Зонное регулирование микроклимата в зданиях многофункционального назначения

T.Hartman, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Системы кондиционирования с переменным расходом воздуха

Системы кондиционирования с переменным расходом воздуха своими воздухораспределителями покрывают обслуживаемые зоны, состоящие, как правило, из двух или более офисных помещений или открытых пространств, в которых может находиться пять и более человек. Средняя площадь зоны — от 50 до 75 м². Большинство зон контролируется одним датчиком температуры в помещении. По показаниям этого датчика регулируется расход приточного воздуха (и его подогрев) из воздухораспределителей в зависимости от температуры помещения, которая сравнивается с заданным значением. Регулирующие устройства воздухораспределителей изменяют расход воздуха в диапазоне, ограниченном заданными минимальным и максимальным значениями. Многие системы с переменным расходом воздуха предназначены для обеспечения постоянной температуры приточного воздуха (обычно 13 °С) или температуры, изменяющейся в очень ограниченном диапазоне (например, от 13 до 15,5 °С).

	Рисунок 1. (подробнее) Типичная конфигурация системы кондиционирования с переменным расходом воздуха, обслуживающей офисные помещения, расположенные по периметру здания
	Рисунок 2. (подробнее) Типичная конфигурация системы кондиционирования с переменным расходом воздуха, обслуживающей внутренние зоны открытого пространства

На рис. 1 и 2 показаны типичные конфигурации зон, используемые в общественных зданиях многофункционального назначения. На рис. 1 воздухораспределитель обслуживает периферийные офисные помещения, а на рис. 2 — открытые офисные пространства. На обоих рисунках регулирование расхода осуществляется по показаниям одного датчика температуры. Управление осветительными приборами может производиться по показаниям датчиков присутствия людей, посредством настенных выключателей или отдельной системы управления освещением, однако обычно эти системы полностью отделены от систем управления оборудованием климатизации (рис. 1 и 2).

При определении компоновки зон с воздухораспределителями проектировщики должны помнить, что основные жалобы людей, работающих в офисных помещениях, касаются низкого уровня климатического комфорта. Проблемы обеспечения комфорта при использовании систем с переменным расходом воздуха обострились в последнее десятилетие из-за большого разброса нагрузок и количества людей в современных зданиях. Представленные на рис. 1 и 2 примеры компоновки иллюстрируют множество проблем, отрицательно сказывающихся на условиях комфорта. Решить эти проблемы можно при использовании усовершенствованных систем управления оборудованием климатизации.

Определение места установки датчика температуры

Широко распространенной проблемой является определение места установки датчика температуры для каждого воздухораспределителя. В офисных зонах для этого обычно выбирается самое большое или наиболее типичное помещение. На открытых офисных пространствах без стационарных перегородок обычно выбирается ближайшая стена или колонна здания (рис. 2).

Использование только одного датчика температуры для нескольких офисных помещений приводит к длительным периодам неудовлетворительных комфортных условий в помещениях, в которых нет такого датчика.

Часто офисные помещения размещаются по периметру здания. Когда системы кондиционирования с переменным расходом воздуха только появились, на тепловую нагрузку помещений влияли характеристики ограждающих конструкций здания. Все офисные помещения подвергались одинаковым воздействиям, одного датчика было достаточно для регулирования условий во всех офисных помещениях, поскольку предполагалось, что из-за того, что все помещения одинаковым образом подвержены наружным климатическим воздействиям, тепловая нагрузка в них одинакова. В современных зданиях эта логика уже не работает. За последние годы были резко уменьшены теплопотери через ограждающие конструкции здания. В то время как теплопоступления от осветительных приборов и офисного оборудования также снизились (благодаря усовершенствованным локальным устройствам управления – датчикам освещенности и устройствам режима ожидания офисного оборудования), плотность людей и приборов в офисах увеличились. Кроме этого, значительно увеличился разброс внутренних нагрузок по офисным помещениям.

Представим, что в течение дня в каком-либо помещении нет людей, осветительные приборы выключены, двери и жалюзи закрыты. Датчик температуры находится именно в этом помещении (рис. 1). В таком случае, скорее всего, условия в других помещениях будут на пределе допустимых норм, и находящиеся в них люди в этот день будут жаловаться на дискомфорт, вызванный большой разницей тепловых нагрузок в этих помещениях и в помещении, в котором установлен датчик.

Размещение датчиков температуры в открытых пространствах также сопряжено с определенными проблемами. В таких пространствах ограничены возможности размещения датчиков, и часто нужный уровень контроля температуры в самих этих пространствах и/или на границах между смежными зонами не может быть обеспечен. В результате этого повышается потребление энергии и усложняется обеспечение комфортных условий.

Разобщенность системы климатизации и системы освещения

Другой проблемой является типичная для большинства зданий разобщенность системы климатизации и системы освещения. В конфигурациях, представленных на рис. 1 и 2, система освещения сразу же реагирует на присутствие или отсутствие людей в помещении. Однако (из-за значительной тепловой инерции здания и самой природы зонного контроля) помещения большой площади должны долго оставаться свободными от людей, прежде чем уменьшение расхода холода приведет к сокращению потребления электроэнергии. Это вызывает напрасную трату энергии и дискомфорт из-за температурных колебаний и разницы температуры в разных частях здания. Кроме того, не существует механизма создания комфортных условий при охлаждении только тех помещений, в которых находятся люди.

Работа системы в условиях прохладной и холодной погоды

Работа системы в условиях прохладной и холодной погоды также может быть сопряжена с трудностями создания комфортных условий. Если не применяются воздухораспределители с вентиляторами или если не используется высокий минимальный расход приточного воздуха, то в условиях низкого расхода холода часто возникает эффект падения струи. Этот эффект проявляется при недостаточно тщательном выборе воздухораспределителей для обеспечения минимального расхода воздуха и при несбалансированных потоках между воздухораспределителями. В таких условиях холодный приточный воздух плохо смешивается с комнатным воздухом из-за низкой скорости его истечения из воздухораспределителя при минимальном расходе. Без перемешивания плотный приточный воздух попадает прямо в зону дыхания людей, вызывая у них чувство дискомфорта. Даже если этого не наблюдается, из-за низкого расхода приточного воздуха он не может в достаточной степени перемешиваться с воздухом в помещении.

Таблица (подробнее) Параметры воздушного потока на воздухораспределителе для разных условий нагрузки в различных зонах здания

Разработка более эффективных зонных систем с переменным расходом воздуха

Исследования и новые технологические разработки предлагают новые направления и возможности использования зонных систем с переменным расходом воздуха. Результаты последних исследований и испытаний показывают, что эксплуатация систем с переменным расходом воздуха с минимальной температурой приточного воздуха 10 °С при регулировании этой температуры в сторону повышения (при снижении потребности в холоде) обычно обеспечивает гораздо более эффективный, в т. ч. и экономически, режим работы, чем при использовании систем, поддерживающих постоянную температуру приточного воздуха на уровне 13 °С.

Практический опыт эксплуатации, когда плохо работающие системы с переменным расходом воздуха оптимизируются для максимального повышения их эффективности в любых условиях, указывает на то, что наилучшие результаты достигаются в том случае, когда температура приточного воздуха изменяется в зависимости от расхода холода. Такая оптимизация часто приводит к тому, что температура приточного воздуха становится ниже и расход воздуха в условиях пиковой нагрузки уменьшается.

При оптимизации температура приточного воздуха обычно варьируется в пределах от 10 до 16 °С, что предусматривает регулируемую или «плавающую» температуру приточного воздуха и обеспечивает лучшие комфортные условия благодаря более интенсивной циркуляции воздуха и меньшей вероятности проявления в холодную погоду эффекта падения струи. Это ведет к более равномерному распределению температуры воздуха при любых условиях. Кроме этого, температура воздуха может быть понижена при большой влажности наружного воздуха. Наконец, в системах многих типов реализация стратегии «плавающей» температуры приточного воздуха существенно улучшает эффективность использования энергии всей системой кондиционирования.

Рассмотрим параметры зон и воздухораспределителей систем с переменным расходом воздуха.

В настоящее время параметры воздухораспределителей выбираются, как правило, исходя из единственного критерия – максимальной нагрузки в зоне при расчетной температуре приточного воздуха. Однако при регулируемой температуре приточного воздуха и оптимизированной системе управления максимальный расход воздуха может наблюдаться и не в условиях пиковой нагрузки. В табл. 1 приведены значения необходимого расхода воздуха при различных нагрузках в различных зонах здания при использовании системы с переменным расходом воздуха с регулируемой температурой приточного воздуха. Указанные значения получены в предположении одинаковых пиковых нагрузок во всех зонах. Расчет расхода основывался на оценке максимальной температуры приточного воздуха, которая может быть при различных показателях нагрузки в каждой зоне. Анализируя данные таблицы, можно заметить, что максимальный расход для южной периферийной зоны необходим при нагрузке, составляющей 70 % от максимальной, расход в этой точке приблизительно на 25 % выше, чем при максимальной нагрузке. Для внутренних зон максимальный расход на 40 % больше расхода при расчетных условиях.

При проектировании системы с регулируемой или «плавающей» температурой приточного воздуха проектировщику необходимо составить таблицы (подобные приведенной таблице) для типичных периферийных и внутренних зон. Затем он должен выбрать воздухораспределители, способные обеспечить необходимый максимальный расход для соответствующих зон. Несмотря на то, что система регулирования температуры должна формировать режим, при котором в здании всегда обеспечивается максимальный расход, в некоторых зонах здания может быть больший расход при нерасчетных условиях, когда температура приточного воздуха сдвигается в область больших значений.

Проектировщики должны также выбрать параметры воздуховодов в зонах для обеспечения и необходимого распределения потока воздуха с соответствующими параметрами при неполной нагрузке, когда температура приточного воздуха может быть выше минимальной. Если система спроектирована недостаточно тщательно и не может минимизировать высокий расход воздуха при неполной нагрузке в зонах здания, то потенциальная экономия при использовании вентилятора меньшей мощности и меньших размеров воздуховодов, допустимых при меньшей расчетной температуре приточного воздуха, может быть не достигнута.

При использовании системы с регулируемой температурой приточного воздуха особое внимание должно быть уделено системе управления заслонками воздуховодов. Регулирование заслонки приточного воздуха обычно ограничено заданием значений минимального и максимального расхода воздуха, заданное значение расхода основывается на фактической температуре в помещении (по сравнению с заданным значением температуры для каждой зоны помещения). Минимальный расход обычно основан на требованиях подачи наружного воздуха для системы вентиляции.

Однако если содержание наружного воздуха в приточном воздухе и температура самого приточного воздуха могут варьироваться, то ни эти предельные значения для расхода, ни алгоритм управления заслонкой не могут быть фиксированными. Минимальные и максимальные значения расхода для воздухораспределителя, а также параметры управления заслонкой должны постоянно вычисляться и корректироваться на основании состояния обслуживаемого помещения, процентного содержания наружного воздуха в приточном воздухе и температуры приточного воздуха. Такие вычисления и настройки могут быть легко сделаны, т. к. вся необходимая информация может быть быстро получена по сети системы управления. На рис. 3 показаны результаты расчета схемы управления заслонкой воздухораспределителя южной периферийной зоны, параметры которой представлены в таблице.

Рисунок 3. (подробнее) Управление заслонкой воздухораспределителя, основанное на эффекте «охлаждения»

На рис. 3 показано использование эффекта «охлаждения» при управлении заслонкой, заменяющее обычный алгоритм управления заслонкой с пропорциональным регулированием расхода воздуха в зависимости от отклонения температуры в помещении от заданного значения. Однако для управления заслонкой воздухораспределителя может применяться пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование (Proportional-Integrating-Derivative, PID) или другой алгоритм. Использование эффекта «охлаждения» определяет более устойчивую работу системы с переменным расходом воздуха и большую стабильность комфортных условий по всему зданию при использовании регулирования температуры приточного воздуха. Это обуславливается тем, что управление такого рода поддерживает постоянную интенсивность охлаждения в зонах регулирования, находящихся в критическом положении при изменении температуры воздуха.

Как видно на рис. 3, алгоритм управления с эффектом «охлаждения», регулирующий положение заслонки приточного воздуха в зависимости от температуры этого воздуха, таков: если все параметры в зоне остаются неизменными, то заданное значение расхода воздуха изменяется в зависимости от температуры приточного воздуха – для компенсации изменения этой температуры и для поддержания постоянного эффекта «охлаждения» зоны.

Чтобы понять, как это улучшает работу всей системы, предположим, что представленный на рис. 3 воздухораспределитель работает в помещении «А» при температуре приточного воздуха 16 °С. В случае только пропорционального управления он обеспечивает расход воздуха, соответствующий рабочей точке «В». Допустим, в какой-либо другой зоне понадобилось дополнительное охлаждение, и система с переменным расходом воздуха определяет, что для удовлетворения этой дополнительной потребности наиболее эффективным способом можно понизить температуру приточного воздуха. Если температура приточного воздуха снижается до 14 °С, то рабочая точка в зоне (рис. 3) сдвинется в положение «С». В результате этого расход воздуха в зоне немедленно снизится, а в зоне, потребовавшей дополнительного охлаждения, увеличится расход и понизится температура подаваемого воздуха. Таким образом, эта зона быстрее возвратится в свой диапазон допустимых параметров. Тем временем в остальных находящихся под контролем зонах сохранится устойчивое состояние, т. к. в них эффект «охлаждения» остается неизменным. Регулирование такого типа обеспечивает более стабильную и комфортную внутреннюю среду в помещениях.

Интеграция контроля температуры и контроля присутствия людей в помещении

Усовершенствованные системы с переменным расходом воздуха с регулируемой температурой приточного воздуха и с эффектом «охлаждения» воздухораспределителей способны повысить комфортные условия в больших зонах помещений.

Современные технологии предоставляют проектировщикам большие возможности в обеспечении повышенного комфорта в общественных зданиях многофункционального назначения. Одним из наиболее эффективных и недорогих методов усовершенствования управления воздухораспределителями является использование в помещениях нескольких датчиков температуры, которые позволяют контролировать каждый отдельный воздухораспределитель системы с переменным расходом воздуха.

Рассмотрим преимущества установки дополнительных датчиков температуры в каждой из зон, представленных на рис. 1 и 2.

На рис. 1 установка температурных датчиков в двух офисных помещениях позволяет включить эти помещения в систему управления воздухораспределителями и ведет к созданию более комфортных условий в офисных помещениях.

В открытых офисных пространствах несколько температурных датчиков также позволяют улучшить комфортные условия. В полностью занятом людьми открытом пространстве с модульным разделением и варьированием нагрузки применение нескольких температурных датчиков дает дополнительные преимущества. Часто довольно трудно разместить датчики в открытом пространстве оптимальным образом. Наличие же нескольких датчиков позволяет обеспечить более равномерное распределение комфортных условий на открытых офисных пространствах (рис. 2). Для открытого офисного пространства добавление еще одного температурного датчика на колонне здания слева может улучшить комфортные условия в этой зоне.

Однако действительные преимущества усовершенствованной техники контроля параметров микроклимата реализуются лишь в том случае, если наряду с установкой дополнительных температурных датчиков применяются устройства управления осветительными приборами и контроля присутствия людей в помещениях. Рассмотрим рис. 4 и 5, на которых показано интегрирование в систему кондиционирования с переменным расходом воздуха с зонным регулированием систем контроля присутствия людей и управления осветительными приборами. В результате вся зона разбивается на подзоны, каждая из которых имеет свои собственные средства контроля температуры, присутствия людей и управления осветительными приборами. Такие подзоны позволяют существенно повысить уровень комфорта в здании.

Рассмотрим приводимый ранее пример, в котором в большом офисном помещении нет людей (рис. 1). В конфигурации, приведенной на рис. 4, такое состояние помещения предусматривается логикой системы управления воздухораспределителями и системы управления осветительными приборами. Так, в пустом помещении не только выключаются все осветительные приборы, но и температурный датчик исключается из алгоритма обеспечения комфортных условий в зоне. В определении необходимого для этой зоны эффекта охлаждения для воздухораспределителей участвуют данные о температуре только в офисных помещениях, в которых присутствуют люди, в результате чего обеспечивается лучший уровень комфорта в помещениях с людьми. Если все три офисных помещения не заняты, минимально допустимое значение расхода на воздухораспределителе может быть понижено или вообще обнулено, в зависимости от условий. Кроме этого, эффект «охлаждения» может быть уменьшен до уровня поддержания в офисных помещениях режима «ожидания» возвращения людей.

	Рисунок 4. (подробнее) Интегрированные системы управления осветительными приборами и системы с переменным расходом воздуха с зонным регулированием в периферийных подзонах офисных помещений
	Рисунок 5. (подробнее) Интегрированные системы управления осветительными приборами и системы с переменным расходом воздуха с зонным регулированием во внутренних подзонах открытых пространств

Интегрирование системы управления осветительными приборами и системы обеспечения комфортных условий (рис. 4 и 5) может существенно повысить уровень комфорта в здании при небольших дополнительных затратах. Рассмотрим случай, когда в зоны, компоновка которых представлена на рис. 1 и 2, добавляются только температурные датчики. Допустим, что датчики присутствия людей в помещении и устройства управления осветительными приборами на схемах рис. 1 и 2 в наличии, и требуется только их переконфигурирование. Основные изменения при переходе от условий рис. 1 и 2 к условиям рис. 4 и 5 касаются замены работающих с конкретными приложениями контроллеров (с простыми и фиксированными функциями на каждом воздухораспределителе) на контроллеры программируемые, настраиваемые на приложения и позволяющие осуществлять работу системы в соответствии с количеством и разнообразием подзон. Такой переход на контроллеры с более широкими функциональными возможностями имеет решающее значение для улучшения управления в зоне.

Взаимодействие различных систем

Основным назначением взаимодействия систем на уровне зоны является предоставление более широкого выбора устройств управления в каждой зоне. Многие производители систем автоматического управления могут предложить ограниченный выбор контроллеров для зонного контроля. Ряд производителей предлагает контроллеры, работающие только с конкретным оборудованием, не обладающие гибкостью программирования для обеспечения регулирования воздушного потока с эффектом «охлаждения» или реализации нескольких подзон с интегрированной системой управления осветительными приборами. Для интеграции систем управления осветительными приборами и систем кондиционирования с переменным расходом воздуха проектировщики должны обеспечить реализацию стандартной сети связи на уровне зоны для расширения выбора устройств контроля в зоне, настраиваемых на широкий спектр приложений. Многие виды таких устройств способны работать со стандартными протоколами связи, благодаря чему они могут взаимодействовать с системами различных производителей. Такие устройства обладают возможностями гибкого программирования и имеют достаточно эффективные средства ввода-вывода для успешной реализации стратегии интегрированного контроля освещения и зонного регулирования системы с переменным расходом воздуха.

Ряд новейших устройств управления в зоне предусматривает использование специальной подсети для подключения устройств подзоны — датчиков присутствия людей. Такой подход с использованием подсети показан на рис. 6. В этом случае требуется меньшая работа по кабельной разводке. Кроме того, стоимость системы, по сравнению с представленными ранее аппаратными решениями, зависит от уровней интерфейса взаимодействия с находящимися в помещениях людьми и функций, требующихся от подсети.

Рисунок 6. (подробнее) Интегрированные системы управления осветительными приборами и системы с переменным расходом воздуха с зонным регулированием, использующие подсеть зоны

Использование подсети для подключения датчиков температуры и присутствия имеет множество преимуществ по сравнению со способом выделения на контроллере воздуховода отдельного разъема ввода-вывода для каждого устройства. Сравнение рис. 6 с рис. 4 показывает, что при использовании подсети кабельная разводка проще. Но более важно то, что имеется потенциал для дополнительных функциональных возможностей устройства. Например, подключенный к сети датчик температуры можно легко и без больших затрат оснастить клавиатурой и дисплеем, что дает возможность находящимся в помещениях людям управлять освещением независимо от датчика присутствия или задавать нужную температуру. При помощи таких подключенных к сети устройств можно выключать освещение во время презентаций, а осветительные приборы с возможностью приглушения света могут использоваться для установки уровня освещенности.

Несмотря на то, что показанные на этих рисунках примеры компоновки зон не обеспечивают индивидуальной регулировки тепловых условий в каждой подзоне, такие простые конфигурации дают возможность находящимся в здании людям задавать индивидуальные параметры теплового комфорта, которые затем учитываются логикой контроллера воздухораспределителя при установке эффекта охлаждения для зоны. Такие «предпочтительные настройки» могут в недалеком будущем задаваться при помощи подключенного к сети компьютера. Но в настоящее время реализуется схема, в которой подключенный к сети датчик температуры связан с клавиатурой и небольшим дисплеем, благодаря чему работает простой и недорогой способ эффективного управления находящимися в здании людьми системой обеспечения внутренних комфортных условий.

Затраты при интегрированном зонном регулировании

Финансовые затраты при использовании зонного регулирования системы с переменным расходом воздуха для разных зданий различаются. Удельная стоимость обычной зонной системы для офисного здания класса «А» составляет около 16 $/м². Система управления осветительными приборами добавляет к этой стоимости еще около 11 $/м². Если устройства управления системы с переменным расходом воздуха и системы управления осветительными приборами интегрированы в единую систему, имеющую конфигурацию, подобную представленной на рис. 4—6, то удельные затраты сокращаются до 5 $/м², что весьма выгодно для владельца здания для привлечения и удержания арендаторов.

Не менее привлекательным для владельцев зданий является и автономность внутри системы: решение о том, оправданы или нет производимые затраты, может производиться для каждого арендатора по отдельности или отдельно для каждой зоны, и все эти дополнительные затраты могут быть включены в стоимость аренды. Если в системе с переменным расходом воздуха реализуется стратегия регулируемой или «плавающей» температуры приточного воздуха и для управления используется сеть, основанная на признанных стандартах, то нет смысла устанавливать в каждой зоне отдельные системы управления оборудованием климатизации и освещением. Создание интегрированных систем климатизации и освещения с возможностью индивидуальной настройки требуемых значений температуры и освещенности целесообразно только там, где затраты на их применение могут быть переложены на арендаторов.

Выводы

Стратегии зонного регулирования систем с переменным расходом воздуха достаточно долгое время существовали без изменений, в силу чего эти изменения действительно назрели.

Для повышения эффективности потребления энергии и качества микроклимата в помещениях здания, а также возможности непосредственного влияния людей на условия их комфорта проектировщикам следует включать в разрабатываемые ими системы с переменным расходом воздуха возможности регулирования температуры приточного воздуха, а также использовать магистрали связи, базирующиеся на общепризнанных стандартах. Реализация системы с регулируемой температурой приточного воздуха дает возможность уменьшить размеры воздухораспределительной системы, что, в свою очередь, позволяет снизить затраты без ухудшения комфортных условий в здании или эффективности системы. Реализация системы управления на основе сети, поддерживающей общепризнанный стандарт, позволяет владельцам зданий и арендаторам выбирать наиболее подходящее им решение из постоянно расширяющегося диапазона возможностей зонного регулирования. Такое решение может включать в себя регулирование параметров микроклимата в отдельных подзонах и индивидуальную настройку предпочтительных значений параметров.

После монтажа системы проектировщик должен помочь владельцу здания и арендаторам выбрать оптимальные параметры интеграции системы управления осветительными приборами, интерфейс пользователей и схему измерения отдельных параметров микроклимата для реализации наиболее комфортных условий в каждой зоне.

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено канд. техн. наук Е. Г. Малявиной