Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха в высотных зданиях

О. Я. Кокорин, доктор техн. наук, профессор, МГСУ

В Москве в конце 1940-х годов были построены высотные здания, в которых применялись традиционные центральные системы отопления, вентиляции и кондиционирования: по периметру здания под окнами установлены традиционные отопительные приборы, а вентиляция и кондиционирование помещений осуществляется с помощью центральных приточных и вытяжных систем. Применение только центральных приточно-вытяжных систем привело к сооружению протяженных воздуховодов значительного сечения, что обуславливает занятие каналами под их размещение до 30 % внутреннего объема зданий, кроме этого, требуются большие затраты электроэнергии на работу приточных и вытяжных вентиляторов.

В 1960-х годах при строительстве высотных административных зданий на Новом Арбате были применены местно-центральные СКВ [1]: в приточных агрегатах приготавливается только минимально допустимый расход приточного наружного воздуха ∑L_пн м³/ч, который регламентируется санитарными нормами [2]. Это позволило значительно сократить требуемые сечения приточных и вытяжных воздуховодов по сравнению с системами в высотных зданиях 1940-х годов.

В обслуживаемых помещениях под окнами вместо традиционных отопительных приборов установлены доводчики эжекционные (ДЭ) [1], к которым по приточному воздуховоду подводится санитарная норма наружного воздуха l_пн для соответствующего помещения, определяемая нормами [2]. Теплообменник ДЭ трубопроводами соединен с центральными источниками приготовления горячей и холодной воды. На трубопроводе подачи воды в ДЭ устанавливается автоматический клапан, который настраивается находящимися в помещении людьми на желаемую температуру воздуха t_в. Это позволяет расходовать через теплообменники ДЭ то количество тепла или холода, которое определяется изменяющимися условиями формирования теплового режима в каждом помещении под воздействием наружных климатических параметров и тепловлаговыделений в помещении. В высотных административных зданиях постройки 1960–1980 годов распределение приточного наружного воздуха от прямоточных центральных кондиционеров осуществляется по вертикальным коллекторным воздуховодам, от которых отводы к ДЭ по этажам. Такой способ воздухораспределения ∑L_пн потребовал применения множества регулирующих воздушных клапанов с глушителями, установки огнезащитных клапанов.

С более рациональным способом устройства СКВ автор ознакомился в здании «Симутомо Билдинг» в Токио. На рис. 1 представлен план типового этажа этого здания, имеющего форму треугольника с усеченными углами. Над уровнем земли здание имеет высоту 210,3 м и включает 52 этажа. Подземная часть здания имеет глубину 20,5 м и включает 4 этажа. У усеченных углов 1 на каждом этаже располагаются помещения для оборудования СКВ, где смонтированы приточные и вытяжные агрегаты, обслуживающие один из фасадов и прилегающую внутреннюю зону здания. По периметру каждого этажа у оцепления установлены местные вентиляторные доводчики 5 (ВД), в теплообменники которых зимой подается горячая вода, а летом – холодная. Периметральные служебные помещения 4 имеют перемещаемые внутренние перегородки для свободной планировки, что позволяет изменить площадь офисных помещений. Приточные агрегаты приготавливают смесь саннормы приточного ∑L_пн и рециркуляционного L_в воздуха. Необходимость применения рециркуляционного воздуха обусловлена наличием значительных тепловыделений во внутренней зоне, куда от магистрального приточного воздуховода 6 отходят приточные ответвления 8. Круглый год приточный воздух имеет температуру t_п ниже температуры tв во внутренней зоне. По условиям комфортности воздухораспределения температура приточного воздуха, поступающего по приточному воздуховоду, ограничивается значениями не ниже t_п = 15 °С. Подача приточного воздуха производится в верхней зоне помещений через воздухораспределители, установленные на отводах 7 и 8. Вытяжка удаляемого воздуха производится под потолком помещений периметральной и внутренней зон через устройства 11. Это определяет организацию воздухообмена смесительной вентиляции, при которой температура вытесняемого воздуха t_у близка к температуре воздуха в помещении t_в.

Рисунок 1. План этажа высотного здания «Симутомо Билдинг», Токио: 1 – помещение размещения поэтажных приточных и вытяжных агрегатов; 2 – забор саннормы приточного наружного воздуха ΣLпн; 3 – выброс удаляемого вытяжного воздуха Lу; 4 – зона офисных помещений; 5 – доводчики вентиляторные у остекления; 6 – приточный воздуховод за потолком; 7 – отводы подачи приточного воздуха под потолком офисных помещений; 8 – отводы подачи приточного воздуха во внутреннюю зону этажа; 9 – вытяжной воздуховод за подвесным потолком; 10 – забор вытяжного воздуха под потолком офисного помещения; 11 – забор вытяжного воздуха под потолком помещений внутренней зоны; 12 – атриум, используемый как вертикальный сборный клапан для дымоудаления при пожарах.

В зимний период года в теплообменники ВД в периметральной зоне подается горячая вода. Это обеспечивает нагрев в вентиляционных доводчиках 5 внутреннего воздуха, который поднимается по поверхности холодного остекления под потолок, где смешивается с приточным воздухом, поступающим в офисные помещения через отводы 7. В помещения внутренней зоны приточный воздух поступает с температурой t_п = 15 °С и поглощает тепловыделения до увеличения температуры до t_у = t_в. По вытяжному воздуховоду 9 вытяжной воздух поступает к вытяжному агрегату, где часть вытяжного воздуха поступает на смешение в приточный агрегат, а остальной воздух выбрасывается в атмосферу через отверстие 3 с вертикальными пластинами, установленными под углом 45 градусов. В заборном отверстии 2 вертикальная пластина расположена под углом 45 градусов в противоположном направлении, что предохраняет от смешения приточного наружного и удаляемого воздуха. Между заборным 2 и выбросным 3 отверстиями расстояние 16 м.

Вертикальные пластины в отверстиях 2 и 3 проходят по всей высоте здания и хорошо гармонируют с архитектурным решением фасадов, что хорошо видно на рис. 2.

Рисунок 2. Высотное здание «Симутомо Билдинг», Токио

Достоинством решения СКВ по схеме на рис. 1 применительно к высотным зданиям является поэтажное расположение приточных и вытяжных агрегатов, которые связаны с атмосферным воздухом непосредственно через заборные и выбросные отверстия на каждом этаже. Поэтажное расположение СКВ создает аэродинамическую устойчивость воздухообмена на каждом этаже. Значительно сокращается протяженность приточных и вытяжных воздуховодов, что позволяет сократить капитальные затраты на сооружение систем и затраты энергии на работу приточных и вытяжных вентиляторов.

В Токио зимой не бывает такой низкой температуры наружного воздуха, которая характерна для большинства климатических зон России. Поэтому для создания энергосберегающих систем ОВК в высотных здания, сооружаемых в России, необходимо максимально возможно использовать внутренние тепловыделения зимой и холод наружного воздуха для обслуживания внутренней зоны здания. Это позволит сократить до 70 % расход тепла на подогрев саннормы приточного наружного воздуха ∑L_пн.

Для снижения расхода электроэнергии на круглогодовую работу СКВ в приточном агрегате приготовляется только минимально-допустимый расход приточного наружного воздуха ∑L_пн без рециркуляции. Увеличение охладительной способности системы для восприятия тепловыделений в помещениях внутренней зоны здания достигается путем установки за подвесным потолком доводчиков эжекционных, в теплообменники которых круглый год подается холодная вода с температурой 14 °С. В холодный и переходный периоды года получение холодной воды с температурой 14 °С достигается ее охлаждением с наружным воздухом. Автором разработана оригинальная схема отведения теплоизбытков из внутренней зоны помещений, совмещенная с установкой утилизации теплоты вытяжного воздуха [3]. Это позволяет в климате Москвы сбросным теплом вытяжного воздуха и тепловыделениями нагревать зимой приточный воздух с t_нх = –28 °С до t_н2 = 1 °С.

Вторым энергосберегающим решением является применение в периметральной зоне здания под окнами офисных помещений вместо доводчиков вентиляционных (ВД) новую отечественную конструкцию доводчиков эжекционных, например, модели ДЭ–1–6–120/180, подробно описанных в работе [3]. Отличительной особенностью применения ДЭ является наличие в крышке кожуха или в подоконнике щелевого отверстия по всей длине остекления. Через эту щель эжектируется отепленный воздух из верхней зоны помещения по холодной поверхности остекления. Это обеспечивает повышение температуры внутренней температуры поверхности стекла зимой и охлаждение – летом. Приготовленная в ДЭ смесь прошедшего со стороны оребрения теплообменника эжектируемого воздуха и выходящего из сопел саннормы наружного воздуха поступает в зону обитания людей. Это обеспечивает вытеснение под потолок выделяющихся в помещении газов, водных паров и тепловыделений. Поэтому температура удаляемого под потолок вытяжного воздуха t_у и влагосодержание d_у значительно выше параметров воздуха в зоне обитания людей t_в и d_в. Также схема организации воздухообмена называется вытесняющей вентиляцией, ее применение позволит сократить до 40 % расход холода в расчетных условиях теплого периода года.

В рабочие часы в служебных помещениях даже зимой наблюдаются значительные тепловыделения, которые могут превышать трансмиссионные теплопотери [5]. Поэтому к соплам ДЭ подается L_пн с температурой t_пк = 7 °С. Это позволяет полезно использовать избытки для догрева L_пн.

Во внутренней зоне применяются подвесные доводчики эжекционные, охладительная способность которых позволяет отказаться от рециркуляции вытяжного воздуха через приточный агрегат, что дает возможность сокращать его производительность по воздуху и обеспечивает снижение расхода электроэнергии на привод электродвигателей приточного и вытяжного вентиляторов.

Рисунок 3. Принципиальная схема энергосберегающей системы кондиционирования воздуха

Третьим энергосберегающим решением является применение местной холодильной машины с конденсатором и испарителем у каждой локальной системы кондиционирования, обслуживающей половину площади соседних фасадов зданий. Наибольшую изменяющуюся потребность в холоде определяет поступающая через остекление фасада на этаже здания проникающая солнечная радиация. По времени суток интенсивность солнечной радиации значительно изменяется в зависимости от ориентации фасадов здания. Поэтому требуемая холодопроизводительность локальной СКВ при обслуживании фасадов с различной ориентацией будет меньше по сравнению с принятой по схеме на рис. 1 СКВ, обслуживающей фасады с одинаковой ориентацией.

При применении в высотном здании единой холодильной станции для всех СКВ возникают трудности с размещением систем охлаждения конденсаторов. В предлагаемом варианте местного холодоснабжения СКВ не требуется специальных установок типа градирен или воздушных конденсаторов, а для охлаждения конденсатора холодильной машины используется вытяжной агрегат. Предлагаемое новое решение обеспечивает уменьшение капитальных затрат и снижает расход электроэнергии, которая потребляется в традиционных системах на привод вентиляторов градирен и работу насосов при значительной протяженности воздуховодов.

Для снижения веса фасадных строительных конструкций в высотных зданиях применяются наружные ограждения из стекла. На рынке имеются новые энергоэффективные однокамерные стеклопакеты [4], применение которых позволяет в два раза сократить трансмиссионные теплопотери зимой и на 60 % сократить поступление теплоты солнечной радиации в периметральные помещения. На рис. 3 представлена предлагаемая энергосберегающая СКВ для обслуживания помещений на этажах высотных зданий. В приточном агрегате П по ходу приготовляемого приточного наружного воздуха имеются: многостворчатые воздушные клапаны 1; фильтр 2; теплоотдающий теплообменник 3 установки утилизации; калорифер 4; воздухоохладитель 5; блок адиабатического увлажнения 6; приточный вентилятор 7; шумоглушитель 8.

В вытяжном агрегате ВТ имеются: многостворчатые воздушные клапаны 1; фильтр 2; блок адиабатического увлажнения 9; теплообменник 10 двойного назначения, зимой для извлечения теплоты из вытяжного воздуха L_у (знак минус), летом для охлаждения жидкости после конденсатора холодильной машины (знак плюс); вытяжной вентилятор 11; шумоглушитель 8.

Холодильная машина ХМ с жидкостным конденсатором (знак плюс) и испарителем (знак минус).

Пластинчатый теплообменник Т_пл для охлаждения воды до t_w1 = 14 °С, подаваемой насосом 12 в коллектор 13, от которого по отводам холодная вода поступает в теплообменник 14 доводчиков эжекционных, смонтированных во внутренней зоне здания. При t_нх = –28 °С насос 15 подает антифриз, охлажденный в теплообменнике 3 до t_af1 = –3 °С, первоначально в трубке теплообменника 10, где антифриз нагревается от извлечения теплоты из вытяжного воздуха L_y до t_af2 = 3 °С. Клапаны 16 на трубопроводах отрыты, а клапаны 17 закрыты. Через трехпроходной автоматический клапан 18 весь отепленный антифриз поступает в клапаны пластинчатого теплообменника Т_пл. От работы насоса 12 по другую стенку пластинчатых клапанов проходит вода, отепленная в теплообменнике 14 доводчиков эжекционных до t_w2 = 16 °С. Через стенку пластинчатых клапанов холодный антифриз повышает температуру до t_af3 = 9 °С, что обеспечивает охлаждение воды до требуемой t_w1 = 14 °С.

С повышением температуры наружного воздуха необходимо увеличить количество холода, поступающего в пластинчатый теплообменник Т_пл. Это достигается регулированием клапана 18, через который холодный антифриз с t_af1 будет поступать прямо к пластинчатому теплообменнику Т_пл.

При температурах наружного воздуха выше 9 °С холода наружного воздуха не достаточно и автоматически включается в работу компрессор ХМ. Клапаны 16 закрываются, а клапаны 17 открываются. Насос 15 останавливается, включаются в работу насосы 19 и 20. Холодная вода с t_wx = 7 °С из испарителя ХМ насосом 19 подается через автоматический клапан 21 к воздухоохладителю 5 в приточном агрегате П, а через автоматический клапан 22 обеспечивается температура холодной воды t_w1 = 14 °С, насос 12 через коллектор 13 подает эту холодную воду в теплообменник доводчиков эжекционных, смонтированных в периметральной зоне у остекления и во внутренней зоне за подвесным потолком.

Для экономии электроэнергии ХМ рекомендуется применять с несколькими спиральными компрессорами, путем последовательного включения и выключения электродвигателей компрессоров осуществляется энергосберегающее регулирования производительности ХМ.

В конденсаторе ХМ нагревается антифриз, циркулирующий от работы насоса 20. Для снижения температуры вытяжного воздуха L_y автоматически включается в работу насосы блока адиабатического увлажнения 9. Это позволяет перед теплообменником 10 иметь начальную температуру вытяжного воздуха не выше 22 °С. Проходя со стороны оребренных трубок в теплообменнике 10 вытяжной воздух воспринимает теплоту конденсации рабочего агента ХМ путем охлаждения антифриза с 45 до 40 °С. Это характерно для расчетной холодопроизводительности ХМ.

Проведенный анализ возможных схем СКВ в высотных зданиях позволяет сделать следующие выводы:

1. Рекомендуется применение поэтажных местно-центральных СКВ с круглогодичным приготовлением минимально-допустимого расхода приточного наружного воздуха ∑L_пн.

2. В качестве местных доводчиков в периметральных помещениях у остекления рекомендуется установка доводчиков эжекционных с поступлением эжектируемого воздуха с поверхности остекления.

3. В качестве местных доводчиков для восприятия круглогодовых тепловыделений во внутренней зоне здания рекомендуется применение доводчиков эжекционных, теплообменники которых через трубопроводы циркуляции воды соединяются с пластинчатым теплообменником и теплообменником в установке утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха.

4. В теплый период года для холодоснабжения СКВ следует использовать холодильную машину с несколькими спиральными компрессорами и жидкостным охлаждением конденсатора в потоке вытяжного воздуха L_у.

Литература

1. Кокорин О. Я., Кронфельд Я. Г., Малахов М. А. Анализ технического уровня эжекционных кондиционеров и сопоставление основных направлений в СССР и за рубежом. – М. : ЦНИИТ – Эстроймаш, 1970.

2. СНиП 41-01-2003. Отопление вентиляция и кондиционирование. – М. : ФГУП ЦПП, 2004.

3. Кокорин О. Я. Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха. – М. : ООО «ЛЭС», 2007.

4. AGC YourGlass. Солнцезащитное и теплоизолирующее стекло. www.yourglass.ru.

5. Тарабанов М. Г. Особенности проектирования систем кондиционирования воздуха высотных зданий // АВОК. – 2008. – № 7.