Системы кондиционирования и холодоснабжения высотных общественных зданий

О выборе оптимального схемного решения

И. Н. Смирнова, начальник отдела инженерного оборудования ООО «Миракс-проект», otvet@abok.ru

Общая характеристика объекта

Объект в настоящий момент находится еще на стадии строительства, он представляет собой высотный комплекс, состоящий из четырех корпусов: двух высотных корпусов башенного типа переменной этажности (корпус А – 47 этажей, корпус Б – 41 этаж), предназначенных преимущественно для размещения офисов класса А, и двух 10-этажных корпусов (корпуса В и Г). Корпус В объединен с высотными корпусами двухэтажным стилобатом. Помимо офисных помещений, в комплексе запроектированы апартаменты, торгово-общественные пространства, 4-этажная подземная автостоянка.

Общая площадь комплекса – 368 000 м².

Площадь надземной части – 249 380 м².

Площадь подземной части – 118 620 м².

Ввод комплекса в эксплуатацию намечен на 2012 год.

Первоначальный вариант проектного решения

В нашей стране очень часто применяется централизованная схема организации холодоснабжения. Для рассматриваемого объекта первоначально также было предусмотрено холодоснабжение от единого холодильного центра.

Для корпусов А и Б был запроектирован холодильный центр на базе холодильных машин с центробежными компрессорами и конденсаторами с водяным охлаждением. Сброс теплоты в окружающую среду организован посредством закрытых орошаемых градирен. Четыре холодильные машины должны были размещаться в зоне стилобата корпусов А и Б на площади 1 300 м², девять орошаемых градирен – на кровле корпуса В на площади 1 400 м² (рис. 1). Этот проект успешно прошел экспертизу.

Рисунок 1 (подробнее)   Схема размещения холодильного оборудования единого холодильного центра (первоначальный вариант): а – план кровли; б – план на отметке -15 м

Схемой предусматривалось:

• Подача холодоносителя от холодильного центра к центральным кондиционерам, размещаемым на технических этажах, осуществляется трубопроводами, самостоятельными для каждого пожарного отсека.

• 4-трубная система тепло- и холодоснабжения вентиляторных доводчиков (фэнкойлов), обеспечивающая охлаждение внутреннего воздуха в теплый период, подогрев – в переходный период, а также дополнительный нагрев (при необходимости) в холодный период года.

Однако на практике реализовать это решение не удалось: возводились корпуса А и Б и для них уже требовалось холодоснабжение. Для его обеспечения необходимо было разместить оборудование на кровле корпуса В, тогда как его строительство откладывалось.

Это обстоятельство не позволяло применить прошедшее согласование решение и потребовало оперативного поиска альтернативных вариантов. В результате рассмотрения ряда проектных решений удалось выбрать два варианта, наилучшим образом отвечающих поставленной задаче. Именно из этих вариантов необходимо было сделать окончательный выбор. Рассмотрим эти варианты подробнее.

Предложенные варианты проектного решения

Вариант 1. Размещение холодильного оборудования в стилобате

В связи с задержкой строительства корпуса В и в соответствии с очередностью застройки корпусов А и Б заказчиком была поставлена задача по размещению градирен в непосредственной близости от холодильных машин. Очевидное решение в такой ситуации – размещение холодильного центра, имеющего в своем составе девять градирен и четыре чиллера, в стилобате уже построенных корпусов А и Б (рис. 2).

Рисунок 2 (подробнее)   Схема размещения холодильного оборудования для корпусов А и Б в стилобате (без учета строительства корпуса В) (вариант 1). Занимаемая площадь 3 000 м2

Рисунок 3 (подробнее)   Схема размещения холодильных машин на техническом этаже (вариант 2)

Для реализации предлагаемой схемы требовалось:

• Выделить площадь 2 000 м² на -4 этаже для размещения холодильных машин, насосного оборудования, теплообменников и баков-аккумуляторов. Эту площадь можно было получить только за счет уменьшения площади подземного гаража-автостоянки, при соответствующем сокращении числа машиномест, что, разумеется, было бы крайне нежелательно для заказчика.
• Выделить примерно по 260 м² на каждом вышележащем этаже (-3…-1) для размещения воздуховодов для подачи и удаления воздуха от вентиляторных градирен.
• Установить воздухозаборные и выбросные решетки общей площадью 900 м² в зоне стилобата для подачи воздуха на градирни и удаления его с относительной влажностью, увеличенной до 95 %.
• Проложить через подземный гараж-автостоянку транзитные магистральные трубопроводы больших диаметров системы холодоснабжения.
• Предусмотреть на каждом этаже вертикальные шахты для прокладки магистральных транзитных трубопроводов системы холодоснабжения.
• Предусмотреть дополнительное помещение на 31-м (техническом) этаже для размещения промежуточных теплообменников и насосов.
• Предусмотреть подачу воды на подпитку к орошаемым градирням.

Таким образом, реализация этого решения привела бы к уменьшению площади стилобата на 3 000 м² и соответствующему значительному сокращению машиномест. Кроме того, производительность каждой холодильной машины должна быть порядка 5 МВт, что влечет за собой необходимость обеспечения соответствущего расхода наружного воздуха для отвода теплоты в окружающую среду.

В результате анализа стало очевидно, что данный вариант технически возможен, однако его реализация приводит к существенному удорожанию проекта.

Вариант 2. Децентрализация системы

Поскольку в архитектурном проекте комплекса на технических этажах были предусмотрены балконы, которые изначально не имели определенного функционального назначения, появилась возможность использовать их для размещения VRF-систем, являющихся энергоэффективным и малогабаритным оборудованием, применяемым в системах холодоснабжения.

Этот вариант предусматривал следующее:

• Для охлаждения наружного воздуха в центральных кондиционерах на каждом техническом этаже корпусов А и Б (требуемая площадь составляет 260 м²) необходимо разместить по 2–3 холодильные машины с выносными конденсаторами воздушного охлаждения, которые, в свою очередь, устанавливаются на прилегающих балконах (17,21 м³) общей площадью 780 м².
• Для обеспечения комфортных параметров воздуха на офисных этажах необходимо предусмотреть наружные блоки VRF-системы с рекуперацией теплоты (3-трубные системы), которые обслуживают свой пожарный отсек, устанавливаются на балконах, не используемых ранее.
• Подобные схемные решения системы холодоснабжения уже достаточно продолжительное время реализуются на ряде высотных объектов (в частности, таким образом устроена система холодоснабжения гостиницы «Украина» в Москве).

VRF-система имеет ряд преимуществ перед системой холодоснабжения по первому варианту:

• Уменьшается примерно на 1 МВт требуемая электрическая мощность устанавливаемых токоприемников.
• За счет размещения холодильного оборудования на технических этажах освобождается площадь в отапливаемых помещениях стилобата и на офисных этажах, на 3 000 м² сокращаются площади вертикальных коммуникационных шахт.
• За счет отказа от прокладки магистральных трубопроводов холодоснабжения с -4-го этажа на технические этажи и отказа от 4-трубной системы тепло- и холодоснабжения фэнкойлов сокращается металлоемкость системы.
• За счет отказа от теплоснабжения фэнкойлов уменьшается расход тепловой энергии на 0,4 Гкал/ч.
• Не требуется подача воды на подпитку орошаемых градирен – 594 м³/сут.

Кроме того, достоинствами VRF-системы кондиционирования, используемой в предлагаемом варианте, являются:

• высокая точность поддержания заданной температуры воздуха в каждом помещении (±0,5 °С);
• возможность одновременного охлаждения воздуха в одних помещениях и его подогрева в других;
• низкое значение потребления электроэнергии;
• низкий уровень шума в обслуживаемых помещениях;
• наличие функций самодиагностики системы;
• короткие сроки монтажа системы;
• возможность поэтапного (например, поэтажного) монтажа и пусконаладки оборудования по мере выполнения строительных работ;
• гораздо меньший, по сравнению с системой холодоснабжения на базе водоохлаждающих машин, перечень планово-профилактических работ, заводская гарантия – 3 года;
• низкие эксплуатационные расходы, поскольку эксплуатация данного класса оборудования не требует обязательного наличия штата обслуживающего персонала;
• интегрированная система управления позволяет одновременно управлять работой до 4 096 внутренних блоков-доводчиков посредством одного компьютера. Возможна интеграция системы в единую систему управления зданием (BMS) по любому из современных протоколов.

В системе предусматривается резервирование. Внутренние блоки можно расположить таким образом, чтобы они давали возможность обеспечения холодоснабжения всех помещений на 80 %. VRF-системы, в отличие от систем с промежуточным теплоносителем, позволяют подогревать внутренний воздух в переходный период, что, в свою очередь, дает возможность выставить систему отопления на +16 °С.

Использование VRF-системы кондиционирования позволяет обеспечить по желанию арендаторов одновременный подогрев или охлаждение воздуха внутри различных помещений.

Еще один момент связан с заселением арендаторов. Как правило, заселение высотных зданий происходит постепенно, этажами, по мере их ввода в эксплуатацию. Этот процесс зачастую растягивается на достаточно длительное время. В варианте 1 для обеспечения холодоснабжения даже при заселении одного этажа потребовалось бы запустить весь холодильный центр, что привело бы к бесполезным большим энергетическим и эксплуатационным затратам. Также возникли бы сложности с гидравлической балансировкой системы (следует учитывать то обстоятельство, что в высотных зданиях вообще достаточно сложно производить гидравлическую увязку систем), потерями давления, эксплуатацией и подключением арендаторов. Вариант 2 позволяет избежать этих проблем. Один или два блока обслуживают целый этаж, что дает возможность отдельным потребителям подключиться поэтажно, независимо друг от друга.

Помимо чисто технических аспектов этот вариант выгоден и с экономических позиций, как в плане капитальных, так и в плане эксплуатационных затрат. Была выполнена технико-экономическая оценка разных вариантов проектных решений. Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Таблица 1 (подробнее) Результаты технико-экономической оценки двух вариантов системы холодоснабжения (уровень цен 2010 года)

Как следует из табл. 1, экономический эффект по холодоснабжению составляет (по уровню цен 2010 года):

• за счет сокращения потребности в установленной электрической мощности – 64,8 млн руб.;
• за счет высвобождения площади в стилобате – 225 млн руб.;
• за счет высвобождения площади под офисы – 75 млн руб.;
• за счет уменьшения стоимости оборудования и материалов – 27 млн руб.;
• за счет сокращения эксплуатационных расходов по воде и электричеству – 6 млн руб. в год.

Сокращение стоимости оборудования и материалов для системы теплоснабжения позволит сэкономить около 75 млн руб.

В итоге экономия за счет снижения капитальных затрат и за счет высвобождения площадей составила около 0,5 млрд руб. Эксплуатационные годовые затраты также снизились – на 6 млн руб./год (по уровню цен 2010 года).

Выводы

Второй вариант системы холодоснабжения представляется более целесообразным. Он обладает явными преимуществами в части энергоэффективности и сокращения капитальных и эксплуатационных затрат (табл. 2):

Таблица 2 (подробнее) Сравнение вариантов холодоснабжения корпусов А и Б

1. Мощность устанавливаемых токоприемников по варианту 2 уменьшена примерно на 1 МВт.

2. Оптимизация размещения оборудования за счет сокращения требуемых площадей и переноса части оборудования на ранее не используемые балконы позволяет высвободить ценные площади в отапливаемых помещениях. В этом варианте:

• освобождаются площади в стилобате – 2 700 м²;
• занимаются площади на технических этажах – 260 м²;
• занимаются площади на не используемых ранее технических балконах – 780 м²;
• освобождаются площади на офисных этажах за счет сокращения коммуникационных шахт – 370 м².

3. Отсутствует необходимость в подаче воды на подпитку градирен – 594 м³/сут.

4. Отказ от размещения холодильного центра по варианту 1 на -4 этаже сохраняет машиноместа и избавляет от необходимости выброса большого (≈ 5,8 × 106 м³/ч) количества влажного воздуха в зоне стилобата.

5. Сокращаются размеры вертикальных шахт для прокладки магистральных трубопроводов, исключается прокладка магистральных трубопроводов в пределах автостоянки.

6. Значительно сокращается металлоемкость системы холодоснабжения за счет уменьшения диаметров и длины трубопроводов. Предварительные (ориентировочные) цифры по исключению из проекта труб системы холодоснабжения:

• D = 250 мм – 900 пог. м;
• D = 200 мм – 1 600 пог. м;
• D = 150 мм – 11 600 пог. м;
• D = 125 мм – 800 пог. м;
• D = 100 мм – 200 пог. м.

По трубам теплоснабжения – общая длина 650 пог. м.

7. Появляется возможность отказаться от системы 4-трубных фэнкойлов, заменив ее VRF-системой.

Статья подготовлена при участии Н. О. Рычковой.