Локальные системы кондиционирования воздуха в офисных зданиях

А. Л. Наумов, генеральный директор ООО «НПО ТЕРМЭК»

Д. В. Капко, ОАО «ЦНИИПромзданий», otvet@abok.ru

Традиционные системы вентиляции и кондиционирования воздуха являются основными потребителями энергии в системах инженерного обеспечения административных и офисных зданий. Действующими нормативами в таких зданиях предусмотрено обеспечивать подачу на каждого сотрудника 60 м³/ч свежего наружного воздуха и поддерживать в помещениях оптимальные параметры микроклимата: относительную влажность воздуха 30–60% и температуру летом +22…+24 °C, зимой +20…+22 °C.

Принципы организации кондиционирования воздуха в административных зданиях предполагают погодозависимое регулирование параметров микроклимата. С другой стороны, традиционные системы работают с постоянным воздухообменом в рабочем режиме. Так, если расчетная численность персонала в здании – 1000 человек, то системы должны подавать в помещение 60000 м³/ч свежего приточного воздуха. Системы включаются в работу с приходом первых сотрудников и выключаются с уходом последних. Причем вместо односменного режима по регламенту функционирования здания (9 часов) инженерные системы фактически эксплуатируются 1,5–2,0 смены (12–15 часов) вне зависимости от числа работающих сотрудников.

Если сопоставить эксплуатационные характеристики инженерных систем с теоретической потребностью их функционирования по фактическому количеству и времени пребывания сотрудников на рабочих местах, перерасход энергетических ресурсов составляет 50–70%. Надо отметить, что среди всех энергопотребляющих инженерных систем зданий системы вентиляции и кондиционирования относятся к самым энергоемким – на их долю приходится до 60–75% общего эксплуатационного энергопотребления административных зданий.

Специалисты задались вопросом, как сэкономить энергию в системах вентиляции и кондиционирования воздуха в административных зданиях, сохраняя при этом высокие показатели комфортности. Анализ возможных направлений экономии энергии показал:

1. Норматив воздухообмена 60 м³/ч на человека ориентирован на перемешивающую вентиляцию во всем объеме помещения (mixing ventilating). Человек прокачивает через свои легкие не более 1 м³/ч воздуха. Если подавать свежий воздух в зону дыхания человека, воздухообмен может быть снижен до 25–30 м³/ч. Объективным показателем свежести воздуха может служить концентрация углекислого газа СО₂.

2. В административных зданиях, как правило, рабочие места фиксированы. Их площадь в общей площади помещений составляет 10–15%. Оптимальные параметры микроклимата можно обеспечивать на фиксированных рабочих местах, а за их пределами поддерживать допустимые параметры микроклимата.

3. Поддержание оптимальных параметров микроклимата и воздухообмена свежего воздуха на рабочих местах можно обеспечивать по факту присутствия на рабочих местах персонала, а не постоянно во всем объеме здания.

Именно на этих направлениях в последние годы были сосредоточены исследования специалистов США, Европы, Японии.

Европейская ассоциация по отоплению и вентиляции REHVA провела в 2011 году научный семинар, посвященный проблемам адаптивной вентиляции (вентиляции, регулируемой по уровню потребности – Demand Controlled Ventilation, DCV). Мероприятие включало экскурс в прошлое, обзор современного состояния и перспективные направления развития [2]. Системы DCV, благодаря значительному потенциалу экономии энергии до 30–50% по сравнению с системами вентиляции с постоянным расходом воздуха (CAV), привлекают все большее внимание в секторе инженерного обеспечения зданий.

Адаптивная вентиляция – особый вид систем вентиляции с переменным расходом воздуха (VAV), предусматривающий возможность глубокого регулирования воздухообмена по отдельным зонам и во времени, в зависимости от фактической заполняемости помещений людьми.

В качестве главного индикатора качества состава воздуха используется концентрация углекислого газа – СО₂. Датчики СО₂, установленные в помещениях, в зависимости от величины порогового значения концентрации дают управляющие сигналы на уменьшение или увеличение подачи свежего наружного воздуха в обслуживаемую зону. Управляющие сигналы датчиков воспринимаются регулирующими органами воздухораспределителей и регулирующими клапанами на подводящих воздуховодах. Регулирующие клапаны разветвленной сети воздуховодов управляются контроллером таким образом, чтобы возмущающие воздействия в отдельных зонах не вызывали разрегулировки ответвлений в других зонах и во всей системе в целом.

Сегодня, с учетом увеличения теплозащиты строящихся зданий и повышения герметичности оконных проемов в них, особенно важным является установление оптимального воздухообмена в помещениях как для обеспечения санитарно-гигиенических условий и комфортного микроклимата, так и для соблюдения требований по энергосбережению. В этом отношении отечественные нормативы не только значительно отличаются от зарубежных, но и длительное время не пересматривались.

Необходимо заметить, что в обеспечении человека определенным количеством свежего воздуха для дыхания не может быть «национальных особенностей» и следует ориентироваться на физиологически обоснованные нормы.

Одним из средств энергосбережения зданий является использование систем вентиляции, регулируемой по уровню потребности. Влияние таких систем на жизнеобеспечение здания отражается на величине общего и пикового потребления энергии системой ОВК, а также на качестве внутреннего воздуха.

Наиболее распространенным способом внедрения системы вентиляции, регулируемой по уровню потребности, является регулирование количества наружного воздуха, подаваемого для вентиляции, в зависимости от уровня СО₂ во внутреннем воздухе здания. Мониторинг уровня СО₂ может осуществляться при помощи датчика, расположенного в зоне, в которой находятся люди, или в потоке вытяжного воздуха.

Основными параметрами, определяющими воздушно-тепловой режим на локальном рабочем месте, являются:

• температура воздуха и ее распределение по объему рассматриваемой зоны;
• скорость движения воздуха и ее распределение.

К дополнительным параметрам могут быть отнесены:

• относительная влажность воздуха;
• радиационная и результирующая температура на рабочем месте.

Поддержание дополнительных параметров не представляет серьезных трудностей на локальном рабочем месте. Главная задача – создать в ограниченной зоне рабочего места оптимальное сочетание температуры и скорости движения воздуха из условий воздушно-тепловой комфортности.

Условия воздушно-тепловой комфортности для холодного периода года:

• температура воздуха в диапазоне +20…+22 °C;
• скорость движения воздуха не более 0,1 м/с;
• градиент температуры воздуха на рабочем месте не более 2 °C.

Для теплого периода года:

• температура воздуха в диапазоне +22…+24 °C;
• скорость движения воздуха не более 0,1 м/с;
• градиент температуры воздуха на рабочем месте не более 2 °C.

Относительная влажность воздуха удовлетворяет оптимальным условиям в широком диапазоне 30…60%.

Как правило, радиационная и результирующая температура на рабочих местах в административных зданиях не отличается от температуры воздуха более чем на 1 °C, и особых требований по ее контролю не предъявляется.

Физическая задача состоит в организации воздушно-тепловых потоков, включая подачу свежего воздуха на рабочее место, при минимальных энергетических затратах, но при сохранении оптимальных условий комфортности.

Конструктивные решения системы локального кондиционирования и вентиляции представлены на рис. 1.

Рисунок 1. Технические решения системы локального кондиционирования рабочего места

Устройства для локальных систем кондиционирования микроклимата включают в себя следующие блоки оборудования:

• воздухоприготовительная установка приточного воздуха. В ее функцию входит подготовка наружного воздуха: очистка, нагрев (в холодный и переходный периоды года), охлаждение (в теплый период года), в случае необходимости увлажнение;
• воздухоприготовительная установка рециркуляционного воздуха. В ее функцию входит забор воздуха из помещения, его очистка, нагрев или охлаждение;
• воздухораспределитель приточного свежего воздуха на локальном рабочем месте. В его функцию входит подача свежего воздуха в зону дыхания человека;
• воздухораспределители рециркуляционного воздуха. В их функцию входит создание оазиса оптимальных параметров микроклимата на локальном рабочем месте;
• система воздуховодов приточного и рециркуляционного воздуха для транспортировки воздуха от воздухоприготовительных установок к воздухораспределителям на рабочих местах. Система воздуховодов прокладывается в фальшполах административных зданий;
• система регулирующих устройств разветвленной вентиляционной сети для балансировки расходов воздуха к каждому рабочему месту при переменном режиме подачи воздуха, с учетом фактического наличия персонала на рабочих местах;
• система регулирования производительности вентиляторов воздухоприготовительных установок, предусматривающая изменение числа оборотов вентилятора либо с помощью частотного привода, либо с помощью электронного регулятора;
• система датчиков присутствия людей на рабочих местах, сблокированная с отключающими подачу воздуха заслонками;
• контроллер автоматического управления системами вентиляции и кондиционирования воздуха, обеспечивающий регулирование температуры воздуха в системах вентиляции и рециркуляции, расхода воздушных потоков на локальных рабочих местах;
• система управляемого освещения на локальных рабочих местах с датчиком освещенности.

На рис. 2 представлена схема воздушных потоков на рабочем месте.

Рисунок 2. Схема воздушных потоков на рабочем месте

Наружный воздух поступает в воздухоприготовительную установку приточного воздуха, которая в зависимости от его температуры нагревает или охлаждает его и вентилятором направляет в сеть воздуховодов к приточным воздухораспределителям на рабочем месте. В зависимости от сигнала датчика присутствия сотрудников на рабочем месте свежий наружный воздух подается в зону дыхания человека, или его подача блокируется регулирующими заслонками при отсутствии сотрудника.

В рециркуляционный блок воздух поступает из верхней зоны помещения, очищается, нагревается или охлаждается в зависимости от отклонения температуры окружающей среды от заданных оптимальных параметров микроклимата и вентилятором подается в сеть воздуховодов к рециркуляционным воздухораспределителям. Опять же в зависимости от сигнала датчика присутствия персонала на рабочем месте воздух подается в объем локальной рабочей зоны, либо его подача блокируется.

По такому принципу может быть построена система локального кондиционирования индивидуальных рабочих мест в помещениях с большим количеством персонала и многокомнатных зонах.

Воздух из приточного воздухораспределителя, расположенного напротив рабочего места, с расстояния 0,5–0,8 м направляется в зону дыхания. Подводящий воздуховод выполнен из гофрированного алюминиевого материала (δ = 0,5 мм) и может в зависимости от индивидуальных параметров сотрудника изменять траекторию движения приточной струи. Воздухораспределитель выполнен в форме диффузора с регулируемой конусной центральной частью, позволяющей изменять скорость истечения воздуха и его расход.

Под столешницей рабочего стола установлены два вертикальных цилиндрических воздухораспределителя с двумя щелевыми отверстиями под углом 150 ° друг к другу.

Тыльная часть пространства под столешницей выполнена в виде экрана в форме цилиндрического сегмента. Рециркуляционный воздух подается из цилиндрических воздухораспределителей по траектории, касательной к зоне расположения сотрудника с обеих сторон рабочего стола, образуя «воздушную завесу», отсекающую локальную рабочую зону от окружающего пространства. Из двух других щелевых отверстий воздух подается струями, настилающимися на экран. В центре экрана струи встречаются и образуют рассеянный поток воздуха навстречу локальной зоне расположения человека. Скорость движения воздуха вблизи поверхности тела человека обеспечивается из условия непревышения 0,1 м/с, а общий градиент температуры воздуха по фигуре человека не должен превышать 2 °C; оптимальное значение в пределах 1 °C.

Такие же ограничения накладываются на струю приточного воздуха в зоне дыхания.

Воздух, формируемый регулируемыми струями, как бы «обволакивает» фигуру человека и вовлекается в конвективный поток от тела человека.

Величина конвективного потока от взрослого человека, выполняющего легкую работу, составляет 50–70 Вт. А максимальная скорость конвективного потока около поверхности тела человека с температурой 30–34 °C не превышает 0,1 м/с.

Расчетная модель воздушно-теплового режима на локальном рабочем месте построена на основе теории аэродинамики приточных струй профессора И.А. Шепелева [4].

Оценка воздушно-теплового режима на локальном рабочем месте показала возможность:

• экономии теплоты в системе отопления за счет поддержания за пределами локальных рабочих мест допустимых условий микроклимата (температура воздуха может быть ниже оптимальной примерно на 2 °C);
• экономии теплоты и холода в системах вентиляции за счет сокращения воздухообмена по наружному воздуху примерно в 2 раза;
• экономии холода в рециркуляционных системах за счет поддержания за пределами рабочих мест температуры воздуха на 2–3 °C выше оптимальных значений;
• сокращения производительности основного инженерного оборудования (приточные и вытяжные установки, холодильный центр, тепловой пункт);
• снижения установленной мощности инженерного электрооборудования.

В таблице приведена сравнительная расчетная оценка характеристик системы локального кондиционирования и вентиляции и традиционной централизованной системы в административных зданиях.

Оценка выполнена для климатических условий Москвы в расчете на 1 офисное место (10 м²).

Экономия тепла может составлять до 70 кВт·ч/м²·год, а электроэнергии – 18 кВт·ч/м²·год.

Пиковые нагрузки на тепловую и электрическую энергию могут быть снижены в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха на 40%.

Экономия инвестиционных затрат на основное инженерное оборудование за счет снижения его установленной электрической мощности может составить более 40 тыс. руб. на 1 офисное рабочее место. По оценкам зарубежных специалистов дополнительные затраты на устройство DCV-систем (регуляторы расхода воздуха, датчики присутствия, СО₂, локальные воздухораспределители, управляющие контроллеры) на 1 рабочее место составляет около 1 тыс. долл. США.

Таким образом, локальные системы кондиционирования и вентиляции в административных и офисных зданиях могут конкурировать по инвестиционным затратам с традиционными инженерными системами.

Литература

1. Lawrence T. Системы вентиляции, регулируемые по уровню потребности // АВОК.– 2005.– № 5.
2. Warden D. Регулирование расхода приточного воздуха по концентрации СО₂ // АВОК.– 2005.– № 2.
3. Наумов А.Л. Выбор энергоэффективных систем кондиционирования воздуха офисных зданий // АВОК.– 2005.– № 5.
4. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М. : Стройиздат, 1978.