Крышные вентиляционно-отопительные установки

Antonio Briganti

Технология и способы применения

Крышные (rooftop) вентиляционно-отопительные установки являются агрегатами автономного типа, изготовление и сборка которых, включая электрику и автоматику, производятся заводом-изготовителем. Такие установки перевозятся и доставляются единым блоком, готовым к монтажу и вводу в действие. Со времен своего появления такие системы предназначались для осуществления основных функций вентиляции с возможностью полной или частичной обработки приточного воздуха: нагревом, охлаждением, увлажнением, осушением, очисткой.

Технология изготовления крышных вентиляционно-отопительных установок, постоянно развиваясь, в последние годы вышла на такой уровень, когда по способам применения они вполне отвечают на сегодняшней день самым сложным и разнообразным требованиям. Соответственно значительно расширилась область их применения.

Развитие технологий способствовало существенному расширению спектра выполняемых функций. Сегодня в их число входят такие, которые еще несколько лет назад считались исключительной прерогативой, так называемых, "прикладных" (applied) установок, собираемых непосредственно на объекте по индивидуальным проектам.

Кроме к перечисленных выше функций в состав современных крышных вентиляционно-отопительные установок, по крайней мере, большинства высокопроизводительных систем, может включаться практически любое оборудование. Например, системы осушки с ротационным теплообменником, системы нагрева на природном газе, оборудованные горелкой либо отопительным котлом и аккумулятором горячей воды, теплообменники свободного охлаждения (free cooling) наружного воздуха, узлы смешивания наружного воздуха с воздухом рециркуляции и множество других. Как правило, рядом с моделями, обеспечивающими только охлаждение, устанавливаются модификации с тепловыми насосами.

В той же степени расширилась гамма способов регулирования работы данных агрегатов. Теперь управление установкой может осуществляться по интерфейсу "Автоматических систем жизнеобеспечения зданий и сооружений" (Building Automation) либо из удаленных центров управления по телефонной линии посредством модема.

Все эти функции, по крайней мере, для установок средней и высокой мощности, заказчик или проектировщик может выбрать и заказать по принципу "mix and match" (индивидуальный подбор из определенного числа компонентов) с целью собрать установку, отвечающую требованиям конкретного проекта. Охлаждающая мощность существующих сегодня крышных установок варьируются от 5 до 600 кВт на агрегат. Наибольшим спросом пользуются системы небольшой мощности, поскольку пользователь предпочитает, чтобы на объекте были установлены не одна, а несколько систем. Чаще всего это делается в целях рационального деления объекта на зоны обслуживания и в целях обеспечения надежности, во избежание риска полного отключения вентиляционно-отопительной системы объекта в случае поломки или аварии.

Если прежде изготовители предлагали достаточно много крышных вентиляционно-отопительных установок широкого радиуса охвата, то ныне это предложение заметно сузилось. Большая часть предлагаемых агрегатов - зонального типа. Этому способствовало внедрение систем с регулируемым расходом воздуха (VAV) и, с недавнего времени, систем с регулируемыми расходом и температурой воздуха (VVT), которые позволили обеспечивать охват всех зон обслуживания объекта агрегатами зонального типа.

В системах с регулируемым расходом воздуха приточные вентиляторы могут комплектоваться двигателями с регулируемой мощностью либо - еще проще - воздухозаборными заслонками, поддерживающими расход воздуха на заданном уровне.

Большая часть крышных вентиляционно-отопительных установок оборудуется герметичными паровыми компрессионными охлаждающими контурами. До настоящего времени чаще всего в качестве охлаждающего вещества используется R22, хотя иногда применяются и составы группы HFC.

Система обеспечивает приоритетное охлаждение конденсатора перед воздухом.

Наиболее широкое применение нашли охлаждающие конденсаторы альтернативного типа герметичные и полугерметичные. С недавних пор все большее распространение получают конденсаторы со спиральным оребрением (scroll).

Один и более охлаждающих контуров

Число охлаждающих контуров, на базе которых строится вентиляционно-отопительный агрегат, обуславливается показателем отдаваемой охлаждающей мощности и, следовательно, типоразмером самой установки. Чаще всего системы с одним либо двумя герметичными компрессорами применяются для обеспечения малых мощностей и с полугерметичными - для больших.

Конструктивная схема крышной вентиляционно-отопительной установки средне-высокой мощности приведена на рис. 1. На рисунке видно, что узел привода конденсанта располагается с торцевой части установки, тогда как узел испарителя, включая приточный вентилятор, - с противоположной. Между ними устанавливаются смеситель, узел забора наружного воздуха, утилизатор и вентилятор перезапуска.

Рисунок 1.  Конструктивная схема типовой крышной вентиляционно-отопительной установки средней и высокой мощности

Рисунок 2.  Действующая крышная вентиляционно-отопительная установка средне-малой мощности (Rheem/Mitiana)

На рис. 2 представлена в разрезе реальная установка, имеющая описанные характеристики. Она оборудована двумя герметичными конденсаторами и столькими же охлаждающими контурами. Система оснащена газовым воздухонагревателем для обеспечения воздушного отопления. Имеется также вытяжной вентилятор, позволяющий удалять до 100% расхода воздуха.

Конечно, конфигурация системы может меняться в зависимости от охлаждающей мощности и конструктивных особенностей объекта, как показано на рис. 3.

Рисунок 3. Конструктивная схема типовой крышной вентиляционно-отопительной установки средне-высокой мощности

Данная установка до сих пор продается на рынке. Этот агрегат средне-малой мощности, оборудован газовым воздухонагревателем и лишь одним компрессором (scroll), имеет один охлаждающий контур.

Почти всегда, когда установка имеет два охлаждающих контура, применяются испарители с двумя раздельными секциями.

Секции могут разделяться по вертикали либо устанавливаться лицом к лицу, чтобы в любом случае охватить всю поверхность теплообмена. В качестве альтернативного этому решению иногда трубы обоих контуров располагаются так, что охватывают всю поверхность не только по высоте, но и в глубину.

В сущности, выбор решения и определяет большой или малой будет возможность системы контролировать уровень относительной влажности даже при частичной нагрузке.

Управление охлаждающей мощностью

Управление охлаждающей мощностью системы, имеющей, как правило, в своем составе герметичные компрессоры (scroll), осуществляется путем остановки и запуска компрессоров по команде термостата, установленного в обслуживаемом помещении.

А вот полугерметичные компрессоры позволяют обеспечивать изменение мощности при помощи отключения части цилиндров. Еще одна мера, применяемая, в частности, для обеспечения постоянной работы с низкими нагрузками - байпас нагретого газа.

Сочетание регулирования мощности и остановки компрессоров позволяет обеспечивать требуемую тепловую нагрузку в нормальном режиме работы.

Необходимость учитывать климатические условия, когда в обслуживаемых помещениях требуется поддерживать низкий уровень относительной влажности (около 40 %) - например, в переполненных ресторанах или отделах супермаркетов, заставленных охлаждающими прилавками, - подтолкнуло развитие новых технологий, в основу которых положено применение химических адсорбентов, жидких или твердых (в частности, упомянутый выше RCI).

Кроме того, были также отработаны технологии организации охлаждающих контуров агрегатов, выпускаемых серийно, чтобы сделать системы прямого расширения конкурентоспособными в энергетическом плане при низких уровнях относительной влажности. Охлаждающий контур на рис. 4 представляет одно из современных решений организации системы.

Рисунок 4.  Схема охлаждающего контура крышной вентиляционно-отопительной установки. Установка обеспечивает в обслуживаемых помещениях поддержание относительной влажности на уровне до 40 % при относительно невысоких показателях энергопотребления

Как видно на рисунке, под испарителем на выходе из конденсатора установлен теплообменник охлаждающей жидкости. Холодный воздух на выходе из испарителя охлаждает жидкость, которая поступает в испаритель в виде, который более подходит для удаления "скрытой" тепловой нагрузки. Агрегат обработки холодом включается и выключается посредством соленоидного клапана в контуре охлаждающей жидкости. Клапан управляется гигростатом, установленным в обслуживаемом помещении.

Таким образом, осушение включается на полную мощность только тогда, когда это действительно необходимо. При такой конфигурации, по заверениям изготовителей, установка может обеспечивать уровень относительной влажности вплоть до 40 % и оставаться достаточно привлекательной в плане энергопотребления по сравнению с традиционно применяемыми в этих целях другими системами, в частности, отопительными трубами (heat pipes).

Эффект кровли

На характеристики крышных вентиляционно-отопительных установок, как, впрочем, и всех иных агрегатов с воздушным охлаждением, монтируемых на крыше здания, оказывают влияние особые условия, формирующиеся как раз на уровне кровли в жаркие дни. На черной покрытой гудроном кровле могут образовываться слои неподвижного воздуха, имеющего температуру на 10 ^oС и более выше температуры наружного воздуха. В результате этого в жаркие дни эффективность работы агрегатов может падать на 10% по сравнению с паспортными показателями. В некоторых случаях система может глохнуть или не запускаться из-за срабатывания реле высокого давления.

Следует принимать во внимание, что с учетом рабочих характеристик машин с воздушным охлаждением, температура конденсации, как правило, оказывается на 14 Є 16 ^oС выше наружной температуры по сухому термометру. При температуре воздуха 32 0С перегрев нижних слоев, обусловленный эффектом темной кровли, может достигать 42 ^oС. Следовательно, температура конденсации агрегата подскочит до 56 Є 58 ^oС, а в таком режиме мало какая установка сможет функционировать.

По тем же причинам, если агрегаты оборудуются электронными блоками регулировки числа оборотов вентилятора, такие блоки должны быть обязательно оснащены соответствующей системой охлаждения, поскольку обычно они не рассчитаны на жесткий температурный режим крышных систем.

Некоторые меры, предпринятые на этапе строительных работ, могут минимизировать проявления этого явления. Для покрытия участков кровли в зоне установки крышных агрегатов следует использовать материалы светлых отражающих тонов.

Большие мощности и особые требования

Существуют самые различные конфигурации крышных вентиляционно-отопительных установок. Разнообразие определяется условиями прикладного характера и особыми требованиями по мощности агрегатов. Конструктивный выбор в каждом отдельном случае обусловлен конкретными требованиями жизнеобеспечения зданий и сооружений.

Установки большой мощности полностью собираются на заводе-изготовителе, где проводятся их испытания и предпродажной подготовки. Затем они разбираются на отдельные узлы и доставляются на объект.

Рисунок 5.  Крышная вентиляционно-отопительная установка, обеспечивающая обработку всего наружного воздуха. (Wringer/Des Champs)

Система, представленная на рис. 5, была специально изготовлена для того, чтобы обеспечить обработку 100 % наружного воздуха. В ее составе - холодильная машина с воздушным охлаждением и собственно аппарат обработки воздуха, оснащенный фильтрами, теплообменниками и вентилятором. Оба узла монтируются на одну платформу. Установка обеспечивает контроль за уровнем влажности в обслуживаемом помещении и отбор тепла из отводимого воздуха. Изготовление установок, имеющих охлаждающую мощность от 700 до 2000 кВт (это может показаться невероятным, но в Америке есть один производитель систем такой мощности), приобретает совершенно иные масштабы, как видно на рис. 6.

Рисунок 6.  Конструктивная схема крышной вентиляционно-отопительной установки большой мощности. Предусмотрен доступ для обслуживающего персонала. (Mammoth)

По сути, это уже несколько машинных залов под одной крышей, которые необходимо смонтировать на объекте. На установках таких размеров применяются винтовые компрессоры. Лопасти вентиляторов, как правило, имеют профиль крыла, что снижает уровень шума.

Такие установки стараются оборудовать как можно большим числом систем жизнеобеспечения здания, это кондиционирование, вентиляция, отопление и горячее водоснабжение. Чаще всего такие установки предусматривают доступ и определенное внутреннее пространство обслуживающего персонала.

Покрытие и материалы

Обычно крышные установки защищаются сверху листовой оцинкованной сталью с эпоксидным покрытием, нечувствительной к УФ-лучам. Некоторые производители используют для этих целей пераллюман.

Изнутри система оборудуется теплоизоляционными матами обычно толщиной от 25 до 50 мм на участках вокруг испарителя и приточного вентилятора в целях борьбы с образованием конденсата и теплообменом с внешней средой.

Некоторые производители предлагают такие установки, где вообще все наружные стенки выполнены из двух панелей, между которыми проложен теплоизоляционный материал. В этих случаях толщина панелей также составляет от 25 до 50 мм.

Установки с двойными стенками, хотя и дороже обычных систем, полнее отвечают современным требованиям, предъявляемым к гигиеничности обрабатываемого воздуха. На самом деле теплоизоляционный материал на внутренней стороне зачастую пропитывается влагой и пылью и, следовательно, образует среду, благоприятную для появления плесени и грибка.

Для всех типов установок должна обеспечиваться герметичность по воздуху, атмосферным осадкам и талым водам, поскольку в силу особенностей расположения и своих прямоугольных форм в зимний период на крышных установках скапливаются значительные снежные массы.

Наконец, следует иметь в виду агрессивный характер воздействия атмосферных реагентов на используемые при изготовлении агрегатов материалы, особенно с учетом общей загрязненности атмосферы.

На установках в обычном исполнении панели доступа крепятся винтами, на улучшенных моделях применяются быстросъемные элементы. В других случаях панели монтируются на шарнирных петлях и легко открываются, образуя удобные входные двери.

В установках средне-малой мощности подача и отбор из них воздуха осуществляется, как правило, в горизонтальном направлении. Для систем большей мощности чаще всего можно самостоятельно выбрать направление подачи воздуха - горизонтально или вертикально вниз. В последнем случае горловина воздуховодов покрывается габаритами системы и проходит через раму установки.

Теплообменники, как правило, изготавливаются из меди (трубопровод) и алюминия (ребра). С учетом общей загрязненности атмосферы зачастую теплообменники окрашиваются специальными защитными составами на основе фенольных или эпоксидных смол. Для работы в приморских регионах рекомендуется полностью медные батареи.

Платформа и расположение

Крышные вентиляционно-отопительные установки средней и средне-большой мощности монтируются на специальной платформе. В случае, когда забор и подача воздуха осуществляются в вертикальном направлении, каналы воздуховодов не выходят за пределы периметра платформы ( рис. 7).

Рисунок 7.  Типовая платформа крышной вентиляционно-отопительной системы. Внутри находятся вертикальные подающий и отводящий каналы воздуховодов, установленные под разъемы агрегатов, которые будут смонтированы (RPS)

Роль платформы чрезвычайно важна. Помимо образования опорной площади, она обеспечивает герметизацию системы, поскольку имеет битумную основу и повышает степень водонепроницаемости кровли. Во всех случаях платформа должна несколько возвышаться над уровнем кровли с тем, чтобы в случаях выпадения интенсивных дождей или снега вода не могла просочиться внутрь в местах неплотного монтажа установки на платформе.

Очевидно, что все работы по уплотнению и герметизации креплений должны проводиться на этапе монтажа системы в соответствии с рекомендациями изготовителя агрегатов.

Рекомендуется на этапе монтажных работ проработать решение проблемы проникновения шума работающих агрегатов в обслуживаемые помещения. Следует учесть, что если установка располагается прямо над обслуживаемым помещением, а воздуховоды имеют минимальную протяженность, то при заметной экономии затрат шумность работы агрегатов будет весьма ощутимой. В этих случаях рекомендуется оборудовать входные и выходные патрубки машин соответствующими глушителями. А вообще во избежание проблем такого рода лучше всего располагать агрегаты на удалении от зон обслуживания, например, над коридорами или служебными помещениями. Другой немаловажный аспект - расположение системы относительно вытяжных проемов кухонь и туалетов. Представляется необходимым определить розу ветров, после чего расстояния установки системы рассчитываются с учетом доминирующих направлений движения воздушных масс. Выбросы не должны затягиваться в агрегаты и вновь направляться в помещения.

Ветры могут оказывать влияние на работу вентиляторов конденсаторов и, следовательно, на охлаждающую эффективность агрегатов. При ветре неподвижные вентиляторы начинают вращаться. Если во время вращения, вызванного ветром, производится электрическое включение механизма, однофазные вентиляторы чаще всего продолжают вращение в заданном ветром направлении. Следовательно, если направление такого вращения ошибочно, прохождение воздуха через конденсатор заблокируется либо будет весьма ограниченным со всеми вытекающими из этого неприятностями.

С трехфазными вентиляторами происходит другое: они имеют фиксированную сторону вращения и, если на неработающем механизме ветер производит вращение в обратном направлении, то при запуске двигателя усилие, создаваемое для преодоления силы ветра, может повредить привод или лопасти.

В этой связи в местах, где дуют сильные ветры, рекомендуется устанавливать дополнительную защиту узла конденсатора.

Распределение воздуха

Распределение воздуха от крышных вентиляционно-отопительных установок осуществляется по низкоскоростным воздуховодам с низким давлением. Из вертикальной приточной шахты, выходящей через крышу, отводятся горизонтальные воздуховоды, прокладываемые на уровне потолочных перекрытий. Нормы и правила установочных работ не отличаются от работ по прокладке и оборудованию обычных вентиляционных систем. Применяются обычные воздуховоды из листовой стали, стекловолокна и типа "сэндвич". Как правило, удаление воздуха из помещения осуществляется из пространства между потолочным перекрытием и подвесным потолком и поэтому не требует прокладки особых воздуховодов.

Системы с регулируемым расходом воздуха (VAV) или с регулируемыми расходом и температурой (VVT) нашли широкое применение за рубежом, где вопросам разделения объекта на зоны обслуживания и, следовательно, возможности регулирования температуры воздуха в помещении по желанию потребителей уделяется особое внимание.

Рисунок 8.  Схема крышной вентиляционно-отопительной установки с регулируемым расходом воздуха для трехэтажного здания. Агрегат зонального типа, однако, система регулирования расхода воздуха обеспечивает независимую регулировку температуры в различных помещениях ("Trane")

На рис. 8 представлена схема крышной установки с регулируемым расходом воздуха. Подаваемый воздух поступает в узел VAV, оборудованный заслонками с механическим приводом, откуда в свою очередь воздух подается к воздухораспределителям обслуживаемого помещения. Схема установки с регулируемыми расходом воздуха и температурой VVT, оборудованной заслонками с электроприводом, показана на рис. 9.

Рисунок 9.  Схема крышной вентиляционно-отопительной системы с регулируемыми расходом и температурой воздуха. Электронные заслонки регулирования расхода воздуха установлены непосредственно над каждым диффузором ("Trane)

В устройствах данного типа предусмотрены два рабочих режима - холодный и теплый. Переключение с одного на другой производится узлом регулировки работы системы в соответствии с действительными эксплуатационными потребностями.

Как и у большинства автономных кондиционеров прямого расширения, среднее соотношение расхода воздуха и отдаваемой охлаждающей мощности составляет около 200 м³/ч на отдаваемый кВт охлаждения при допуске около ±20 %. При тех же значениях установки с меньшим расходом воздуха - около 160 м₃/ч - позволяют обеспечивать более высокое влагопоглощение и, следовательно, более подходят для нагрузок преимущественно по "скрытому" теплу, в том числе достаточно интенсивных.

И, наоборот, более мощные установки - от 240 м³/ч на кВт - обеспечивают меньшее осушение и могут рекомендоваться для работы в условиях достаточно ощутимых нагрузок.

Перспективы применения

Крышные вентиляционно-отопительные установки с полным правом могут претендовать на успешное применение для реализации весьма сложных технологических задач. На объектах гражданского назначения такие установки с высоким качеством работают в составе систем жизнеобеспечения зданий, при этом энергозатраты не превышают показателей систем традиционного типа. О том, что такое утверждение верно, свидетельствует широкое распространение агрегатов такого рода в Соединенных Штатах. Появление на рынке современных систем с регулируемыми расходом и температурой воздуха VVT - еще одно свидетельство в пользу выбора данных установок, дающих преимущество независимого зонального регулирования. Закономерно было бы рассчитывать, что и в Италии крышные вентиляционно-отопительные установки найдут успешное применение у широкого круга пользователей.

 

Перепечатано из журнала RCI, декабрь 1997

Перевод с итальянского С.Н.Булекова