Говорят, что человек не властен над погодой и климатом. На самом деле это не так: в любом современном офисном здании создается полностью искусственный микроклимат.
Как делают микроклимат внутри зданий?

Климат и погода на нашей планете зависят от очень многих факторов. Они чрезвычайно сложны для моделирования — недаром для расчета прогноза погоды используются самые высокопроизводительные суперкомпьютеры, и то их достоверность зачастую оставляет желать лучшего. И это только погода, что уж говорить о климате! Между тем утверждать, что погода и климат вне нашего контроля, не совсем верно. Люди научились подчинять себе климат, просто в более мелком (по сравнению с планетарным) масштабе. Если на Земле климат создается атмосферой с ее ветрами, океанами с их течениями, горами и равнинами континентов, то в зданиях для этого приходится конструировать специальные системы. О них «Популярной механике» рассказал инженер отдела систем кондиционирования компании Panasonic Иван Мясников.

Воздух

Любое здание — это закрытый объем воздуха. Поскольку он используется для дыхания, необходим постоянный приток свежего воздуха и отведение уже использованного, то есть приточно-вытяжная вентиляция. В жилых зданиях используется естественная вентиляция, поскольку обычной тяги под действием перепада давлений на разных высотах вполне хватает для обновления атмосферы в доме. (Кстати, поскольку пропускная способность вентиляции в большинстве жилых многоквартирных зданий, кроме разве что самых новых, рассчитана именно на естественную тягу, ставить в обычные квартиры принудительную вытяжку не имеет особого смысла: в этом случае именно сечение вентиляционных труб будет самым узким местом системы, и достичь большей производительности не удастся.)

В офисных, промышленных и общественных зданиях естественная вентиляция уже не будет справляться с обновлением атмосферы. Согласно российским санитарным нормам, система приточно-вытяжной вентиляции должна обеспечивать приток свежего воздуха в 40−60 м3 на человека в час (в Европе нормой считаются чуть меньшие объемы). Поскольку окна в современных офисных зданиях, как правило, не открываются, используется централизованная система: это большая вентиляционная машина на крыше, от которой по всем помещениям расходится система труб большого сечения (вентиляционных каналов). В простейшем случае это два больших вентилятора, один из которых откачивает «использованный» воздух на улицу (или в нежилые помещения — коридоры, технические помещения), а второй подает свежий воздух снаружи. «На самом деле воздух нужно предварительно подготовить, — объясняет Иван Мясников. — Как правило, снаружи и внутри температура воздуха отличаются. Скажем, холодной зимой разница может составлять 20−40°C, и подаваемый воздух нужно предварительно нагреть (если этого не сделать, люди будут замерзать, а вентиляционные каналы обмерзнут, на них образуется конденсат). И сделать это желательно с минимальными расходами энергии, иначе обогрев здания станет «золотым». Для этого в системе вентиляции используются теплообменники, которые передают часть тепла от уже нагретого воздуха, выбрасываемого из здания, свежему (зимой) или наоборот (летом)». Кровеносная система здания Фото

Любое здание похоже на скелет живого существа. Каким бы прочным и высокотехнологичным оно ни было, оно не будет «жить» без «кровеносных сосудов» — коммуникаций, разносящих по всем помещениям электроэнергию, воздух, тепло, горячую и холодную воду. Поэтому правильное проектирование климатической системы при строительстве здания не менее важно, чем его этажные, размерные и прочностные характеристики.

Тепло

Теплообменники систем вентиляции позволяют «спасти» лишь часть тепла (до 75%), и хотя это значительно сокращает расходы на последующий обогрев или охлаждение, этого недостаточно, чтобы довести воздух до комфортной температуры. Поэтому для любого здания все равно требуется система отопления и охлаждения. Источники тепла могут быть разные — от дешевого побочного тепла до дорогой электроэнергии, но в последнее время все чаще используются системы на основе тепловых насосов, энергоэффективность которых весьма высока.

В отличие от подготовки воздуха, которая осуществляется централизованно (в теплообменнике вентиляционной системы), отопление или охлаждение нужно «доставить на место». Можно, конечно, совместить отопление или охлаждение с централизованной подготовкой воздуха, но такое решение крайне негибко: в различных помещениях разные люди предпочитают разную температуру, а при такой схеме это реализовать невозможно. Простейший способ — установка в каждом помещении сплит-систем кондиционирования, но это, по словам Ивана Мясникова, крайне неэффективно с точки зрения затрат энергии и не всегда возможно технически. Гораздо лучше — климатическая система с центральным блоком и внутренними блоками в каждом помещении. В идеале внутренние блоки надо устанавливать на выход вентиляционного канала, но это не всегда возможно по конструктивным причинам.

Вода

Транспортировать тепло из помещения наружу можно различными методами. Исторически первым появился метод, использующий воду (или антифриз — водный раствор этиленгликоля). Вода нагревается во внутренних блоках (фанкойлах), через которые вентиляторы продувают воздух из помещения, и уносит тепло во внешние блоки (чиллеры), где с помощью больших вентиляторов передает тепло окружающему воздуху. Из-за большой теплоемкости воды такой метод позволяет транспортировать огромные количества тепла и в некоторых случаях не имеет альтернатив. Например, такие системы активно используются там, откуда необходимо отводить большие тепловые потоки, — например, в центрах обработки данных, где компьютерное оборудование выделяет десятки мегаватт тепла.

Однако для офисных и других общественных зданий водяная система охлаждения подходит не столь хорошо. Для воды требуются трубы достаточно большого сечения и накопительные баки, а в случае повреждения системы тонны воды выливаются в помещение, нанося серьезный ущерб имуществу. К тому же при использовании воды есть риск замерзания ее в трубах внешнего контура во время заморозков. А раствор этиленгликоля нельзя использовать в жилых помещениях из соображений безопасности, поэтому приходится конструировать еще более сложные двухконтурные системы. Кроме того, у водяных систем очень большая тепловая инерция, и быстро изменить температуру в помещении с их помощью не получится, поскольку для охлаждения или нагревания большой массы циркулирующей воды даже на один-два градуса требуется достаточно длительное время. Регулировать производительность водяных систем затруднительно, для этого используются сложные механические системы (муфты). Текущая вода Для сброса тепла в окружающую среду часто используются комбинации различных методов. Скажем, один из самых эффективных способов — это распыление воды и ее охлаждение за счет частичного испарения. Так, например, работают градирни, охлаждающие воду для тепловых и атомных электростанций. В офисных и общественных зданиях для подобных целей используются фонтаны и водопады. Они не только эффективно рассеивают тепло в окружающую среду, но и радуют взгляд посетителей. Правда, расплачиваться за это приходится повышенным расходом воды внешнего контура.

Как работает трехтрубная VRF-система кондиционирования Фото

Фреон

Поэтому для современных офисных и общественных зданий чаще всего применяются системы на основе фреонов — хладагентов с фазовым переходом. Это как раз те самые центральные кондиционеры с одним внешним блоком (или несколькими, объединенными в один гидравлический контур) и внутренними блоками в каждом помещении. Хотя фреоновые системы и занимают больше места, чем водяные, они требуют малого количества хладагента (десятки, максимум сотни килограмм), а при повреждении системы фреон просто испаряется, не нанося серьезных повреждений имуществу. Правда, в некоторых случаях применение фреона ограничивается: при утечке в замкнутых помещениях он вытесняет воздух. Поэтому приходится конструировать системы безопасности — скажем, при обнаружении падения давления в контуре весь оставшийся фреон откачивают в специальную емкость. Современные кондиционеры относятся к системам с переменным расходом хладагента — VRF (Variable Rate Flow). Это означает, что каждый внутренний блок имеет электронный клапан и сообщает системе управления центрального внешнего блока, какое количества тепла ему нужно подвести или отвести. В отличие от водяных систем, производительность внешнего блока можно легко бесступенчато регулировать с помощью инверторного управления скоростью работы компрессоров. Это позволяет достичь очень высокой энергоэффективности. VRF-системы могут работать как на охлаждение, так и на нагрев — в режиме теплового насоса. Внешний блок при этом работает в одном из двух режимов — в зависимости от «результатов голосования» внутренних блоков. Но что делать, если, как это часто случается, «бухгалтерия мерзнет, а логистика потеет»? Для этого были разработаны специальные трехтрубные системы, в которых помимо обычных двух труб — газовой и жидкостной — есть еще третья (так называемая парожидкостная). На входе в каждый внутренний блок установлена система клапанов, которая из трех существующих труб составляет комбинацию двух нужных в данном помещении. Такая система позволяет всем внутренним блокам работать в своем собственном режиме (нагрев или охлаждение), при этом внешний блок регулирует соотношение фаз (давление и температуру) в третьей трубе в зависимости от количества внутренних блоков, работающих в том или ином режиме. В этом случае удается «убить двух зайцев» — добиться минимального энергопотребления и идеального климата.

Горящий газ Фото Кондиционеры и тепловые насосы — отличное и очень энергоэффективное решение для создания микроклимата в различных зданиях. Тепловой насос перекачивает в четыре-пять раз больше энергии, чем потребляет, но иногда и эти 25% взять просто неоткуда: подводимой электрической мощности не хватает. Для отопления можно, конечно, использовать газ. Но что делать, если требуется охлаждение? Для таких случаев компания Panasonic разработала специальную серию VRF-систем — Panasonic ECO G. Это кондиционеры (с возможностью работы в режиме теплового насоса для обогрева), в которых компрессор приводится не электродвигателем, а газовым двигателем внутреннего сгорания. Системы ECO G требуют очень небольшой электрической мощности для запуска и питания контроллера системы управления и к тому же могут быть оснащены генератором, который после запуска полностью обеспечивает всю необходимую мощность. Для еще большей эффективности летом можно пропускать через систему охлаждения воду, покрывая потребность в горячей воде (до 4 м³ в час), а зимой — подводить тепло от двигателя к тепловому насосу для обогрева помещения. Такая система позволяет при современных ценах на газ и электроэнергию снизить стоимость эксплуатации в четыре-семь раз.

Статья «Четыре стихии климата» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2015).