Энергоэффективные системы вентиляции и кондиционирования воздуха крупного торгового центра

М. Г. Тарабанов, директор НИЦ «Инвент», вице-президент НП «АВОК», otvet@abok.ru

А. В. Копышков, главный инженер НИЦ «Инвент»

Н. А. Королева, ведущий инженер НИЦ «Инвент»

Следует выделить два момента:

• снижение начальной мощности на стадии получения техусловий на подключение к источникам теплоты и электроэнергии, так как от этого зависят инвестиционные затраты (известно, что в Москве стоимость подключения 1 кВт электроэнергии составляет 100000 руб. и более);
• сокращение эксплуатационных затрат, что особенно важно для арендаторов и собственников объектов.

Мероприятия по снижению энергозатрат системами ОВК сегодня достаточно хорошо известны и описаны в литературе, но практический выбор энергоэффективных решений для условий конкретного объекта по-прежнему представляет интерес для специалистов.

О некоторых решениях, предложенных авторами в проекте крупного торгово-развлекательного комплекса на Варшавском шоссе в Москве, мы и хотим рассказать коллегам.

Здание комплекса имеет размеры в плане 158 × 235 м и включает 4 надземных и 2 подземных этажа. Высота здания от планировочной отметки пожарного проезда до подоконника верхнего этажа около 25 м.

В комплексе расположены следующие помещения:

• на отметке второго подземного уровня – автостоянки с пандусами и технические помещения;
• на отметке первого подземного уровня – автостоянки с пандусами и технические помещения;
• на отметке цокольного этажа – автомобильные пандусы, технические помещения, гипермаркет с торговым залом, подсобными и складскими помещениями, дебаркадер, насосные установки пожаротушения с резервуарами воды;
• на отметке технического уровня цокольного этажа – автомобильные пандусы, технические помещения, административные и вспомогательные помещения гипермаркета;
• на отметке первого этажа – общественно-торговая зона, предприятия питания, офисы, дебаркадеры, встроенная трансформаторная подстанция с сухими трансформаторами;
• на отметке второго и третьего этажей – общественно-торговая зона, предприятия питания и бытового обслуживания, офисы;
• на отметке четвертого этажа – предприятия питания с производственными, подсобными и бытовыми помещениями, помещения развлекательного центра, кинотеатры, технические помещения.

В общественно-торговой зоне запроектировано многосветное пространство (атриум) с отметки первого этажа. Сообщение между автостоянкой и общественно-торговой зоной запроектировано двумя эскалаторными группами и лифтами. Общая площадь одного этажа около 40000 м ². Несущий каркас здания и перекрытия запроектированы из монолитного железобетона.

В торгово-развлекательном комплексе расположены пожарные отсеки и помещения следующих классов функциональной пожарной опасности:

• Ф 2.1 – кинотеатр;
• Ф 3.1 – торговые помещения;
• Ф 3.2 – предприятия общественного питания;
• Ф 3.5 – помещения бытового обслуживания;
• Ф 3.6 – спортивно-развлекательные помещения;
• Ф 4.3 – административные помещения;
• Ф 5.2 – помещения автостоянок, складские помещения.

С учетом того, что здание имеет очень большую площадь, оно разделено на несколько отсеков со своими венткамерами и двумя холодильными центрами. Теплоснабжение комплекса осуществляется от ЦТП и четырех распределительных узлов.

Как уже отмечено выше, особое внимание при проектировании систем ОВК уделено вопросам снижения энергозатрат.

Российские специалисты уже давно обсуждали вопрос о целесообразности использования воздуха, удаляемого из офисно-торговой зоны, для вентиляции подземных автостоянок, однако до практической реализации этой идеи дело так и не доходило.

В результате активной работы с пожарными удалось найти разумное решение и включить его в специальные технические условия для данного объекта. Принципиальная схема систем вентиляции одной из автостоянок приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема системы вентиляции автостоянок

В зависимости от графика загрузки торгового центра предусмотрены следующие режимы работы систем вентиляции:

Режим 1. Утренние часы, торговый центр начинает работу, и вытяжные установки надземных этажей включены. В этот период работают системы П1 и П2 и сблокированные с ними системы В1 и В2. Производительность этих систем составляет 50% от расчетного воздухообмена, что значительно меньше суммарной производительности вытяжных установок надземных этажей (с учетом неодновременности их включения). Вытяжная шахта работает на выброс воздуха.

Режим 2. Дневные и вечерние часы (пиковое время). Автостоянка заполняется полностью. При концентрации СО на автостоянке более 50 мг/м ³ по сигналу датчика дополнительно к системам П1, В1, П2, В2 включаются установки П17 и П18 и сблокированные с ними установки В17 и В18. Производительность указанных установок также равна 50% от расчетного режима, т.е. вместе с системами П1, В1, П2, В2 обеспечивается максимальный расчетный воздухообмен. Установки П1, П2, П17, П18 работают на воздухе, удаляемом из помещений надземной части комплекса, который охлаждается (в холодный период года) во вращающихся регенеративных теплоутилизаторах от +23,7 до +12°С. Температура +12°С выбрана из условия компенсации теплопотерь подземной автостоянки и поддержания в ней температуры +5°С. В этом режиме воздухонагреватели систем П17 и П18 отключены. В зависимости от объема воздуха, удаляемого от надземных этажей, он либо полностью поступает к приточным установкам автостоянки, либо частично выбрасывается через шахту наружу. Резервирование систем В1, В2, В17, В18 выполнено вентиляторами В1а, В2а.

Режим 3. Ночное время. Системы вентиляции надземных этажей отключены. Условно принято, что в это время автостоянка может быть загружена на 50% (более точные данные будут получены в процессе эксплуатации, но вряд ли реальная цифра окажется больше условно принятой). В этом режиме системы П1 и П2 отключены, а системы П17 и П18 работают на наружном воздухе с включенными воздухонагревателями, что позволяет поддерживать на автостоянке температуру +5°С. Воздухонагреватели установок П17 и П18 оборудованы защитой от размораживания, датчики которой настроены на температуру приточного воздуха +4°С и температуру обратной воды +35°С. Для нагрева приточного воздуха используется тепловая мощность, высвобождаемая при отключении приточных установок надземных этажей.

В утренние часы после включения вентсистем надземных этажей системы вентиляции автостоянки переводятся в режим 1. Описанное решение принято и для трех других автостоянок комплекса.

В рассмотренной автостоянке заложено 242 машино-места, а расчетный воздухообмен (максимальный из условия 2 об./ч) составляет +51450 м³/ч и –54160 м³/ч.

Полный расход приточного воздуха, подаваемого во все автостоянки комплекса, составляет 446930 м³/ч. Для нагрева данного объема приточного воздуха в расчетном режиме от t_Н = –28°С до t_П = +12°С (из условия поддержания внутренней температуры на уровне +5°С) при традиционной схеме потребовалось бы включить в мощность теплового ввода нагрузку:

что составит 26% от общей тепловой нагрузки на системы ОВиК объекта (Q_Т = 22664 кВт).

Заметим, что проект получил положительное заключение экспертизы, т.е. создан прецедент, позволяющий применять данное решение в проектах аналогичных объектов.

Для сокращения расхода холода и, соответственно, электроэнергии в теплый период года, следуя рекомендациям [1], было предложено использовать косвенное испарительное охлаждение приточного воздуха, подаваемого в рабочие помещения в объеме санитарных норм.

Однако конструктивные особенности здания (разбросанность венткамер и их значительное удаление от градирен и хладоцентров) потребовали технических решений, отличных от описанных в [1].

Принципиальная схема системы кондиционирования воздуха для помещений торговли приведена на рис. 2. Построение процессов обработки воздуха на J-d диаграмме показано на рис. 3.

Рисунок 2 (подробнее) Принципиальная схема системы кондиционирования торговых зон

Рисунок 3. J-d диаграмма кондиционирования воздуха в теплый период года

В зависимости от периода года система кондиционирования воздуха работает следующим образом.

В теплый период наружный воздух с параметрами t_Н = +30°С, φ_Н = 39%, J_Н = 57,2 кДж/кг (параметры приняты по требованию заказчика) поступает в кондиционер, очищается в фильтрах класса G3 и F5 и поступает в роторный регенеративный теплообменник, где охлаждается от +30 до +23°С потоком удаляемого из помещения воздуха, предварительно прошедшего через секцию адиабатного увлажнения и охлажденного от +26,0 до +19,3°С.

Как видно из рис. 3, основная нагрузка по охлаждению помещений и частичной осушке внутреннего воздуха ложится на фэнкойлы, а наружный воздух с температурой +23°С практически не участвует в тепловом балансе помещения.

Для оценки энергоэффективности предложенного решения определим суммарные энергозатраты на охлаждение наружного воздуха от +30 до +23°С и количество полученного холода.

Расчет выполняем для конкретной системы кондиционирования воздуха торговой зоны, используя материалы компьютерного подбора установки фирмы Hidria.

Производительность СКВ L = 24410 м³/ч.

Начальные параметры воздуха: t₁ = +30°С, φ₁ = 39%, J₁ = 57,2 кДж/кг, ρ₁ = 1,125 кг/м³.

Конечные параметры приточного наружного воздуха после роторного регенеративного теплоутилизатора: t₂ = +23°С, d₂ = 10,58 г/кг с.в., J₂ = 50 кДж/кг.

Определяем количество холода:

В процессе обработки воздуха электроэнергия затрачивается на преодоление аэродинамического сопротивления регенеративного теплообменника в потоках приточного и удаляемого воздуха (по материалам распечатки ∆P = 175 Па), на преодоление аэродинамического сопротивления секции адиабатического увлажнения в потоке удаляемого воздуха ∆P = 167 Па, на электропривод ротора (N = 0,18 кВт) и насоса увлажнителя (N = 0,04 кВт).

Таким образом, суммарные затраты энергии на охлаждение наружного воздуха равны:

Определяем условный холодильный коэффициент процесса:

Заметим, что при использовании самых современных холодильных машин с водяным охлаждением конденсатора холодильный коэффициент с учетом затрат энергии градирней и насосами не превышает 4,5 кВт/кВт.

Общая холодильная нагрузка на системы кондиционирования воздуха (без учета фэнкойлов) всего комплекса Q_хол = 2500 кВт, т.е. затраты электроэнергии на холодоснабжение приточных установок комплекса при использовании холодильных машин составляют:

N₁ = 2 500/4,5 = 553,3 кВт.

А при косвенном испарительном охлаждении, принятом в проекте:

N₂ = 2 500/10,9 = 228,4 кВт.

Снижение потребления электроэнергии в теплый период года составляет:

N₁ – N₂ = 325 кВт.

Обратим внимание, что стоимость оборудования для косвенного испарительного охлаждения (регенеративные теплообменники и адиабатные увлажнители) также значительно меньше, чем у чиллеров, градирен и насосов, необходимых для традиционной системы холодоснабжения.

Кроме того, вращающиеся теплоутилизаторы в холодный период года позволяют снизить расход теплоты на нагрев наружного воздуха на 3700 кВт, несмотря на то, что минимальная температура удаляемого из торговых зон воздуха не должна быть ниже +12°С, так как воздух используется для вентиляции и отопления автостоянок.

Полученные в проекте результаты убедительно показывают целесообразность и высокую энергетическую эффективность применения косвенного испарительного охлаждения наружного воздуха в климатических условиях Москвы, причем не только для общественных, но и для промышленных зданий.

Литература

1. Тарабанов М.Г. Косвенное испарительное охлаждение приточного наружного воздуха в СКВ с доводчиками // АВОК.– 2009.– № 3.