Рациональное кондиционирование и вентиляция зданий.

Без рубрики

После того, как приборами учета будет оснащено большинство жилых и общественных зданий, т.е. вопрос учёта энергопотребления будет решён, станет ключевой вопрос собственно энергосбережения – повышение эффективности использования тепловой энергии. Здесь можно говорить о различных аспектах – это вопросы улучшения теплозащиты здания, применения новых строительных и теплоизоляционных материалов, вопросы терморегулирования, наладки и согласования автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов и т.д., что, несомненно, важно. Однако создание не только комфортных, а просто нормальных условий в жилых, общественных и промышленных зданиях невозможно без обеспечения требуемого воздухообмена.

Вместе с тем, широкое применение современных воздухонепроницаемых строительных материалов и, не в последнюю очередь, новых герметичных окон, вызывает необходимость применения приточно–вытяжных систем механической вентиляции жилых помещений. При применении окон с высокими звуко- и теплозащитными свойствами естественного воздухообмена, обусловленного щелями и неплотностями, недостаточно для обеспечения здорового микроклимата в помещении.

Современная конструкция окон с многослойным стеклопакетом и двойным уплотнением обеспечивает воздухообмен около 0,2 1/ч. По санитарно–гигиеническим соображениям минимальный воздухообмен должен составлять 0,5…0,8 1/ч, в соответствии с МГСН 3.01.96 количество воздуха, удаляемого из жилого помещения, должно быть не менее 30 куб.м/ч на человека, то есть за два часа воздух в помещении должен полностью обновляться.

Семья из четырех человек выделяет в день около 10…15 л влаги (ванна, душ, кухня, дыхание и физическая деятельность). Эта влага должна быть удалена из помещения. В противном случае она сконденсируется на стенах, за шкафами и в углах помещения, разовьется грибок и т. д.

К этому добавляются вредные выделения из мебели, пластмасс, ковров, стеновых панелей, чистящих средств, табака и т. д., которые могут являться аллергенами.

Даже когда учтены все вредные выделения, влияющие на качество воздуха, определяющим все равно остается содержание СО2. Отработанный воздух характеризуется в первую очередь не пониженным содержанием кислорода, а повышенным содержанием СO2. Переизбыток СО2 в воздухе приводит к повышению утомляемости, проблемами с концентрацией внимания, головным болям. В любом случае, объемное содержание СО2 не должно превышать 0,1%. Содержание СО2 в закрытом (герметичном) помещении площадью 20 кв.м, в котором находятся два человека, уже через полчаса существенно повышается и ухудшает самочувствие людей. Для промышленных зданий вопрос необходимости применения приточно–вытяжных систем механической вентиляции ставится редко, так как наличие технологических выбросов в помещениях уже сделало такие системы повсеместно распространёнными.

Естественное проветривание через окна не дает удовлетворительного решения проблемы, поскольку зависит от многих случайных факторов. В зависимости от погоды, силы и направления ветра воздухообмен в помещении может быть то недостаточным, то слишком большим (до 3…4 1/ч), а это в течение отопительного периода приводит к увеличению теплопотерь.

В перспективе следует ожидать постоянного ужесточения требований к теплоизоляции строительных конструкций, как это происходит в большинстве экономически развитых стран с аналогичным климатом, например, в Германии, при этом неконтролируемое проникновение воздуха через окна станет практически невозможным, поэтому для проветривания помещений потребуется применение приточно–вытяжных систем механической вентиляции. СНиП 2.08.01–89 допускает применение таких систем (с подогревом наружного воздуха) в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) ниже – 40 град. МГСН 3.01.96 также допускает устройство систем приточно–вытяжной вентиляции или кондиционирования воздуха (забегая вперёд, добавим, что при этом настоятельно рекомендуется предусматривать утилизацию теплоты или холода вытяжного воздуха).

Из этого следует, что проветривание системами механической вентиляции всё более выходит на повестку дня и их применение всё чаще становится неизбежным. К сожалению, отношение к ним остаётся достаточно пренебрежительным – что–то там вертится, гудит, и всё в порядке – есть вентиляция. При этом обеспечение санитарно–гигиенических норм, т.е. главной её задачи, редко кого–то волнует, кроме самих жильцов (или работников). В ход опять идут открытые окна и форточки, следовательно, дополнительные теплопотери. Подсчитано, что не менее 30% тепла, необходимого для отопления зданий в холодный период, пропадает вместе с воздухом, уходящим через систему вентиляции.

В условиях российского климата это весьма серьезные потери. Например, в наших широтах для офиса площадью 1200 кв.м (высота потолка 2,75 м, кратность воздухообмена 3, рабочий день 8 ч) они составляют более 90 тыс. кВт·ч в год, т.е около 75 руб/год на 1 кв.м офисной площади. Для жилых помещений, в которых воздухообмен необходимо поддерживать 24 часа в сутки, расходы ещё выше – порядка 360 руб./год на 1 кв.м (при тарифе 1 руб. за 1 кВт·ч). К этому можно добавить летние затраты на охлаждение воздуха.

Главными принципами рационального применения кондиционирования и вентиляции зданий являются следующие:
— обеспечение санитарно–гигиенических условий за счёт требуемого воздухообмена;
— сокращение расхода энергии;
— доступность и надежность технических средств, удобство в эксплуатации и безотказность работы.

Для создания комфортного микроклимата в помещениях различного типа и назначения наружный воздух должен пройти обработку в агрегате для вентиляции и кондиционирования воздуха. Как правило, такая обработка сопровождается расходами большого количества теплоты и электроэнергии.

Однако существует возможность снижения таких затрат. Наиболее перспективный путь в этом направлении – рекуперация, т.е. обработка поступающего в помещения воздуха (нагрев или охлаждение) утилизированным теплом (холодом) удаляемого отработанного воздуха. выпускаемое производителями оборудование для вентиляции и кондиционирования воздуха по запросу клиента оснащается блоками, позволяющими повторно использовать часть энергии, затраченной ранее на обработку находящегося в помещении воздуха. Использование в системе вентиляции, например, роторного теплообменника позволяет сократить эти энергозатраты в среднем на 75%.

Простая рециркуляция, представляющая собой смешение части удаляемого воздуха с приточным, в большинстве случаев не гарантирует высокое качество приточного воздуха. Запахи и вредные примеси, находящиеся в удаляемом воздухе, неизбежно попадают обратно в обслуживаемые помещения. В ряде случаев это недопустимо. В центральных кондиционерах используются более эффективные типы рекуператоров, причём самые разнообразные: пластинчатые, перекрестноточные, из алюминиевого сплава или нержавеющей стали, вращающиеся теплообменники, а также теплообменники с фиксированными или поворотными тепловыми трубами для работы зимой или летом. Существуют также системы рекуперации с двумя теплообменниками (с промежуточным теплоносителем), устанавливаемые внутри кондиционера или снаружи для выполнения специальных проектных задач.

Пластинчатые рекуператоры – выполняются из алюминиевых пластин. Устанавливаются в собственной секции с фильтрами на каждой линии и имеют алюминиевый дренажный поддон. Секция может иметь рециркуляционный воздушный клапан для работы в режиме трёхходовой смесительной камеры. Обводной воздушный клапан пластинчатого рекуператора позволяет обеспечить режим свободного охлаждения.

Вращающийся регенератор имеет вращающийся регенерационный барабан с приводом и электрическим концевиком. Насадка барабана обеспечивает передачу ощутимого тепла. Барабан из гигроскопичного алюминия передает ощутимое тепло и скрытое тепло парообразования.

Рекуператоры с тепловыми трубами – выполняются из медно–алюминиевых труб с замкнутым контуром, заполненным хладагентом (гликолем, например).

Перекрестноточный рекуперативный теплообменник изготавливается из алюминиевых листов с поперечными ребрами, между которыми протекают полностью разделенные два воздушных потока. Воздушный клапан обводного канала (байпас) позволяет направлять поток холодного воздуха или его часть мимо теплообменника в случае возникновения угрозы его обледенения. Каждый блок имеет поддон для сбора и систему сифонов для отвода конденсата, который может выпадать при определенных режимах работы. Температурная эффективность использования такого типа теплообменников может достигать 70%.

Вращающийся теплообменник (регенератор) имеет более высокую эффективность, которая может достигать 80%, однако следует помнить, что в нем возможны перетоки до 4% вытяжного воздуха в приточный или наоборот. Ротор теплообменника заполнен уложенными по кругу листами гладкой и волнообразной алюминиевой фольги. Регулировка работы такого агрегата осуществляется с помощью скорости вращения ротора, которая может изменяться от 0,5 до 12 оборотов в минуту. При угрозе обмерзания происходит снижение числа оборотов.

Теплоутилизация с помощью гликолевого контура позволяет разнести на значительное расстояние приточный и вытяжной блоки системы. При помощи труб и элементов обвязки соединяются два теплообменника. Один, установленный на стороне удаляемого воздуха, производит отбор теплоты, другой, расположенный в приточной части, нагревает воздух. Между двумя теплообменниками при помощи специального насоса циркулирует промежуточный теплоноситель – 35%–ый водяной раствор этиленгликоля. Эффективность утилизации тепла такого типа доходит до 55%.

Конечно, оснащение установок для вентиляции и кондиционирования воздуха блоками теплоутилизации несколько увеличивает их стоимость. Но расчеты показывают, что такие разовые затраты быстро окупаются. Помимо стоимости самого оборудования в смету затрат на вентиляцию и кондиционирование входят стоимость монтажных работ, затраты на покупку вспомогательного оборудования, источников теплоты и холода. Эксплуатационные расходы также возрастают. Поэтому для оценки срока окупаемости дополнительных затрат на систему теплоутилизации требуется учесть все факторы.

В климатических условиях юга Западной Сибири при расчётных годовых потерях энергии на догрев и охлаждение приточного воздуха 104018 кВт·ч для офисных и 541093 кВт·ч для жилых помещений срок окупаемости роторного теплообменника, используемого на приточно–вытяжной установке производительностью 10000 куб.м/ч, работающей в офисных и жилых помещениях, может составить от 6,2 месяцев (при электродогреве) до 13 месяцев (при водяном догреве) в жилых помещениях, в офисных – соответственно, от 20 до 66 месяцев. Безусловно, более экономично использовать для догрева воздуха водяной калорифер, но в городских условиях далеко не всегда можно получить разрешение на использование горячей воды. К тому же ее температура зачастую нестабильна, и, чтобы обеспечить необходимый нагрев воздуха, приходится догревать воду не самым рациональным образом, что делает утилизацию тепла более целесообразной.

Стоимость установки роторного регенератора составляет около 25% от стоимости приточно–вытяжной установки. Если она закладывается в процессе строительства здания, то мощность системы отопления можно сократить приблизительно на 20%. Иными словами, использование оборудования меньшей мощности даёт экономию на снижении количества отопительных приборов, уменьшении мощности насосного оборудования и т. д.

Кроме того, серьёзным подспорьем всё более широкого применения рекуперации в офисных помещениях столичных городов (Москва, С–Петербург) является высокая стоимость офисных площадей в плотно застроенных центральных городских районах при одновременном практическом отсутствии возможности получения согласования на подключение дополнительных тепловых мощностей из–за их острого дефицита. В таких случаях проекты, связанные с использованием теплоутилизаторов и, следовательно, предоставления дополнительных арендных офисных площадей имеют весьма высокую экономическую привлекательность, и их сроки окупаемости составляют обычно несколько месяцев.

Но даже в самом худшем случае окупаемость рекуператора в городах наиболее густонаселенных районов страны составляет около 6 лет. Учитывая перспективы неизбежного роста цен на энергоносители, можно предположить, что в реальности он сократится, как минимум, в полтора раза, то есть не превысит 3,5…4 года. Принимая во внимание, что срок службы оснащенных рекуператорами приточно–вытяжных установок известных мировых производителей составляет порядка 20…25 лет, то в течение полутора–двух десятков лет роторный теплообменник будет приносить ощутимую прибыль. Нетрудно подсчитать, что он окупит не только свое использование, но и всю систему приточно–вытяжной вентиляции, а в случае с жильём обеспечит чистую прибыль.

При этом построение энергосберегающих систем является приоритетным направлением нашей работы, поскольку они приносят прямую выгоду за счёт снижения потребления энергоресурсов. Для климатических условий Сибири немаловажно, чтобы эти системы круглосуточно обеспечивали столь значимую для сохранения здоровья людей и их трудовой активности экологически благоприятную обстановку внутри помещений, лучшим способом чего является внедрение современных систем вентиляции и кондиционирования, обеспечивающим наряду со стабильной работой минимальные затраты на обслуживание.

При проектировании и монтаже вентиляции мы особое внимание уделяем движению потоков воздуха для эффективного воздухообмена, а также защиты сотрудников от инфекционно–вирусных заболеваний, распространяемых воздушным путём. В больницах воздушные потоки поддерживают стерильность в операционных. Важное значение имеют шумовые характеристики вентиляционных систем не только в слышимом диапазоне, но и в инфразвуковом, с которыми нам приходится бороться.

Такой наш подход, связанный с применением систем вентиляции, построенных на регенерации тепла, вызывает подчас удивление – как может работать вентиляционная система, производительностью 10000 куб.м/час при температуре наружного воздуха -35 град. и ниже без потребления горячей воды? Складывается впечатление, что существует незаконная врезка в систему отопления, или происходит колоссальное потребление электроэнергии. Однако ни тот, ни другой вариант в нашем случае не имеет места, а незначительный расход энергии на вращение ротора вряд ли стоит принимать во внимание!