по явной теплоте для всех условий. В сравнении со зданиями, построенными до 1990 года, при типичных расчетных условиях охлаждения (в большинстве регионов США при высокой температуре по сухому термометру и высокой температуре по мокрому термометру) уровень влажности наружного воздуха и соответствующая нагрузка по скрытой теплоте достаточно высоки, хотя нагрузка на ограждающие конструкции и внутренняя нагрузка по явной теплоте были снижены. Традиционное агрегатированное кондиционирование воздуха справляется с нагрузкой по явной теплоте достаточно хорошо до тех пор, пока не встретится нагрузка по скрытой теплоте, и в результате установившаяся внутренняя относительная влажность поднимается с требуемого уровня в 50 % до 70 % (что является некомфортным и способствует развитию плесени). При умеренных температурах наружного воздуха, от 18 до 21 °С, с высокой наружной влажностью, низкая нагрузка по явной теплоте приводит к частому включению и выключению агрегатированных кондиционеров воздуха с очень короткими циклами работы. Во время выключенного цикла влага на контуре может испаряться повторно, что еще более снизит производительность по скрытой теплоте и повысит относительную влажность воздуха внутри помещения.

Изменяя стандарты вентиляции и эффективности зданий

Две тенденции повлияли на холодильные нагрузки и отношение скрытых к явным нагрузкам в зданиях коммерческого назначения за последние 30 лет. Первая из них – призыв к повышению энергетической эффективности экономики США, нашла свое отражение в ужесточении стандартов эффективности для автомобилей, бытовой техники и зданий. Вторая тенденция заключается в осознании необходимости минимального расхода приточного наружного вентиляционного воздуха для поддержания достаточно здоровой атмосферы внутри зданий. Стандарты ASHRAE 62 и 90 (впоследствии они стали стандартами 62.1 «Вентиляция и принятые нормы по качеству воздуха внутри помещений» и 90.1 «Энергоэффективное проектирование новых зданий (кроме малоэтажных жилых зданий)») изначально были представлены в 1970-х годах. Их цель заключалась в установлении минимальных стандартов для вентиляции зданий и энергетических аспектов проектирования зданий, соответственно. С тех пор регулярно издаются их новые редакции. За последние 30 лет кратность наружной вентиляции, установленная Стандартом 62, была сначала снижена, затем возвращена на исходный уровень. В большинстве коммерческих и общественных зданий приток наружного воздуха является основным источником влажностных нагрузок, поэтому в конечном итоге нагрузки по скрытой теплоте были оставлены неизмененными. Стандарт 90.1 требует снижения различных компонентов, составляющих нагрузку здания по явной теплоте, но практически не затрагивает нагрузки по скрытой теплоте.

Ограждающие конструкции здания

Стандарт 90.1 задает минимальные требования к теплоизоляционной эффективности ограждающих конструкций здания через максимальные коэффициенты теплопередачи для конструкций стен и покрытий. Стандарт учитывает климатические различия, поэтому коэффициенты теплопередачи являются экономически обоснованными для окружающих условий заданной местности в течение охладительных и отпительных периодов. Со временем методы разделения на климатические зоны изменились, поэтому стало невозможным отслеживать меняющиеся требования к коэффициентам теплопередачи по климатическим зонам, установленным Стандартом 90.1. Вместо этого можно рассматривать максимальные установленные Стандартом 90.1 коэффициенты теплопередачи для определенных городов, поскольку последующие версии Стандарта 90.1 применяются к тем же климатическим характеристикам (например, расчетное количество дней с отоплением и расчетное количество дней с охлаждением) каждого города.

Ключевой момент здесь заключается в том, что каждый из перечисленных параметров – коэффициенты теплопередачи стен и покрытий, коэффициент теплопритока за счет солнечного излучения, соответствует вкладу только в холодильную нагрузку по явной теплоте.

Тепловые нагрузки от оборудования

Значительная доля холодильных нагрузок здания приходится на внутренний прирост теплоты за счет энергии, выделяемой оборудованием внутри здания (что также способствует отоплению здания в зимнее время года). Стандарт 90.1 определяет две составляющие технологических и бытовых теплопоступлений: освещение и электродвигатели. Минимальные эффективности электродвигателей установлены законом EPAct (Акт по защите окружающей среды) в разделе минимумов для электродвигателей общего применения, что является умеренным увеличением эффективности в сравнении с более ранними редакциями 90.1. Величина максимальных теплопоступлений от освещения показана на рис. 2. С момента выхода первой версии Стандарта 90 она уменьшилась на 40 %. Стандарт 90.1 не задает требования к эффективности или теплопоступлениям от офисного оборудования. Теплопоступления от офисного оборудования увеличились с расширением использования компьютеров, принтеров и т. д., частично перекрывая снижение максимально допустимых теплопоступлений от освещения. Оценочная величина теплопоступлений от офисного оборудования также показана на рис. 2. Так же, как и для ограждающих конструкций здания, требования Стандарта 90 по снижению внутренних нагрузок относятся только к явной теплоте.

Рисунок 2. Изменение максимальных теплопоступлений от освещения (для офисов – по Стандарту 90.1) и оценочных теплопоступлений от офисного оборудования со временем

Анализ типичного офисного здания средних размеров

Гипотетическое офисное здание среднего размера (~4 645 м²) спроектировано, схема которого показана на рис. 3, чтобы оценить суммарный эффект от описанных выше изменений коэффициентов теплопередачи, теплопоступлений от освещения и вентиляции на общие холодильные нагрузки здания по явной и скрытой теплоте.

Как показано на рис. 3, у моделируемого офисного здания есть два этажа и квадратный периметр со сторонами по 50 м. В здании имеются четыре пространственных зоны кондиционирования – северная и южная половины каждого этажа. Разбивка площадей здания по назначению берется следующая: 80 % офисы, 10 % конференц-залы и 10 % рецепция/лобби. В табл. 1 приводится расчет средней величины вентиляционного воздухообмена на единицу площади согласно требованиям каждого издания Стандарта 62. Обратите внимание, что кратности вентиляционного воздухообмена были снижены в 1980-х годах в ответ на энергетический кризис того времени, но затем были восстановлены до изначальных значений (приблизительно), когда случаи выявления синдрома больного здания и исследования в области качества внутреннего воздуха указали на необходимость увеличения вентиляционного воздухообмена.

Рисунок 3 (подробнее)   Конфигурация модельного офисного здания

Таблица 1 Взвешенная средняя величина вентиляционного воздухообмена на единицу площади, необходимая для офисного здания

Версии Стандарта 62 Требуемый расход наружного вентиляционного воздуха, м3/(ч • м2) Офисы Конференц-зал Рецепция/лобби Взвешенное среднее* 62–2001 2,56 18,29 16,46 5,34 62–1999 2,56 18,29 16,46 5,34 62–1989 2,56 18,29 16,46 5,34 62–1981 0,64 5,49 2,74 1,34 62–1973 2,74 27,43 5,49 5,49

* Исходя из: 80 % офисы, 10 % конференц-залы и 10 % рецепция/лобби.

Эволюция спецификаций для ограждающих конструкций здания и освещения

В табл. 2 дается сводка исходных значений спецификаций для ограждающих конструкций здания в каждом из семи городов, представляющих различные климатические зоны США. Теплопоступления от освещения и офисного оборудования взяты из рис. 2.

Если учесть эти изменения в модели холодильной нагрузки типичного офисного здания (используя ПО для симуляции энергопотребления здания EnergyPlus Департамента энергетики США), увеличение влажностной нагрузки (снижение SHR) с 1980-х годов окажется ошеломляющим, что видно из рис. 4–6, на которых построен график тенденции SHR холодильной нагрузки этого здания для семи городов при трех расчетных условиях холодильной нагрузки. Эти три величины дают SHR для трех расчетных точек – день с высокой температурой наружного воздуха/высокой температурой по мокрому термометру, день с высокой влажностью наружного воздуха (высокая нагрузка по скрытой теплоте) и день с умеренной температурой и высокой влажностью воздуха. Эти три расчетных условия обобщены в табл. 3 для каждого из семи городов разных климатических зон.

Таблица 2 Исходные значения для ограждающих конструкций здания

Спецификация Годы Значение для климатической зоны Атланта Альбу- керке, Нью- Мексико Бостон Форт Уорт, Техас Майями Миннеа- полис Вашин- гтон Сопротив- ление теплопе- редаче стен, Вт / м2•С 1975–1989 0,39 0,48 0,54 0,42 0,44 0,63 0,49 1989–1999 1,35 1,75 1,96 1,18 1,75 2,7 1,96 1999–сег. 1,96 1,96 1,96 1,96 1,96 1,96 1,96 Сопротив- ление теплопе- редаче покрытия, Вт / м2•С 1975–1989 1,75 2,0 2,27 1,75 1,75 2,94 2,08 1989–1999 2,44 2,94 3,03 3,03 2,38 3,85 3,03 1999–сег. 2,78 2,78 2,78 2,94 5,26 2,78 2,78

Таблица 3 Расчетные условия

Температура климатической зоны, °С Расчетный день Расчетные температуры Атланта Альбу- керке, Нью- Мексико Бостон Форт Уорт, Техас Майями Миннеа- полис Вашин- гтон Расчетный день с охла- ждением Сухой термометр 34 36 33 38 33 33 35 Точка росы 20 19 18 18 22 18 20 По мокрому термометру 24 16 23 24 25 23 24

Рисунок 4. Изменение SHR нагрузки здания с 1975 года по сегодняшний день при расчетных условиях по явному теплу (высокие температуры наружного воздуха)

Рисунок 5. Изменение SHR нагрузки здания с 1975 года по сегодняшний день при расчетных условиях по скрытому теплу (высокая влажность наружного воздуха)

Рисунок 6. Изменение SHR нагрузки здания с 1975 года по сегодняшний день при умеренных условиях или частичной нагрузке (высокая влажность наружного воздуха, умеренная температура)

SHR оборудования HVAC: варианты повышения производительности по скрытой теплоте

Существует множество методов регулировки производительности по скрытой теплоте для агрегатированного оборудования кондиционирования воздуха, используемых для кондиционирования значительной части пространства коммерческих зданий. Такие методы включают в себя:

– переохлаждение части воздушного потока для повышения доли скрытой теплоты, например обход гидравлического контура или снижение потока через контур;

– переохлаждение, как описано выше, и повторный нагрев (компенсация избыточного охлаждения по явной теплоте);

– активные десиканты;

– рекуперация энтальпии.

Комбинированное SHR агрегатированного кондиционера воздуха с ВРЭ типа «воздух – воздух»

Текущий уровень SHR холодильной нагрузки здания выходит за пределы диапазона SHR, который могут обеспечить типичные агрегатированные кондиционеры воздуха. Один из способов снижения SHR охлаждающего оборудования заключается в использовании агрегатированной системы кондиционирования воздуха в комбинации с другой системой или компонентом, работающим с низким SHR. Примеры включают в себя выделенные механические осушители или десикантные осушители и вентиляционные системы с рекуперацией энтальпии. В отличие от систем осушения, использующих новую энергию для снижения влажности, рекуператоры энтальпии используют энергию из вытяжного воздуха здания, повышая эффективность системы и снижая пиковую электрическую нагрузку (Руководство ARI Guideline V предлагает общепринятый метод расчета комбинирвоанной эффективности агрегатированного кондиционера воздуха и рекуперационного теплообменника энтальпии типа «воздух – воздух»).

Общую производительность и SHR системы ВРЭ, комбинированной с агрегатированным кондиционером воздуха, можно рассчитать, сложив индивидуальные вклады в охлаждение по явной и скрытой теплоте от каждого компонента и разделив суммарную производительность по явной теплоте на сум-марную общую производительность. Охлаждение по явной и скрытой теплоте, обеспечиваемое энтальпийным теплообменником, зависит от наружных условий; при увеличении влажности наружного воздуха возрастает производительность энтальпийного рекуператора по скрытой теплоте. Таким образом, SHR энтальпийного рекуператора автоматически регулируется в соответствии с изменениями наружных условий. Данная характеристика позволяет повышать расход наружного воздуха без негативных последствий для баланса SHR.

Рис. 7 дает сравнение SHR нагрузки здания (из примеров на рис. 4–6) с суммарной SHR агрегатированного кондиционера воздуха и рекуперационного энтальпийного теплообменника. (Смоделированное SHR агрегатированного кондиционера воздуха по отдельности, как показано пунктирной линией, является типичным для коммерчески доступных продуктов, а эффективность ВРЭ по явной и скрытой теплоте смоделирована в 70 %.) Эти значения показывают близкое совпадение SHR в целом диапазоне охлаждения в условиях повышенной влажности, создающее устойчивые уровни влажности во внутренних помещениях.

Рисунок 7. Сравнение SHR здания с комбинированной SHR агрегатированного оборудования + ВРЭ

Заключение

Эволюция стандартов ASHRAE и технологий строительства за последние 30 лет привела к расхождениям между SHR типичных агрегатированных кондиционеров воздуха и нагрузок в типичных коммерческих зданиях. Вытекающее отсюда ухудшение контроля влажности внутреннего воздуха может привести к повреждениям строительных конструкций, создать проблемы для комфорта и здоровья людей. Системы вентиляции с рекуперацией энергии способны решить эти проблемы, позволяя стандартному агрегатированному холодильному оборудованию соответствовать SHR здания, одновременно экономя энергию и снижая пиковую нагрузку.

 

Пeрепeчатано с сокращениями из журнала ASHRAE JOURNAL.

Перевод с английского А. В. Нестерука.

Научное редактирование выполнено вице-президентом НП «АВОК» М. Г. Тарабановым.