Газовая система осушения воздуха для розничного торгового центра

Джон У.Спирс проф., инженер, член ASHRAE

Джим Джадж проф., инженер, член ASHRAE

Воздуховоды системы распределения дополнительно подаваемого воздуха в Норфолкском торговом центре

Озабоченность качеством воздуха в помещениях привела к повышению требований, предъявляемых к наружному воздуху, что подтолкнуло проектировщиков систем ОВК к переосмыслению способов обработки наружного воздуха. Высокая влажность наружного воздуха может порождать разнообразные проблемы, как, например, дискомфортно высокая внутренняя влажность, плесень и плесневые грибки, запотевание воздуховодов и рост энергетических затрат.

Эти проблемы имеют место не только в очень влажном, но и в умеренном климате на стыке времен года, то есть при низкой ощутимой нагрузке и высокой влажности наружного воздуха. В сочетании с растущей заботой о комфорте для пользователей зданий это заставило инженеров стремиться к конструированию таких систем ОВК, которые обеспечивают хороший контроль температуры и влажности, обеспечивая при этом вентиляцию наружным воздухом в достаточных количествах.

В 1989 году ASHRAE пересмотрела стандарт ANSI/ASHRAE Standard 62-1989: Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality ("Вентиляция для обеспечения приемлемого качества воздуха в помещении"). Новая редакция существенно повышает требования к вентиляции нежилых зданий, в том числе розничных торговых центров. Например, требуемый уровень вентиляции для типичного магазина розничной торговли вырос с 2,74 м³/ч/м²) до 5,48 м³/ч/м². В ответ на это застройщики нежилых зданий и их инженеры разрабатывают новые методы обработки наружного воздуха, чтобы выполнить требования данного стандарта и при этом минимизировать издержки.

В статье описаны результаты оценки газовой системы осушения подаваемого воздуха в очень крупном торговом центре корпорации Wal-Mart, которые были получены на основании наблюдений, проводившихся в течение одного года. Система обеспечивает непрерывную вентиляцию свежим воздухом и независимый контроль температуры и влажности. Она также демонстрирует резервы энергосбережения и снижения себестоимости системы ОВК. Такой подход, разработанный группой проектировщиков компании-владельца и подвергнутый независимому контролю и проверке в рамках данных натурных исследований, финансируемых Gas Research Institute (Институтом исследований газа), оказался эффективным с точки зрения затрат, способом, отвечающим требованиям нового стандарта по вентиляции.

Методика испытаний

В рамках данных исследований в течение 15 месяцев проводился полный непрерывный контроль и анализировались эксплуатационные характеристики двух крупных розничных магазинов - одного "экспериментального" и одного контрольного, построенного по "стандартному проекту". Не считая отмеченных ниже различий в конструкции системы ОВК, эти два магазина были почти одинаковы в смысле величины, нагрузок конструкции и состава оборудования.

В экспериментальном магазине, новом "суперцентре" площадью 17465 кв. м в г. Норфолк, штат Небраска (США), поступающий воздух при помощи газовой системы осушения дополнительно подаваемого воздуха. Система рассчитана на выполнение требований Стандарта 62-1989, ее производительность по подаче наружного воздуха составляет 40782 м³/ч. Величина полезной площади, обслуживаемой системой осушения приточного воздуха, равна 13006 м²), и для расчетов берутся средние показатели посещаемости обычного магазина такой конструкции.

Система для подачи наружного воздуха состоит из трех установок осушения, две из которых обслуживают зону торговли промтоварами, а одна - зону продовольственных товаров магазина. Количество наружного воздуха контролируют датчики CO₂. Базовая производительность вентиляции составляет 20391 м³/ч при непрерывной работе. Если уровень CO2 в помещении превысит 1000 ppm, то система будет работать на полную мощность, то есть 40782 м³/ч, до тех пор, пока уровень CO₂ не опустится ниже 1000 ppm. Однако в период проведения испытаний уровень CO₂ ни разу не вышел за указанный предел, и поэтому производительность системы ни разу не превысила обычный уровень в 20391 м³/ч.

Рисунок 1. Нормальный рабочий режим с использованием 40% наружного воздуха

Рисунок 2.  "Сильный" режим подачи свежего воздуха с использованием 100% наружного воздуха

Что касается контрольного магазина, построенного по стандартному проекту суперцентра в расположенном по соседству г. Фремонт, штат Небраска, то наружный воздух подается в него через систему, сочетающую в себе крышные агрегаты (КА) и одну систему осушения воздуха, которая обслуживает зону торговли продовольственными товарами. Производительность подачи наружного воздуха в этот магазин варьирует в диапазоне от 10195 до 15293 м³/ч в зависимости от продолжительности работы КА.

Система осушения приточного воздуха

Торговую зону экспериментального магазина обслуживают две (2) установки осушения приточного воздуха, которые подают требуемое количество наружного воздуха и поддерживают влажность воздуха, каждая в своей зоне. При том, что ощутимое охлаждение обеспечивают, в основном, КА, которые обслуживают те же зоны, установки осушения наружного воздуха оснащены охлаждающим змеевиком непосредственного расширения для обеспечения дополнительной мощности по ощутимому параметру в случае необходимости или для ограничения температуры подаваемого воздуха. Каждая установка обеспечивает постоянную подачу в торговую зону 16992 м³/ч воздуха.

Рисунок 3. Система осушения дополнительно подаваемого воздуха

В ходе нормальной эксплуатации 40% подаваемого воздуха или 6797 м³/ч, подаваемого через каждую из установок, - это наружный воздух. При "форсированном" режиме подачи свежего воздуха, 100% или 16992 м³/ч воздуха, подаваемого каждой из установок,- это наружный воздух. Датчики, установленные в торговой зоне, отслеживают уровень CO₂, и если этот уровень превысит 1000 ppm, то соответствующая установка кондиционирования воздуха (УКВ) перейдет в "форсированный" режим подачи наружного воздуха до тех пор, пока содержание CO₂ не вернется к приемлемому уровню.

Когда зональный датчик относительной влажности сигнализирует о необходимости осушения, то эта операция в отношении всего объема в 16992 м³/ч производится с помощью барабаносушителя; когда в осушении нет необходимости, весь объем в 16992 м³/ч направляется в обход барабаносушителя.

Отчасти охлаждение обеспечивается с помощью теплообменника с тепловыми трубами. Подаваемый воздух идет по одну сторону тепловой трубы, а наружный воздух или воздух, удаляемый из здания, идет по другую сторону только тогда, когда включена функция осушения. В обычном же режиме используется наружный воздух, а в "форсированном" режиме подачи свежего воздуха - воздух, удаляемый из здания. Вторая ступень охлаждения обеспечивается с помощью змеевиков непосредственного расширения. В течение отопительного сезона, когда УКВ работают в "форсированном" режиме подачи наружного воздуха, тепловые трубы используют для утилизации тепла из воздуха, удаляемого из здания.

Указанные два рабочих режима отображены на психрометрических графиках (см. рис. 1 и рис. 2). На них показан процесс, характерный для потока подаваемого воздуха.

Третий воздушный поток (повторно активированный воздух), нагреваемый горелкой, работающей на природном газе, проходит через барабаносушитель для осушения влагопоглотителя. На рис. 3 показана схема размещения компонентов оборудования и основной воздушный поток системы осушения дополнительно подаваемого воздуха.

Преимущества

За счет применения газовой системы осушения приточного воздуха этот стандартный розничный торговый центр можно модифицировать таким образом, чтобы он соответствовал требованиям Стандарта 62-1989 при одновременной реализации следующих дополнительных преимуществ.

Рисунок 4. Относительная влажность в помещении в Норфолке: высокая, низкая и средняя (июль 1996 г.)

Рисунок 5.  Относительная влажность в помещении во Фремонте: высокая, низкая и средняя (июль 1996 г.)

Усовершенствованный контроль за комфортом в помещении

В Норфолкском магазине система осушения приточного воздуха обеспечила отличный контроль за влажностью и уровнем комфорта в помещении, поддерживая относительную влажность в пределах ±5% от величины уставки 45%. Во Фремонте относительная влажность варьировала в диапазоне между уставкой (45%) и уровнем 60%.

Графики изменения относительной влажности за июль 1996 г. (см. рис. 4 и рис. 5) типичны для этих величин в помещении, измеренных весной, летом и осенью на указанных двух площадках. Относительная влажность в помещении на площадке во Фремонте характеризовалась большим диапазоном и в целом меньшей стабильностью контроля.

Снижение себестоимости

Необходимости в достижении установленной производительности - 40782 м³/ч - системой дополнительной подачи воздуха в Норфолкском торговом центре ни разу не возникло, так как уровни CO₂ внутри магазина ни разу не превысили 1000 ppm при постоянной подаче 20391 м³/ч наружного воздуха. Данные подтверждают, что требования к вентиляции можно выполнить с помощью лишь одного устройства осушения приточного воздуха в дополнение к стандартному устройству осушения, установленному в зоне торговли продовольственными товарами. Единственное устройство осушения дополнительно подаваемого воздуха должно было бы иметь производительность в размере 16992 м³/ч и 70,3 кВт по охлаждению.

Если для соответствия требованиям Стандарта 62-1989 местные власти требуют дополнительной мощности по приточному воздуху, то ограниченное количество КА можно оснастить приводными заслонками для наружного воздуха, которые приводились бы в действие, только если уровень CO₂ превышает 1000 ppm. Поскольку это происходит редко (если происходит вообще) и продолжается недолго, то затраты на энергию и комфорт будут составлять лишь небольшую долю достижимой экономии себестоимости.

Кроме того, эксплуатационные данные подтверждают, что встраивание устройств осушения приточного воздуха в Норфолкскую систему ОВК позволило вытеснить приблизительно 110RT традиционного оборудования для охлаждения по сравнению с первоначальным проектом. Используя консервативную оценку установленной стоимости в диапазоне от 600 до 1000 долларов США (далее везде "долл.") (в зависимости от технического решения, принятого при перепроектировании), можно считать достижимой снижение себестоимости КА в размере от 66000 до 110000 долл. Если в торговом центре использовано одно устройство для осушения дополнительно подаваемого воздуха производительностью 16992 м³/ч установленной стоимостью 63000 долл., то чистая экономия себестоимости составит приблизительно от 3000 до 48000 долл.

Снижение затрат на энергию

Для всех систем ОВК, охлаждающего оборудования, освещения, различных нагрузок на вводах и общей энергии отдельно измерялись величины потребления энергии (газовой и электрической). В течение периода мониторинга в Норфолкском торговом центре расход электроэнергии на освещение и различные нагрузки на вводах, не связанные с ОВК или использованием энергии для охлаждения, был выше, в среднем, на 8,25%. В целях приведения данных по двум торговым центрам к нормальным условиям, чтобы провести объективное сравнение масштабов экономии энергии, относящейся к ОВК, общая величина расхода электроэнергии в Норфолкском центре была сокращена на 8,25%. Тарифы на электроэнергию, действующие для Норфолкского центра, были применены к обоим центрам.

Годовые затраты на энергию во Фремонте составляли 238451 долл., а нормализованные годовые затраты на энергию для Норфолка равнялись 244980 долл. Несмотря на то, что интенсивность вентиляции в Норфолкском центре выше на 74%, годовая стоимость его эксплуатации была выше всего лишь на 2,6%. Это разница статистически несущественна, и ее можно считать нормальной вариацией для двух аналогичных магазинов.

Более того, системы осушения дают возможность независимого контроля температуры и влажности. Достичь экономии энергии возможно за счет повышения температурной уставки при одновременном поддержании относительной влажности на низком уровне (45%) и соблюдении параметров зоны комфорта, установленных ASHRAE. В течение двухмесячного эксперимента температурную уставку в Норфолкском центре повысили с 74 до 78 ^oF (с 23,3 до 25,6 ^oC) при сохранении относительной влажности на уровне 45%, причем никаких жалоб на недостаточный комфорт отмечено не было. В течение этого же двухмесячного экспериментального периода общие затраты на энергоресурсы во Фремонтском центре составили 12063 долл., а аналогичный показатель для Норфолка был равен 10448 долл. Таким образом, экономия энергетических затрат в экспериментальном торговом центре достигла 13% по сравнению с контрольным центром.

Рекомендации

В результате описанного исследования группе проектировщиков компании-владельца были даны следующие рекомендации:

Централизовать впуск наружного воздуха через несколько устройств с его распределением по всему внутреннему помещению. Следует оптимизировать конструкции устройств, обрабатывающих наружный воздух (в отличие от рециркуляционного воздуха), имея в виду их проектные функции. Для обработки всего наружного воздуха использовать газовые осушители.

Пересмотреть нагрузки по охлаждению для УКВ и КА во избежание избыточности установленной производительности. Пересмотреть нагрузку КА так, чтобы обеспечить лишь ощутимые нагрузки и использовать только рециркуляционный воздух.

Подавать постоянный объем наружного воздуха для поддержания наддува с целью предотвратить сквозняки и инфильтрацию воздуха.

Принять более высокие значения температурных уставок для торговых зон магазинов при использовании газовых систем осушения для кондиционирования наружного воздуха. Следует изучить целесообразность повышения температурной уставки до уровня 78 ^oF (25,6 ^oC) при уставке относительной влажности 45%.

Ссылки

1. ASHRAE. 1990. "Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality" ANSI/ASHRAE Standard 62-1989 including ANSI/ASHRAE Addendum 62a-1990. ["Вентиляция для приемлемого качества воздуха в помещениях". Стандарт ANSI/ASHRAE № 62-1989, включая Приложение ANSI/ASHRAE № 62a-1990.]

2. Gas Research Institute report GRI-97/0035 "ASHRAE 62-1989 Compliance Using Desiccant Systems in a Retail Store," Energystics, Inc. Project Management. [Отчет № GRI-97/0035 Института исследований газа "Выполнение требований Стандарта ASHRAE 62-1989 с помощью систем осушения воздуха в магазине розничной торговли".]

3. ASHRAE Handbook-Fundamentals, 1993. [Справочник ASHRAE - Базовые сведения, 1993.]

4. Munters Dry Cool Equipment Operating and Maintenance Manual, 1994. [Инструкция по эксплуатации и техническому обслуживанию оборудования для осушения и охлаждения, 1994.]

5. Psychrometric Chart. Linric Company, Bradford, MA. 1997. [Психрометрические графики.]

Перепечатано из ASHRAE Journal, октябрь 1997 г.

Перевод с английского Б.Рубинштейна