Как делают микроклимат внутри зданий?

Как делают микроклимат внутри зданий?

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

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.)

Кровеносная система здания Кровеносная система здания 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.

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)».

Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.

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.


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.


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.

Как работает трехтрубная VRF-система кондиционирования Как работает трехтрубная VRF-система кондиционирования

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).

Горящий газ Горящий газ 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.

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.

Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.

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.

Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.

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

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.