Анализ современных вентиляционных технологий

Проект Building AdVent основывался на инструментальном измерении параметров микроклимата в здании после его ввода в эксплуатацию, а также на субъективной оценке качества микроклимата, полученной путем опроса служащих. Были измерены основные параметры микроклимата: температура воздуха, скорость воздушных потоков, а также воздухообмен в летний и зимний периоды.

Проект Building AdVent не ограничивался обследованием вентиляционных систем, поскольку качество внутреннего микроклимата и энергоэффективность здания зависят от множества разных факторов, включающих архитектурные и инженерные решения здания. Для оценки энергетической эффективности зданий обобщались данные по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также другим системам – потребителям тепловой и электроэнергии. Ниже приводятся результаты оценки трех зданий.

Описание зданий-представителей

Здания-представители расположены в трех различных регионах с существенно разными климатическими условиями, определяющими состав инженерного оборудования.

Климатические условия Греции в общем случае обуславливают высокую нагрузку на систему холодоснабжения; Великобритании – умеренные нагрузки на системы отопления и холодоснабжения; Финляндии – высокую нагрузку на систему отопления.

Здания-представители в Греции и Финляндии оборудованы системами кондиционирования воздуха и центральными системами механической вентиляции. В здании, расположенном в Великобритании, используется естественная вентиляция, а охлаждение помещений осуществляется за счет ночного проветривания. Во всех трех зданиях-представителях допускается возможность естественного проветривания помещений за счет открывания окон.

Здание в Финляндии

Пятиэтажное офисное здание, введенное в эксплуатацию в 2005 году, расположено в городе Турку на юго-западном побережье Финляндии. Расчетная температура наружного воздуха в холодный период -26 °C, в теплый – +25 °C при энтальпии 55 кДж/кг. Расчетная температура внутреннего воздуха в холодный период +21 °С, в теплый период – +25 °С.

Рисунок 1. Здание в Финляндии

Общая площадь здания составляет 6 906 м², объем – 34 000 м³. В средней части здания находится большой атриум со стеклянной крышей, в котором расположены кафе и небольшая кухня. Здание рассчитано на 270 служащих, но в 2008 году в нем регулярно работали 180 сотрудников. На первом этаже, площадью 900 м², располагаются мастерская и складские помещения. Остальные четыре этажа (6 000 м²) заняты офисными помещениями.

Здание разделено на пять вентиляционных зон, каждая из которых оборудована отдельной установкой центрального кондиционирования воздуха, а также охлаждающими балками в отдельных помещениях (рис. 2).

Рисунок 2. Схема системы кондиционирования воздуха с механической приточной и вытяжной вентиляцией и охлаждающими балками (здание в Финляндии)

Наружный воздух подогревается или охлаждается в установке центрального кондиционирования, затем раздается в помещения. Подогрев приточного воздуха осуществляется частично за счет рекуперации теплоты вытяжного воздуха, частично посредством калориферов. При необходимости воздух в отдельном помещении дополнительно охлаждается охлаждающими балками, управляемыми комнатными термостатами.

Температура приточного воздуха поддерживается в переделах +17...+22 °С. Регулировка температуры осуществляется за счет изменения скорости вращения рекуперативного теплообменника и регулирующих клапанов расхода воды нагревательного и охлаждающего контуров.

Системы отопления и охлаждения в здании присоединены к сетям центрального тепло- и холодоснабжения по независимой схеме через теплообменники.

Офисные помещения оборудованы радиаторами водяного отопления с терморегулирующими клапанами.

Расход воздуха в офисных помещениях поддерживается постоянным. В помещениях переговорных расход воздуха переменный: при использовании помещений регулировка расхода воздуха осуществляется по показаниям датчиков температуры, а в отсутствии людей – воздухообмен уменьшается до 10 % от нормативного значения, составляющего 10,8 м³/ч на 1 м² помещения.

Здание в Греции

Здание расположено в центральной части Афин.

В плане оно имеет форму прямоугольника длиной 115 м и шириной 39 м, общей площадью 30 000 м². Общая численность персонала составляет 1 300 человек, более 50 % которых работают в помещениях с высокой плотностью размещения персонала – до 5 м² на человека.

Расчетная температура внутреннего воздуха в холодный период +21 °С, в теплый период – +25 °С.

Рисунок 3. Здание в Греции

Здание было реконструировано в 2006 году в рамках демонстрационного проекта ЕС. В ходе реконструкции были выполнены следующие работы:

- установка солнцезащитных устройств на южном и западном фасадах здания для оптимизации теплопоступлений от солнечной радиации как в холодный, так и в теплый периоды;

- двойное остекление северного фасада;

- модернизация инженерных систем и оборудование их системами автоматизации и диспетчеризации;

- установка потолочных вентиляторов в офисных помещениях с высокой плотностью размещения персонала для повышения уровня теплового комфорта и уменьшения использования систем кондиционирования воздуха; потолочные вентиляторы могут управляться вручную либо посредством системы автоматизации и диспетчеризации здания по сигналам датчиков присутствия людей;

- энергоэффективные люминисцентные лампы с электронным управлением;

- вентиляция с переменным расходом, регулируемая по уровню СО₂;

- установка фотоэлектрических панелей общей площадью 26 м².

Вентиляция офисов осуществляется либо установкой центрального кондиционирования воздуха, либо при естественном проветривании за счет открывающихся окон. В офисных помещениях с большой плотностью размещения персонала используется механическая вентиляция с переменным расходом воздуха, управляемая по показаниям датчиков СО₂, с регулируемыми приточными устройствами, обеспечивающими 30 или 100 % расход воздуха. Установки центрального кондиционирования оборудованы воздуховоздушными теплообменниками для утилизации теплоты вытяжного воздуха для подогрева или охлаждения приточного. Для снижения пиковой холодильной нагрузки используется ночное захолаживание теплоемких конструктивных элементов воздухом, охлажденным в установке центрального кондиционирования.

Здание в Великобритании

Трехэтажное здание расположено в юго-восточной части Великобритании. Общая площадь составляет 2 500 м², численность персонала – около 250 человек. Часть персонала работает в здании постоянно, остальные находятся в нем периодически, на временных рабочих местах.

Большую часть здания занимают офисные помещения и переговорные.

Рисунок 4. Здание в Великобритании

Здание оборудовано солнцезащитными устройствами – козырьками, расположенными на уровне кровли на южном фасаде для защиты от прямых солнечных лучей в летнее время. В козырьки встроены фотоэлектрические панели для выработки электроэнергии. На кровле здания установлены солнечные коллекторы для подогрева воды, используемой в туалетах.

В здании используется естественная вентиляция за счет окон, открывающихся автоматически или вручную. При низких температурах наружного воздуха или в дождливую погоду окна закрываются автоматически.

Бетонные потолки помещений не закрыты декоративными элементами, что позволяет захолаживать их при ночном проветривании для снижения дневных пиковых холодильных нагрузок в летнее время.

Энергетическая эффективность зданий-представителей

В здании, расположенном в Финляндии, организовано централизованное теплоснабжение. Значения энергопотребления, приведенные в табл. 1, были получены в 2006 году и скорректированы с учетом фактического значения градусо-суток.

Расход энергии на охлаждение был известен, поскольку в здании используется система центрального холодоснабжения. В 2006 году холодильная нагрузка составила 27 кВт•ч/м². Для определения затрат электроэнергии на охлаждение данная величина делится на холодильный коэффициент, равный 2,5. Остальное электропотребление – это общее электропотребление системами ОВК, офисным и кухонным оборудованием и прочими потребителями, которое нельзя разделить на отдельные составляющие, так как здание оборудовано только одним прибором учета электроэнергии.

В здании, расположенном в Греции, учет расхода электроэнергии ведется более подробно, поэтому общая величина потребления электроэнергии, составляющая 65 кВт•ч/м², включает в себя 38,6 кВт•ч/м² на освещение и 26 кВт•ч/м² на прочее оборудование. Эти данные были получены после реконструкции здания за период с апреля 2007 года по март 2008 года.

Электропотребление здания в Великобритании, как и здания в Финляндии, нельзя разделить на составляющие. Здание не оборудовано отдельной системой холодоснабжения.

Качество микроклимата в зданиях-представителях

Качество микроклимата в здании, расположенном в Финляндии

В ходе исследования качества микроклимата производились измерения температуры и скорости воздушных потоков. Расход вентиляционного воздуха принят по данным протоколов ввода здания в эксплуатацию, поскольку здание оборудовано системой с постоянным расходом в 10,8 м³/ч на м².

Измерения качества внутреннего воздуха по стандарту EN 15251:2007 показывают, что внутренний микроклимат соответствует преимущественно высшей категории I.

Измерения температуры воздуха производились на протяжении четырех недель в мае (отопительный период) и июле-августе (период охлаждения) в 12 помещениях.

Измерения температуры показывают, что температура поддерживалась в диапазоне +23,5...+25,5 °С (категория I) в течение 97 % периода использования здания на протяжении всего периода охлаждения.

В течение отопительного периода температура поддерживалась в диапазоне +21,0...+23,5 °С (категория I) во время часов использования здания на протяжении всего периода наблюдения. Амплитуда дневных колебаний температуры в рабочее время составляли приблизительно 1,0–1,5 °С во время отопительного периода. Локальный критерий теплового комфорта (уровень сквозняков), индекс комфортности по Фангеру (PMV) и ожидаемый процент неудовлетворенных (PPD) были определены по краткосрочным наблюдениям скорости воздуха и температуры в марте 2008 года (отопительный период) и июне 2008 года (период охлаждения) согласно стандарту ISO 7730:2005. Результаты указывают на хороший общий и локальный тепловой комфорт (табл. 2).

Таблица 2 (подробнее) Скорость воздуха, сквозняки и общий тепловой комфорт в здании, расположенном в Финляндии, типичный летний день (5.06.2008 г.)

Качество микроклимата в здании, расположенном в Великобритании

Измерение температуры воздуха проводилось в здании в течение шести месяцев в 2006 году. Температура воздуха в помещениях превышала +28 °С в шести точках наблюдения.

Замеры концентрации СО₂ фиксировали значения в диапазоне 400–550 ррm с периодическими пиками. В настоящее время проводятся дополнительные наблюдения в холодный, теплый и переходный периоды. Эти наблюдения включают в себя измерения температуры воздуха, относительной влажности и концентрации СО₂. Предварительные результаты показывают, что температуры значительно ниже, чем показали изначальные измерения. Например, с 24 июня 2008 года по 8 июля 2008 года температура в представительных центральных точках на этажах 1 и 3 превышала +25 °С на протяжении всего 4 часов, а концентрация СО₂ превышала 700 ррm на протяжении всего 3 часов, с пиками ниже 800 ррm.

Качество микроклимата в здании, расположенном в Греции

Типичные значения температуры воздуха в летний период в офисных помещениях составляют +27,5...+28,5 °С. Число часов с температурой выше +30 °С было минимальным. Даже при экстремальных наружных температурах (выше +41 °С), температура внутреннего воздуха была постоянной и оставалась ниже наружной температуры как минимум на 10 °С. В летние месяцы 2007 года средняя температура в зонах наиболее плотного размещения служащих (до 5 м² на человека) лежала в диапазоне +24,1...+27,7 °С в июне, +24,5...+28,1 °С в июле и +25,1...+28,1 °С в августе; все эти значения не выходят за пределы диапазона теплового комфорта.

На протяжении всего периода наблюдения (апрель 2007 – март 2008 г.) максимальные значения концентрации СО₂ выше 1 000 ppm были зарегистрированы во многих зонах наиболее плотного размещения служащих. Концентрация СО₂ превышала 1 000 ppm в 57 % наблюдаемых точек в июне и июле, в 38 % офисов в августе, 42 % в сентябре, в 54 % в октябре, в 69 % в ноябре, в 58 % в декабре и 65 % в январе. Среди всех офисных помещений наибольшая концентрация СО₂ была отмечена в офисах с максимальной плотностью пользователей. Однако даже в этих зонах средняя концентрация СО₂ была в диапазоне 600–800 ppm и соответствовала стандартам ASHRAE (максимум 1 000 ppm в течение 8 непрерывных часов).

Субъективная оценка качества микроклимата служащими

В здании, расположенном в Финляндии, большая часть помещений не оборудована индивидуальным регулированием температуры. Уровень удовлетворенности температурой воздуха был практически ожидаемый для офисов без средств индивидуального контроля. Уровень удовлетворенности общим микроклиматом, качеством внутреннего воздуха и освещением был высоким.

В здании, расположенном в Греции, большая часть служащих не была удовлетворена температурой и уровнем вентиляции на рабочих местах, но при этом была больше удовлетворена освещением (естественным и искусственным) и уровнем шума.

Несмотря на выявленные проблемы с температурой и качеством воздуха (вентиляцией) большинство людей положительно оценивали качество внутреннего микроклимата.

Здание в Великобритании характеризуется высоким уровнем удовлетворенности качеством внутреннего микроклимата в летний период. Тепловой комфорт в зимний период оценивался как низкий, что, возможно, указывает на проблемы со сквозняком в здании с естественной вентиляцией. Так же, как и в Финляндии, уровень удовлетворенности акустическим комфортом оказался низок.

Выводы

Результаты исследований трех зданий показывают, что служащие больше удовлетворены качеством микроклимата в летний период в здании с естественной вентиляцией без охлаждения (Великобритания), чем качеством микроклимата в офисе, оборудованном системой центрального кондиционирования с высокими значениями вентиляционного воздухообмена (10,8 м³/м²) и низкой плотностью служащих (Финляндия). В то же время, в здании в Финляндии, согласно измерениям, отличное качество внутреннего микроклимата.

Скорость воздушных потоков и уровни сквозняков были низкими, и внутренний климат был оценен как соответствующий наивысшей категории по стандарту EN 15251:2007. Учитывая эти данные измерений, удивительно, что уровень удовлетворенности пользователей оказался ниже 80 %. Частично эти результаты можно объяснить очень низким уровнем удовлетворенности акустическим комфортом. Вполне вероятно, что некоторые пользователи не чувствуют себя комфортно в больших офисных помещениях, а отсутствие возможности индивидуального регулирования температуры может усилить неудовлетворенность тепловым комфортом.

Результаты исследований показали, что в зданиях-представителях повышенный вентиляционный воздухообмен не оказывает существенного влияния на энергоэффективность: расход тепловой энергии в здании, расположенном в Финляндии, был ниже, чем в здании в Великобритании. Этот наблюдение демонстрирует эффективность утилизации (рекуперации) теплоты вентиляционного воздуха. С другой стороны, результаты исследований показывают, что существенную долю энергопотребления составляют затраты не тепловой энергии на отопление и холодоснабжение, а электрической энергии на холодоснабжение, освещение и другие нужды. Наилучший учет и оптимизация энергопотребления реализованы в здании, расположенном в Греции, что указывает на необходимость более тщательной проработки проектов в части электроснабжения. В качестве первоочередного мероприятия целесообразно повысить качество учета электропотребления.

Перепечатано с сокращениями из журнала «REHVA journal».

Научное редактирование выполнено вице-президентом НП «АВОК» Е. О. Шилькротом.