Выбор энергоэффективных систем кондиционирования воздуха офисных зданий

А. А. Наумов, главный инженер ООО «НПО ТЕРМЭК»

В зависимости от объемно-планировочных решений и характера тепловых нагрузок, современные системы кондиционирования воздуха можно разделить на три основных группы по схемным решениям: центральные, зональные и местно-центральные (см. рисунки), и на две по способу воздухораспределения: перемешивающие и вытесняющие.

Одна из задач проектирования современного офисного здания состоит в определении возможного теплового режима при различных мерах его обеспечения и в выборе экономически целесообразного варианта, поддерживающего оптимальный воздушно-тепловой режим всех помещений с учетом коэффициента обеспеченности.

Выбор системы кондиционирования воздуха в здании должен проводиться на основании тщательно проработанного технического задания.

В задании содержатся конкретные требования в отношении микроклимата (тепловая комфортность, минимальное количество наружного воздуха и подвижность воздуха в обслуживаемом помещении, уровень шума и другие параметры, имеющие значение в контексте целевого назначения каждого помещения).

При этом необходимо принять во внимание желательный срок службы системы, произвести оценку будущих затрат на обслуживание и эксплуатацию. Также нельзя пренебречь эстетическими требованиями дизайнера, заказчика и пользователя.

Архитектура здания и его планировка имеют непосредственное влияние на выбор системы кондиционирования воздуха. Наряду с климатическими характеристиками они являются исходными данными для определения наружных теплопоступ-лений, значительную долю которых в теплый период года составляет солнечная радиация.

Рисунок 1. Система центрального кондиционирования воздуха

Очевидно, что конструктивные мероприятия по солнцезащите способны в значительной степени снизить нагрузку на систему кондиционирования воздуха.

Суточная периодичность солнечной радиации приводит к нестационарности всех процессов теплообмена в каждом помещении. Это обстоятельство следует учитывать при определении наружных теплопоступлений.

Представляется целесообразным индивидуальное или зональное регулирование систем кондиционирования воздуха, что достигается применением местно-центральных систем с вентиляторными конвекторами (фэнкойлами или сплит-системами).

Вентиляторные конвекторы имеют возможность индивидуального регулирования температуры воздуха, достаточную мощность для быстрого нагрева или охлаждения помещения и низкие энергозатраты.

Однако при этих достоинствах есть существенный недостаток – высокая скорость движения воздуха и недопустимо низкая (при охлаждении) температура в воздушной струе на входе в обслуживаемую зону. Поэтому при проектировании вентиляторные конвекторы следует размещать в помещении таким образом, чтобы в зоне их непосредственного воздействия не находились постоянные рабочие места.

Одним из существенных показателей при выборе схемных решений системы кондиционирования воздуха является неравномерность распределения тепловых нагрузок по обслуживаемым помещениям.

Неравномерность нагрузок можно характеризовать понятием «градиент тепловой нагрузки», величина которого определяется отношением относительной тепловой нагрузки отдельных помещений qi к средней расчетной по всей площади здания, обслуживаемой системой кондиционирования воздуха qср:

Dq = q_i / q_ср, (1)

где q_ср = SQ_i / SF_i , (2)

q_i = Q_i / F_i . (3)

Очевидно, что чем больше отклонения значений градиентов от единицы, тем большими регулирующими возможностями должна обладать система кондиционирования воздуха.

Следует также учитывать, что величина градиента в общем случае меняется во времени, например, в зависимости от инсоляции.

Важным показателем является заданная допустимая величина неравномерности температуры воздуха по обслуживаемым помещениям здания – DТ, которую можно выразить через градиент тепловой нагрузки:

DТ = t_пр(l_i / l_ср • Dq – 1), (4)

где l_i = L_i / F_i , (5)

l_ср = SL_i / SF_i , (6)

t_пр – температура приточного воздуха, °С;

l_i и l_cp – относительный расход приточного воздуха соответственно в рассматриваемом помещении и средний по кондиционируемым помещениям здания, м³/ч•м².

В большинстве случаев в офисных зданиях величина неравномерности температуры DТ задается в диапазоне от 1 до 1,5 °С.

Одной из наиболее сложных проблем представляется раздача приточного воздуха по обслуживаемому помещению. Перепад между температурой приточного воздуха t_пр для ассимиляции теплоизбытков, равных 60 Вт/м², при удельном расходе наружного приточного воздуха 15 м³/ч•м² и температурой в обслуживаемой зоне составляет не менее 12 °С.

Очевидно, что при этом затруднительно выполнить требование СНиП, ограничивающее допустимое отклонение температуры воздуха в струе от нормируемой температуры воздуха в обслуживаемой зоне 1 °С в зоне прямого воздействия струи и 1,5 °С вне этой зоны.

Рисунок 2. Система центрального кондиционирования воздуха с местным доводчиком

Температуру приточного воздуха можно повысить, используя рециркуляцию, однако, учитывая рост энергетических затрат при увеличении воздухообмена свыше санитарной нормы, а также санитарно-гигиенические ограничения применения рециркуляции воздуха, регулирующие возможности воздухообмена невелики.

Решив обратную задачу, можно определить удельную тепловую нагрузку, при которой система центрального кондиционирования воздуха обеспечит оптимальные параметры микроклимата обслуживаемого помещения без применения рециркуляции.

Для перепада между температурой приточного воздуха и температурой воздуха в обслуживаемой зоне помещения в 5 °С q = 25 Вт/м².

Как правило, такая холодильная нагрузка не может обеспечить компенсацию тепловыделений от людей, освещения и оргтехники в офисных помещениях при величине воздухообмена, соответствующей санитарной норме, что приводит к необходимости применения дополнительных мер: рециркуляции воздуха, установки фэнкойлов, VRF или сплит-систем.

В ряде случаев возможно увеличение перепада температуры приточного воздуха и воздуха в обслуживаемой зоне помещения при условии входа приточной струи вне зоны постоянного пребывания людей.

Анализ ряда проектов систем кондиционирования воздуха позволяет сделать следующие выводы:

1. Регулирующие возможности системы центрального кондиционирования воздуха ограничены величиной градиента тепловой нагрузки от 0,8 до 1,2 при заданной неравномерности температуры воздуха в помещении DТ = ±1 °С и величиной 0,7–1,3 для неравномерности температуры ±1,5 °С, при этом средняя удельная тепловая нагрузка не должна превышать 25–30 Вт/м². Увеличение регулирующих возможностей системы кондиционирования воздуха можно обеспечить увеличением воздухообмена, в том числе рециркуляционного.

2. Если отдельные помещения имеют большое отличие по показателю теплового градиента либо удельная тепловая нагрузка превышает 40 Вт/м², то следует наряду с системой центрального кондиционирования воздуха установить в них локальные системы охлаждения (фэнкойлы, VRF или сплит-системы).

3. Если помещения можно конструктивно сгруппировать в зоны с близкими показателями градиента тепловых нагрузок, целесообразно рассмотреть возможность применения зональной местно-центральной схемы кондиционирования воздуха.

Этот же вариант, как правило, проектируется по этапной системе строительства «шел энд кор» («Shall & Corr»), т. е. когда строится коробка здания со всеми центральными системами, а затем отдельными фрагментами продается или сдается в аренду.

Затем под индивидуальные проекты внутреннего дизайна проектируются внутренние инженерные системы (разводка воздуховодов, фэнкойлы и т. д.) – «фит офф».

Такая схема позволяет вводить в эксплуатацию отдельные этажи и зоны офисных зданий независимо друг от друга.

Несколько практических примеров. ООО «НПО ТЕРМЭК» было привлечено для экспертизы решений системы кондиционирования воздуха офисного здания в центре Москвы.

Американскими специалистами была запроектирована 2-зональная система кондиционирования воздуха пофасадной ориентации – общая система вентиляции и холодильные машины равной производительности на каждую из зон. Градиенты тепловых нагрузок в пределах каждой из зон находились в диапазоне 0,85–1,15, и с этой точки зрения решение представляется правильным. Ошибка была допущена в недооценке градиента между зонами. Другими словами, следовало на зону южной ориентации установить холодильную машину примерно в 1,5 раза большей производительности.

Одна из московских фирм выполнила реконструкцию этой системы, установив дополнительную систему кондиционирования воздуха для южной зоны, при этом увеличив воздухообмен по наружному воздуху сверх санитарной нормы втрое и установив дополнительную холодильную машину.

В итоге летом в помещениях южной ориентации внутренняя температура не снизилась, а возросла на 2–3 °С, а зимой увеличился расход тепла на нагрев приточного воздуха примерно вдвое. Ошибка состояла в том, что, увеличив холодопроизводительность, не следовало увеличивать количество приточного воздуха.

Рисунок 3. Зональная система кондиционирования воздуха

Мощность холодильной машины позволяла пере-охлаждать приточный воздух на 4–5 °С, что при температуре наружного воздуха 30–32 °С было явно недостаточно. Другими словами, в этих условиях дополнительная система кондиционирования воздуха вносила в помещение избыточное тепло. Другой пример. Здания, запроектированные на стадии «Shall & Corr» на среднюю удельную нагрузку по холоду 90 Вт/м², были сданы в аренду небольшими помещениями фирмам с различным уровнем внутренних тепловыделений по зонам. В итоге градиент нагрузок по отдельным зонам составил от 0,4 до 2,0, что привело к необеспеченности расчетных внутренних условий примерно на 20 % арендных площадей. Ошибок можно было бы избежать, если на стадии рас-пределения арендных помещений принимать во внимание градиент нагрузок и использовать принцип зонирования помещений по удельным холодильным нагрузкам.

За последние годы ООО «НПО ТЕРМЭК» был запроектирован целый комплекс офисных и многофункциональных зданий общей площадью более 1 млн м², в том числе: офисные здания класса «А» в Зачатьевском, Обыденском, Филипповском, Никитском переулках, на ул. Лубянка, Тверская, 12, Тверская, 22 (Филипп Моррис и пр.), Щепкина, 42 (Сиданко, Росавиакосмос и пр.), Пятницкая, 69 (Славнефть), Арбат-центр (ТНК-ВР), Кузнецкий мост, 17 (Сибнефтегаз), банки Москвы (Кузнецкий мост), Собинбанк (Рочдельская), Северный морской путь (Садовническая), МПС РФ (Б. Спасская), Верховный Суд РФ (Поварская), Московский дом национальностей (Н. Басманная), комплекс зданий Администрации Президента на Воздвиженке.

В настоящее время предприятие ведет проектирование целого ряда крупных комплексов, включая Военторг, комплекс офисных зданий на ул. Тимура Фрунзе, представительство «Сименс», комплекс зданий на Витебских улицах, реконструкцию МГУ на ул. Моховой, город яхт на Ленинградском ш., 37.

Системы кондиционирования выполнены с применением холодильных машин с воздушным охлаждением. На трех из этих объектов установлены чиллеры «TRANE» с винтовыми компрессорами, на других трех – чиллеры «YORK» с поршневыми компрессорами. Холодильные машины установлены на кровле зданий. На одном из объектов запроектирована и смонтирована автоматизированная крышная газовая котельная. На всех остальных объектах проблема комфортности помещений в переходный период решена с помощью теплового насоса, режим которого заложен в работу холодильной машины.

Основными особенностями в этих проектах систем кондиционирования воздуха и вентиляции являются:

• Функциональное и конструктивное зонирование центральных систем кондиционирования воздуха (в большинстве случаев используется от 3 до 8 центральных систем).

• Общая система холодоснабжения для центрального кондиционирования и для фэнкойлов.

• Высокие экологические показатели по акустике и вибрации. Предусматривается целый комплекс мер от антивибрационных вставок и подвесок до специальных акустических экранов.

Тел.: (095) 482-38-10, 482-00-97