Кондиционирование помещений большой площади

• Техническое задание, параметры тепловой и холодильной нагрузки
• Общие параметры технического задания
  • Наружный воздух
  • Типовые параметры тепловой и холодильной нагрузки
• Работа при различных нагрузочных режимах
  • Работа в зимний период
  • Работа в межсезонный период
  • Работа в летний период
• Предлагаемое решение
• Выбор системы
• Примечание редактора

Преимуществом систем кондиционирования, обслуживающих помещения большой площади, такие как выставочные павильоны, должно быть сочетание надежности центральных систем теплохолодоснабжения с гибкостью и экономичностью децентрализации.

Технический анализ инженерных требований и необходимых условий обеспечения комфорта пользователей, а также энергетических и экологических потребностей позволил выявить принцип построения децентрализованной системы кондиционирования нового типа, обладающей преимуществами централизованных систем, но лишенной при этом ее же некоторых основных недостатков.

Кондиционирование помещений большой площади — тема на сегодняшний день весьма актуальная, поскольку возводится немалое количество таких объектов, и планы строительства на ближайшее время довольно большие.

Основное техническое решение, применяемое для организации вентиляции и кондиционирования, — это централизованная система с распределением через диффузоры вертикальной подачи воздуха.

Собственно говоря, существуют два вида таких вентиляционных систем:

• Централизованная система, которая использует в качестве жидкости-теплоносителя горячую или охлажденную воду, приготавливаемую тепловыми и холодильными станциями. А станции, в свою очередь, обеспечивают питание высокопроизводительных систем воздухоподготовки (11 000–14 000 л/с эквивалентных 40 000–50 000 м3/ч).
• Децентрализованная система на основе множества моноблочных контуров с воздушными или водяными конденсаторами для систем WLHP или WSHP максимальной мощностью, как правило, не выше 7 000–8 000 л/с (эквивалентных 15 000–16 000 м3/ч), общей чертой которых является чаще всего серийное производство.

Оба указанных вида обладают различного рода преимуществами и недостатками, отчего разработчик, остановив свой выбор на одном из них, вынужден в любом случае идти на определенные компромиссы, иногда существенные, в ущерб параметрам экономичности и эксплуатационным характеристикам сети.

Технический анализ инженерных требований и необходимых условий обеспечения комфорта пользователей, а также энергетических и экологических потребностей объектов такого рода позволил выявить принцип построения децентрализованной системы кондиционирования нового типа, обладающей преимуществами централизованных систем, но лишенной при этом ее же некоторых основных недостатков.

Техническое задание, параметры тепловой и холодильной нагрузки

Выставочный павильон представляет собой большой ангар, выполненный чаще всего из дюралюминиевых или стальных конструкций, с панельно-блочными перекрытиями и заполнениями, как правило, без наружного остекления.

Площадь типового выставочного павильона составляет около 40 000 м2.

В зависимости от функциональной нагрузки объекта, его тепловая нагрузка может варьироваться в очень широких пределах:

• нормальная функциональная нагрузка в соответствии с рабочим расписанием текущей экспозиции (высокая плотность, варьируемая заполняемость с существенными пиковыми периодами);
• функциональная нагрузка в дни подготовки экспозиций (низкая внутренняя нагрузка, низкая заполняемость — присутствует только технический персонал);
• функциональная нагрузка в ночные часы, когда выставка закрыта, и в период простоя павильона между выставками.

В летний период выставки явление нечастое, поэтому с учетом особенностей функциональной загруженности, о которых говорилось выше, отличиями систем кондиционирования таких объектов являются высокая гибкость, холодильная мощность существенно выше тепловой, работа холодильных контуров, в том числе в зимний период при низкой температуре, большие объемы обрабатываемого наружного воздуха.

Общие параметры технического задания

Общие параметры технического задания под нагрузку на период проведения экспозиций приведены в табл. 1. Нагрузки в подготовительный период и периоды простоя между выставками имеют второстепенное значение.

Наружный воздух

В качестве среднего потребляемого объема наружного воздуха, как правило, берется показатель 10 л/с на человека, в соответствии с требованиями регламента UNI 10339 — части III «Выставочные комплексы».

Данное значение обеспечивает оптимальное качество воздуха с допустимой концентрацией двуокиси углерода, в том числе в часы наибольшей заполняемости объекта во время проведения выставок.

Для рассматриваемого нами в качестве типового выставочного павильона площадью 40 000 м2 наибольшая производительность системы в части подачи наружного воздуха составит 100 000 л/с (эквивалентных 360 000 м3/ч). Вместе с тем, регламент UNI 10339 и простые соображения экономии диктуют следующее:

• «… рекомендуется сокращать подачу наружного воздуха и снижать общую рециркуляцию в так называемые переходно-пусковые периоды…
• … вентиляционные сети театрально-зрелищных объектов и конференц-залов должны оборудоваться ручной или автоматической системой регулировки объемов подачи наружного воздуха в зависимости от фактического числа посетителей учреждения».

Типовые параметры тепловой и холодильной нагрузки

Для зимней нагрузки объекта критическими считаются фаза вывода сети в рабочий режим и предполагаемые периоды низкой внутренней нагрузки с наибольшей заполняемостью, требующие существенных объемов наружного воздуха.

В табл. 1 приведены расчетные показатели для гипотетического объекта, где средняя зимняя температура составляет –5 °С. Для лета это 32 °С при 48 % относительной влажности, при этом наибольшая заполняемость совпадает с наибольшей внутренней нагрузкой.

Кроме того, мы имеем значительную установленную мощность вентиляторов систем воздухоподготовки — порядка 500 кВт.

Табл. 2 позволяет сделать ряд важных заключений относительно организации инженерной сети с учетом требований по минимизации установочных и эксплуатационных расходов:

• нагрузка на окружающую среду всегда положительная, в том числе в зимний период и при низкой внутренней нагрузке;
• максимальная требуемая тепловая мощность составляет примерно 2/5 от наибольшей общей холодильной мощности;
• требуется довольно небольшое увлажнение, и осуществляется оно при невысокой температуре обрабатываемого воздуха.

Работа при различных нагрузочных режимах

Чтобы выбор технических решений был осознанным и оправданным, необходимо рассмотреть работу системы при различных нагрузочных режимах. С этой целью приводится график (рис. 1), где представлена динамика обычного выставочного дня с типовой заполняемостью и осветительной нагрузкой.

Рисунок 1. Типовая динамика заполняемости и осветительной нагрузки

Работа в зимний период

На рис. 2 представлена динамика типовой нагрузки сети в зимний период для гипотетического объекта, расположенного на широте Милана, со средней температурой воздуха в помещении 20 °С при 35 % относительной влажности, когда в течение выставочного дня внутренняя нагрузка достигает 50 Вт/м2 с заполняемостью до 90 % от номинальной.

Рисунок 2. Температура наружного воздуха и нагрузка, %

Проанализировав представленные выше простые данные, можно сделать следующие выводы:

• отопление требуется только на первые два часа работы, т. е. исключительно на период запуска и вывода системы в рабочий режим;
• с началом работы в 9:00 комфортные условия для посетителей можно обеспечить естественным охлаждением, которое таким образом становится одним из режимов первостепенной важности;
• наибольшая требуемая тепловая мощность составляет примерно 1/3 от максимальной проектной, несмотря на низкую температуру обычной холодной зимы;
• регенерация тепла отводимого воздуха, хотя и требуется действующим регламентом, особой экономии энергоресурсов не дает;
• подтверждается, что наличие системы увлажнения не имеет большого смысла.

На основании данных рис. 3 можно также сделать вывод, что при потребности порядка 1 300 кВт/ч тепла (4 600 МДж) одни только вентиляторы (если предположить, что они вращаются с постоянной скоростью и производительностью) потребуют расхода электричества не менее 6 500 кВт/ч, что составляет долю, примерно в 5 раз превышающую объем электричества, необходимый для обеспечения потребности в тепле.

Рисунок 3. Анализ энергозатрат в типовой зимний день (Милан)

Работа в межсезонный период

На рис. 4 представлен типовой весенний день, имеющий средневысокую нагрузку, когда температура воздуха в помещении поддерживается на уровне 22 °С.

Рисунок 4. Температура наружного воздуха и нагрузка, %

Отметим при этом следующие обстоятельства:

• в течение дня система должна переключаться с режима отопления (на этапе запуска и вывода в рабочий режим) в режимы естественного охлаждения (с регулируемым расходом наружного воздуха), искусственного охлаждения и вновь естественного охлаждения, что требует вполне определенной гибкости;
• требуемая отопительная и холодильная мощность системы не превышает, соответственно, 17 и 12 % установленных мощностей.

Рис. 5 подтверждает сказанное выше о первостепенном значении электричества, расходуемого на одни лишь вентиляторы.

Обратим внимание также, что расход электроэнергии на обеспечение работы вентиляторов (при условии вращения с постоянной скоростью) в данном случае составляет 93 % от общего объема.

Рисунок 5. Анализ энергозатрат в типовой весенний день (Милан)

Работа в летний период

И наконец, типовой летний июньский день с температурой воздуха в помещении 27 °С с относительной влажностью 55 % при той же средневысокой функциональной нагрузке.

На основании данных рис. 6 можно сделать вывод о том, что в том числе в условиях средневысокой функциональной нагрузки в теплый период от системы в любом случае требуется солидный диапазон производства регулируемого охлаждения — в пределах от 26 до 74 % от максимальной проектной мощности.

Рисунок 6. Температура наружного воздуха и нагрузка, %

Анализ расхода энергоресурсов (рис. 7) лишний раз показывает, сколько электричества отбирают вентиляторы.

Рисунок 7. Анализ энергозатрат в типовой летний день (Милан)

Предлагаемое решение

Все вышеизложенное приводит к мысли, что централизованные системы теплохолодоснабжения с одной стороны и децентрализованные на основе стандартных заводских модулей с другой стороны в любом случае не могут полностью удовлетворить требованиям рассматриваемого нами объекта.

Система первого типа, хотя и отличается высокой надежностью и прекрасно адаптируется, в частности, к нашему объекту, не может обеспечить требуемую функциональную гибкость, имеет слишком высокий непроизводительный расход энергоресурсов на поддержание в установленном температурном режиме огромного множества трубопроводов, теплоизоляции, горячей и охлажденной воды, а также очень высокую затратную часть в плане необходимости строительства больших тепловых и холодильных станций, укладки широкой и громоздкой сети теплоизолированных контуров. Система второго типа, в свою очередь, предусматривает использование слишком большого числа моноблоков, реализуемых сегодня на рынке без необходимой проработки в части надежности и энергосбережения.

Предлагаемое нами решение — это особая «штучная» система климатизации, сочетающая надежность центральных систем теплохолодоснабжения с гибкостью и экономичностью децентрализации.

Она состоит из независимых агрегатов на основе теплового насоса с высокой воздушной производительностью типа «моноблок» с воздушной конденсацией. В качестве альтернативы (при наличии под объектом обширного водного горизонта) можно рассматривать аналогичные системы на основе агрегатов WLHP или WSHP.

В частности, для рассматриваемого нами случая необходимо предусмотреть комплект в составе 20 агрегатов, относящихся к типу, представленному на рис. 8 и 9, мощностью около 15 000 л/с (55 000 м3/ч) каждый.

Рисунок 8. Рабочий агрегат на основе воздушного теплового насоса

Рисунок 9. Функциональная схема рабочего агрегата с регулируемой подачей воздуха, устройством естественного охлаждения и вентилятором типа «relief fan»

В этом случае система обеспечивает следующие основные функции:

• круглогодичная регулировка температуры воздуха в помещении;
• независимая регулировка относительной влажности в режиме зимней эксплуатации (если потребуется);
• регулировка качества воздуха посредством варьирования расхода наружного воздуха в зависимости от фактической заполняемости объекта (для этих целей отлично подходит принцип замера уровня содержания СО2);
• регулировка расхода воздуха при помощи вентиляторов с регулируемой скоростью вращения;
• вытяжные вентиляторы с регулируемой скоростью вращения типа «relief fan» с клавишным включением;
• регулировка давления в помещении для оптимизации работы вытяжных вентиляторов;
• регулируемое естественное охлаждение на основе сравнения температурных показателей. Такая система обеспечивает отопление при помощи теплового насоса (генерируемой тепловой мощности для данного случая более чем достаточно, поскольку, как мы убедились, расчетная холодильная нагрузка значительно превосходит тепловую). Регулирование температуры, относительной влажности и давления в помещении обеспечивается посредством сети датчиков. Кондиционирование помещения осуществляется в двух основных режимах:
• естественное охлаждение (англ. free cooling);
• четырехступенчатое охлаждение прямым расширением.

Система распределения воздуха должна обеспечивать высокую эффективность в силу того, что применяемые вентиляторы и без того отличаются очень высоким энергопотреблением.

Выбор системы

Современные помещения большой площади, предназначенные для выставочно-ярмарочной или торговой деятельности, отличаются наличием большого объема воздуха и значительными теплоизбытками, часто даже в зимний период.

Производительность оборудования кондиционирования, удовлетворяющая современным требованиям оптимизации энергопотребления и обеспечения функциональной гибкости, играет решающую роль в выборе типа используемой системы.

Для помещений большой площади наиболее привлекательной представляется «штучная» система с реверсивными рабочими агрегатами прямого расширения типа «моноблок» на основе тепловых насосов. Такая система привлекательна для всех: для подрядчика, который в этом случае получает определенные гарантированные функциональные параметры; для заказчика, который существенно экономит на себестоимости и сроках строительства; наконец, для эксплуатационников, которые получают возможность немалой экономии энергоресурсов благодаря высокой тепловой и холодильной производительности системы и высокому уровню систем вентиляторов, естественному охлаждению и возможности регулировать расход наружного воздуха в зависимости от фактической заполняемости объекта. Отметим в заключение, что важную роль в обеспечении экономичности и комфорта играют конструкции воздуховодов и способ распределения воздуха.

Примечание редактора

Предлагаемое автором статьи техническое решение реализуется только в условиях мягкой и короткой зимы. При наличии на объекте централизованного (городского) теплоснабжения данное техническое решение теряет экономическую привлекательность.