Потолочное панельное охлаждение помещений

Paul Appleby

Преимущества использования "охлаждающих" потолков состоят в их полной бесшумности, отсутствии неприятных сквозняков, а также в чрезвычайно низких расходах на техническое обслуживание. "Охлаждающие" потолки могут нести приличную нагрузку, при этом не занимают полезное пространство и в силу того, что они понижают среднюю лучистую температуру в помещении, их применение делает возможным повышение температуры воздуха сверх пределов, допустимых при иной организации охлаждения помещения.

К примеру, чтобы создать комфорт, равный ощущаемому при температуре 24°С с использованием традиционных систем, применение "охлаждающих" потолков позволяет нагревать воздух в помещении до 25-26°С по сухому термометру в зависимости от интенсивности теплового излучения, например, солнечной радиации.

Охлаждающий лучистый поток на головы людей дает им особое ощущение свежести.

Возможность работать при более высоких температурах воздуха позволяет использовать воду довольно высокой температуры (15°С), что приводит к существенной экономии в оплате электроэнергии.

В последние годы было испытано множество систем панельного потолочного охлаждения помещений.

Среди них можно отметить панели со встроенными в перекрытие охлаждающими змеевиками труб, а также разнообразные подвесные панели, в верхней части которых запрессовывались, приваривались или крепились клипсами трубы, по которым пропускалась холодная вода (рис. 1).

Рисунок 1. Три способа устройства "охлаждающих" потолков

Один из первых патентов в этой области предусматривал даже прокладку водопровода непосредственно в конструкции потолка.

По сравнению с подвесными панелями преимущество панелей со встроенным холодным змеевиком в том, что их применение дает большую гибкость установки, хотя сами работы объективно более сложные, потому что требуют постоянного контроля качества и отработанной координации действий между участниками проекта (строительно-монтажной организацией и фирмой-установщиком).

Поскольку гарантировать оптимальную изоляцию над трубами практически невозможно, такая система в любом случае приводит к потерям холода вверх в среднем на уровне 20 % от общего потока лучистой энергии.

Ассоциация ASHRAE определила процедуру расчета "охлаждающих" потолков со встроенным змеевиком и соответствующие данные по излучению. Большая часть "охлаждающих" потолков, установленных в последние тридцать лет, относится к категории подвесных панелей, как правило, алюминиевых.

Иногда такой панели придают свойства звукопоглощения путем укладки в верхней части панели перфорированных шумопоглощающих листов либо монтируя саму панель на некотором расстоянии от потолочного перекрытия и заполняя прослоек звукопоглощающей изоляцией.

В последнем случае охлаждение, создаваемое кверху от панели, играет важную роль для общих характеристик излучающего потолка, у которого передача тепла оказывается поделенной поровну между излучением и конвенцией. Кстати, последнюю можно свести к минимуму, если как следует расширить верхний изолирующий слой.

Шаг прокладки труб в панелях составляет, как правило, от 90 до 800 мм.

С помощью таких систем можно также обеспечивать отопление помещений, если пустить по трубам некоторых панелей горячую воду таким образом, чтобы можно было одновременно иметь в системе и горячую, и холодную воду, и/или полностью переключать панели с хладоносителя на теплоноситель.

Частичная коммутация панелей в межсезонный период в сочетании с полной коммутацией в периоды, когда стоит более холодная погода, представляется целесообразной в зданиях, где наблюдается четкая дифференциация нагрузки.

Примером такой дифференциации могут служить периметральная и внутренняя зоны здания. Для периметральных требуется отопление или охлаждение по сезону, а для внутренних - охлаждение в течение года. Пропускаемая в панелях вода должна обязательно иметь температуру выше точки росы для окружающего их воздуха. Ассоциация ASHRAE рекомендует, чтобы температура воды на входе в панели была, по крайней мере, на 1,5°С выше точки росы в целях предохранения от возможных колебаний температуры, вызываемых блоками управления.

Такая мера предосторожности особенно необходима для предотвращения ущерба, который может нанести конденсация на поверхности панелей.

Следует учитывать, что сопротивление теплопередаче гладких труб, пропущенных в панелях, существенно ниже, чем ребристых труб, которыми оснащаются, к примеру, калориферы. В результате температура поверхности панели очень близка к температуре циркулирующей по трубам воды.

Задача поддержания влажности внутреннего воздуха, как и в традиционной системе, возлагается на систему приточной вентиляции.

Установка может работать полностью на наружном воздухе либо на смеси с рециркуляционным, в зависимости от того, достаточна ли масса наружного воздуха, чтобы обеспечить требуемую нагрузку. Обычно панели рассчитываются по типоразмеру и организуются в систему в соответствии с данными о колебаниях нагрузки, обусловленных изменениями заполняемости помещений и/или интенсивностью солнечного излучения. А вот температура первичного воздуха может изменяться в зависимости от внешней температуры при подаче на периметральные участки (рис. 2) или поддерживаться на постоянном уровне при распределении во внутренних участках.

Рисунок 2. Схема распределения воды в системе потолочного охлаждения с указанием системы управления и зональной защиты от конденсата

При определении кривой изменения температуры подаваемого первичного воздуха нужно обязательно, чтобы точка росы воздуха помещения не превышала температуру поверхности панелей. Одним из способов гашения колебаний периметральной нагрузки является установка воздухонагревателей (на которые, к примеру, можно подавать тепло, рекуперированное на конденсаторах холодильного оборудования) в воздуховодах первичного воздуха, направляемого на участки с однородным солнечным излучением. Управление такими воздухонагревателями может быть организовано посредством датчиков солнечного излучения.

Первичный воздух (расход которого, как правило, составляет двухкратный воздухообмен помещений в час) должен распределяться равномерно по всем помещениям таким образом, чтобы равномерно ассимилировать загрязняющие вещества, накапливающиеся в воздухе (табачный дым, различного рода запахи и пр.).

На первичный воздух возлагается также задача регулирования относительной влажности воздуха в помещении. Таким образом, при незначительных задействованных расходах воздуха не существует риска генерации шума и образования сквозняков. Воздухораспределители первичного воздуха и осветительное оборудование, как правило, можно легко установить в большинстве стандартных модулей "охлаждающих" панелей, хотя надо признать, что тепло ламп освещения отрицательно влияет на характеристики "охлаждающих" потолков. Подвесной потолок нельзя использовать в качестве воздушного короба, из которого забирается воздух для охлаждения осветительного оборудования, поскольку это серьезно ухудшает рабочие характеристики излучающих панелей.

Такие панели можно применять в сочетании с любыми инженерными системами поддержания микроклимата при условии, что они в состоянии гарантировать нормальное регулирование относительной влажности воздуха в помещении. Для этой цели не подходят системы с регулируемым расходом первичного воздуха, системы, получающие воздух из автономного кондиционера, либо такие, где воздухоохладитель с прямым кипением хладона регулируется путем включения и выключения компрессора.

В Скандинавских странах охлаждающие потолочные панели применяются в сочетании с системами, предусматривающими подачу первичного воздуха для распространения снизу в целях оптимизации комфорта пользователей.

Пути перемещения воздуха и температурные градиенты достаточно сложны. Однако, накопленный в Скандинавских странах опыт показывает, что оптимальным для вытяжных устройств является размещение на уровне примерно 500 мм от потолка, тогда отвода нагрузки, обусловленной осветительным оборудованием, не происходит. В противном случае порождается рост конвективной нагрузки в соответствии с площадью осветительной панели, что, в свою очередь, сокращает количество холода, который можно было использовать в целях охлаждения обслуживаемого помещения.

Проектирование, функционирование и наладка

Хотя температура (по сухому термометру), которую можно обеспечивать, оказывается выше, чем температура, получаемая при традиционных системах, относительная влажность не должна быть выше 45 %, чтобы точка росы оставалась не выше 11-12°С. Это означает, что температура охлажденной воды, пропускаемой через панели, не должна быть ниже, чем 12+1,5=13,5°С. Рабочая разность температуры воды внутри панелей не должна превышать 2-4°С, чтобы сохранять на приемлемом однородном уровне температуру поверхности самих панелей. Принимая при проектировании малые разности температуры, можно компенсировать той же распределительной сетью последующее расширение помещения с ростом нагрузки до 80 % путем простого добавления панелей и повышением до необходимого уровня разности температуры воды (естественно, при условии, что холодильный агрегат имеет достаточный запас мощности).

Скорость прохождения воды через панели должна быть достаточно высокой, чтобы увеличивать до необходимого уровня коэффициент теплообмена, но не создавать шума, чтобы люди в помещении не слышали гула воды. Оптимальной может считаться скорость порядка 0,3-0,6 м/с.

Чтобы обеспечить увязку гидравлических контуров, необходимо широкое применение измерительных датчиков. Использование резьбовых муфт следует ограничить в целях минимизации риска потерь нагрузки. Вместо резьбовых муфт рекомендуется применять сварные соединения. По этой же причине рекомендуется не устанавливать автоматические воздухоотводчики, а протяженные горизонтальные участки трубопроводов обязательно оборудовать всеми возможными средствами компенсации теплового удлинения. Каждый участок должен быть оснащен отдельным змеевиком, работа которого будет регулироваться посредством датчика температуры воздуха в помещении (рис. 2). Скорость срабатывания зависит главным образом от протяженности трубопровода, но в любом случае будет низкой и недостаточной, чтобы эффективно компенсировать резкие колебания нагрузки. Система пропорционального контроля с широким диапазоном может обеспечивать максимальную устойчивость даже при значительных скачках тепловой нагрузки. При использовании двухходовых клапанов при зональной регулировке для эффективной компенсации колебаний мощности необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности. Таковой, к примеру, является установка клапанов на байпасе для ограничения статического давления или (даже лучше) использование насосов с регулируемым приводом, управляемым инвертором, который, в свою очередь, активируется регулирующим прессостатом.

Вода, подаваемая на панели, - это вода из воздухоохладителей узла обработки первичного воздуха. По этой причине следует внимательно следить и пропорционально-интегральным образом регулировать ее расход и температуру. В частности, каждое непредусмотренное повышение точки росы воздуха в помещении следует снимать и использовать для изменения температуры воды, подаваемой на панели. Датчики точки росы следует размещать с максимальной осторожностью: если число обслуживаемых помещений невелико, можно, скорей всего, установить один такой датчик там, где предполагается, что относительная влажность будет наиболее высокой, либо один датчик в общем вытяжном канале. В системах, обслуживающих большое число помещений, или когда определить помещение с наибольшей относительной влажностью представляется невозможным, потребуется несколько датчиков, и с помощью селектора сигналов срабатывания возможно управлять регулятором, который будет изменять температуру воды по показаниям датчика, снимающего наивысший на тот момент показатель относительной влажности.

Воздухораспределители первичного воздуха надо выбирать и устанавливать с таким расчетом, чтобы обеспечивать оптимальные условия перемешивания поступающего воздуха с воздухом помещения, а также чтобы максимально эффективно ассимилировать загрязняющие вещества, накапливающиеся в помещениях.

Использование охлаждающего потолка делает возможным существенно экономить на эксплуатационных расходах и высвобождать значительные площади для иного применения. Кроме того, такие системы обеспечивают хорошие возможности регулирования средней радиационной температуры в помещении, минимизируют риск образования холодных потоков воздуха и практически бесшумны. Несмотря на это, они не получили еще достаточно широкого распространения в силу существующих архитектурных требований, касающихся внешнего вида потолков, а также известной боязни (главным образом, у пользователей), внушаемой водяной массой, пропускаемой по потолку.

Последнее обстоятельство остается, пожалуй, наиболее актуальным из-за высокой плотности электронных устройств, установленных в современных административных помещениях. Использование охлаждающих панелей представляется интересным при реконструкции старой застройки: перед подрядчиком всегда оказывается целый ряд ограничений в том, что касается площадей и пространства, отводимых для организации системы поддержания микроклимата здания, когда зачастую инвестор не согласен на сокращение полезной площади.

Такие системы можно считать идеальными во всех случаях, когда имеются узко локализованные латентные нагрузки, например, в ресторанах.

Возможность использования холодной воды относительно высокой температуры для охлаждения, а также горячей воды умеренной температуры для отопления создает отличные предпосылки для применения систем подготовки теплоносителя в системах с рекуперацией тепла. В межсезонный период может оказаться эффективной подача в панели воды от "сухой градирни", то есть применение свободного охлаждения (free cooling). Единственное, на что надо обращать внимание в этих случаях, - наличие "сухой градирни" с замкнутым контуром, поскольку при использовании воды из открытой градирни существенно повышается риск загрязнения трубопроводов, проложенных в панелях.

Из опыта эксплуатации

Один из наиболее свежих примеров применения систем климатизации на основе "охлаждающих" потолков - инженерные системы здания компании Courage Brewers (одного из самых известных в Великобритании производителей пива), расположенного в центре города Стейн в графстве Мидлсекс (Великобритания). Здание четырехэтажное. Для размещения элементов системы климатизации в подшивном потолке вместо необходимых для воздушных систем 600 мм выделили всего 200 мм.

Кроме того, было поставлено требование ничем не загромождать (воздуховодами или фэнкойлами) периметральные стены, где отопление обеспечивалось трубопроводом, проложенным под полом.

Проблема была решена путем монтажа охлаждающих потолков Flakt, которые обеспечили ассимиляцию значительной охлаждающей нагрузки в административных помещениях, кабинетах руководства и транзитных участках. Распределение первичного воздуха было по воздуховодам овального сечения с подачей через потолочные воздухораспределители. Были использованы алюминиевые панели, оснащенные медными трубами, запрессованными фабричным способом прямо в панели. Запрессовка производилась на фабрике в целях максимального облегчения подсоединения панелей к имеющейся в здании системе распределения охлажденной воды. Большинство панелей, установленных на расстоянии 20 мм друг от друга, имеют ширину 180 мм и являются однотрубными или двухтрубными. Наряду с излучающими панелями были смонтированы фальшпанели без труб, выполняющие декоративные функции. Панели без труб имеют поверхность, слегка отличную от активных панелей, это сделано для того, чтобы обозначить участки возможной установки межкомнатных перегородок.

Каждый самостоятельный участок отдельно подсоединен к двухтрубной системе распределения, где в свою очередь расход регулируется посредством трехходового клапана-девиатора, контролируемого потолочным термостатом. Панели имеют матовую поверхность в целях интенсификации лучистого потока.

Предусмотренные нагрузки по охлаждению составляют 70-90 Вт/м², включая некоторые тепловыделения, обусловленные работой офисной аппаратуры. Основные фасады здания имеют большие остекленные поверхности по оси cевер-юг, при этом южный фасад оборудован наружными солнцезащитными устройствами типа жалюзи.

Внутри здание поделено на три периметральные и внутренние зоны, разбитые по потребности и образующие отдельные кабинеты и административные помещения типа open-space. Температура воды, подаваемой в панели, составляет 15°С, что позволяет избежать образования конденсата при температуре воздуха в помещении ниже 24°С по сухому термометру при 60 % относительной влажности воздуха. Использование охлаждающих панелей позволяет, кроме того, обеспечивать эффективное прямое охлаждение людей на транзитных участках внутри атриума, предотвращая нагрев, обусловленный солнечным излучением, и температурную стратификацию, свойственную участкам с обширным остеклением.

Температура подаваемого первичного воздуха изменяется в зависимости от разницы наружной и внутренней температур.

В заключение можно отметить, что на Скандинавском полуострове системы такого типа получают распространение главным образом в помещениях с низкими потолками, где генерируются значительные теплоизбытки и предъявляются высокие требования по уровню шума.

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено Е. Г. Малявиной, тел. (095) 188-3607.