Особенности выбора систем климатизации зданий

При выборе системы климатизации проектировщики руководствуются рядом критериев, которые отражают возможности и приоритеты заказчика. Вышесказанное особенно актуально в настоящий период времени, когда утрачена связь науки и практики, разорваны многие связи, разрушены многие проектные институты, а необходимость принятия решения ложится порой на не очень подготовленных специалистов.

Следует принимать во внимание и тот факт, что критерии выбора систем климатизации у инвесторов, строящих здания для последующей продажи или сдачи в аренду, и специалистов, разрабатывающих проект здания, могут не совпадать. Инвесторы по определению заинтересованы исключительно в скорости строительства и максимальной надежности зданий и сооружений. Однако экономически выгодное строительство зачастую означает автоматический отказ от высоких стандартов качества воздуха – стандартов, которые, по мнению экспертов, как раз просто необходимы.

Выбор системы климатизации в здании должен проводиться на основании тщательно проработанного технического задания. В нем содержатся конкретные требования в отношении микроклимата (тепловая комфортность, минимальное количество наружного воздуха и подвижность воздуха в обслуживаемом помещении, уровень шума и другие параметры). 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.

Ключевые критерии выбора системы

Некоторые критерии выбора типа системы являются ключевыми, соответствие им определяется словами «да/нет»: система либо удовлетворяет этим критериям, либо нет. Система, которая не отвечает ключевому критерию, не может рассматриваться в проекте – разве что на ее принятии настоит заказчик. Вот некоторые из критериев.

Функциональные требования. Один из важнейших моментов при выборе системы – это взаимопонимание заказчика и проектировщика в части функциональности системы. Не имеет значения, насколько система хороша в других отношениях, если она не удовлетворяет заявленным требованиям функциональности. Однако проектировщик может объяснить заказчику, что, изменив свои требования, он получит больший эффект от предложенного решения.

Требования к производительности. Если необходимо, например, подать воздух приточной системой в количестве l м³/ч при температуре t °C, чтобы обеспечить расчетные условия в помещении при расчетных параметрах наружного воздуха, то у проектировщика нет возможности выбора. Он должен предусмотреть систему, которая обеспечивает эти условия. Однако различные системы могут характеризоваться разной производительностью в расчете на здание в целом, обеспечивая при этом один и тот же эффект.

При выборе производительности систем основными факторами, при известных объемно-планировочных и конструктивных решениях здания, являются температура наружного воздуха, интенсивность солнечной радиации и величина технологических нагрузок, как правило внутренних тепло- и газовыделений. Необоснованный количественный выбор этих факторов может привести к отказу в работе систем климатизации здания или неоправданному запасу мощности систем.

Например, при принятии в качестве расчетной для систем отопления температуры наружного воздуха с обеспеченностью 0,92, в практике проектирования, как правило, не проверяется, какая температура воздуха будет в конкретном помещении в период резкого похолодания, когда температура наружного воздуха будет ниже расчетной. Оценка вероятного значения температуры внутреннего воздуха в квартирах жилых домов постройки после 1998 года показывает, что для зданий выше 6 этажей в диапазоне значений расчетной температуры наружного воздуха –25… –30 °C температура внутреннего воздуха (при отсутствии тепловыделений и являющейся массовой сегодня нерегулируемой системе вентиляции) снизится до 12–13 °C, что вряд ли можно считать приемлемым.

Если заказчик спрашивает: «А нельзя ли сделать систему подешевле?», – он должен понимать, что производительность системы может быть уменьшена лишь в том случае, если он готов принять менее жесткие требования к параметрам микроклимата и длительности их поддержания. Популярным решением для снижения капитальных затрат является зонирование. При этом необходимо учитывать, что одинаковые по стоимости, но различные по технологии системы могут приводить к различной продолжительности дискомфорта (необеспеченности внутренних параметров) в год и к различному годовому энергопотреблению.

Требования к размещению. Рекомендуемая система должна размещаться в том пространстве здания, которое для нее отведено. Неважно, насколько система надежна, насколько она дешева в эксплуатации и малошумна, – вы не можете ее использовать, если ее негде разместить. Однако вы можете обсудить с архитектором и заказчиком преимущества проекта, в котором система ОВК будет занимать большую площадь или размещаться по-другому.

Cмещение пикового потребления электрической энергии холодильными машинами с дневного на ночной период требует использования холодильных систем накопительного типа

Другие критерии выбора системы

Не все критерии выбора системы являются ключевыми. Многие из них – относительные, предполагающие возможность компромисса. Например, заказчик готов вложить больше средств в сооружение системы, чтобы сэкономить на эксплуатационных расходах или на оплате энергоресурсов. И наоборот, он может предпочесть более высокие ежегодные затраты, чтобы уменьшить первоначальные капитало-вложения. В реальных условиях средства заказчика всегда ограниченны. Ниже приведены некоторые из относительных критериев.

Капитальные затраты. Это первый критерий, который приходит в голову. Некоторым заказчикам он может казаться единственным. Однако есть и другие критерии, и некоторые из них оказывают большее влияние на общие затраты в течение срока службы здания, чем первоначальные капиталовложения.

Эксплуатационные расходы. Эксплуатационные затраты складываются из множества компонентов. В общем случае это энергия, водоснабжение и канализация, обслуживание, ремонт, замена оборудования и модификация системы. Многие из них напрямую определяются типом выбранной системы. На эксплуатационные затраты косвенное влияние оказывают другие факторы, например удобство обслуживания.

Надежность. Надежность является важным показателем, определяющим потребительские свойства систем климатизации. Под надежностью (безотказностью работы) системы понимается ее способность обеспечивать и поддерживать в обслуживаемом помещении требуемые значения параметров микроклимата и чистоты воздуха в заданный период времени, а под отказом – состояние, когда значения этих показателей вышли за заданные пределы.

Надежность является вероятностной характеристикой работы систем климатизации и зависит в основном от выбранной производительности систем и надежности работы оборудования:

Р_овк = Р_пр • Р_об, (1)

где Р_овк, Р_пр и Р_об – надежность системы, надежность выбора производительности системы и надежность работы оборудования соответственно.

Надежность работы оборудования систем климатизации определяется его качеством, основным показателем которого может являться наработка на отказ. Учет временной избыточности систем при выборе оборудования и схемного решения позволяет установить вероятность возможных отказов в работе оборудования, установить регламенты его обслуживания и ремонта, предусмотреть на основе объективных расчетов необходимость резервирования или дублирования систем и их элементов.

Гибкость (возможность переналадки). В настоящее время, когда при быстро развивающейся технологии для каждого проекта формируется рабочая группа, ничто не остается неизменным долгое время. Если в соответствии с потребностями новых пользователей здания меняется планировка или устанавливается новое оборудование, требующее специальных условий, легко ли будет адаптировать систему климатизации к новым требованиям?

Удобство обслуживания. Во что обойдется поддержание системы в рабочем состоянии, бесперебойная эффективная эксплуатация? Потребуется ли при периодическом обслуживании проведение работ во всех помещениях или только в вентиляционных камерах? Какая квалификация требуется для эксплуатации системы? Сколько квалифицированных операторов потребуется для управления системой или предлагаемая система может эффективно работать без спецперсонала? Это только часть вопросов, которые возникают на данном этапе, причем многие из них требуют проектного решения для обеспечения нормальной эксплуатации систем.

Цель применения систем

Рассмотрим причины, в силу которых владельцы зданий хотят оборудовать их современными системами климатизации.

Комфорт. Жилые и офисные здания, а также магазины номинально должны иметь системы кондиционирования для обеспечения комфорта находящихся в них людей. При этом у людей могут быть различные представления о том, что такое комфорт, но станет ли инвестор тратить деньги на оборудование помещений только из соображений бескорыстной заботы о людях? Очевидно, что инвестор на самом деле хотел бы обеспечить комфортные условия в помещениях для привлечения хороших арендаторов. Они, в свою очередь, согласны вносить более высокую арендную плату, чтобы нанимать лучший персонал, более продуктивно использующий рабочее время. Комфортные условия также способствуют тому, чтобы клиенты и покупатели охотнее проводили время в помещении и, возможно, тратили больше денег в предприятиях торговли и питания.

Промышленная технология. Некоторые производственные процессы нуждаются в контроле температуры и влажности окружающего воздуха. В других случаях, например в фармакологии, требуется обеспечение антисептической среды.

Условия хранения. Многие материалы так чувствительны к изменениям температуры и/или влажности, что срок их существования зависит от микроклиматических условий. Иногда прецизионные системы кондиционирования воздуха служат для поддержания постоянной температуры и влажности в хранилищах редких книг, особо ценных тканей или произведений искусства.

Эффективность производства. В некоторых отраслях, например при изготовлении музыкальных инструментов или в текстильном производстве, при наличии контроля температуры и влажности воздуха повышается качество изделий и уменьшается количество отходов. Производительность труда в офисах при выполнении обычной работы в кондиционируемых помещениях намного выше, а количество ошибок заметно ниже по сравнению с аналогичной работой в тех же условиях, но без кондиционирования.

Ценность/доходность недвижимости. Наличие систем кондиционирования воздуха является дополнительным преимуществом при покупке или аренде помещения, поэтому рыночная стоимость таких помещений увеличивается.

Xарактер изменения температуры в учебном классе при работе напольного отопления (а); при работе фэнкойлов (б): tрез – результирующая температура помещения; tв – температура воздуха в помещении; tст – температура стен; tпл – температура пола

Условия, ограничивающие выбор систем

Не существует какой-то единственной, самой лучшей системы климатизации на все случаи жизни. Не существует единственной оптимальной системы как для каждого типа проектов, так и для каждого отдельного проекта. Существуют системы, которые пригодны или непригодны для данного проекта. Среди подходящих систем одни будут работать лучше, другие хуже. Задача выбора состоит в том, чтобы отбросить неприемлемые варианты, а затем сравнить преимущества работоспособных систем. Сначала необходимо определить, все ли из работоспособных типов систем отвечают ограничивающим условиям конкретного проекта.

Расчетные нагрузки по теплу и холоду. Система охлаждения должна обеспечивать отвод тепла из помещений в соответствии с теплопоступлениями; система отопления – обогрев в соответствии с теплопотерями. Это относится и к зданию в целом, и к каждому отдельному помещению. Это означает, что проектировщик должен рассчитать пиковые нагрузки для каждого помещения и для каждой системы, а не использовать приближенные значения удельных показателей, взятые из практики. Это также означает, что мощность установки не может быть меньше расчетной.

Одним из существенных показателей при выборе схемных решений системы кондиционирования воздуха является неравномерность распределения тепловых нагрузок по обслуживаемым помещениям, которая характеризуется понятием «градиент тепловой нагрузки». Его величина определяется отношением относительной тепловой нагрузки отдельных помещений q_i к средней расчетной по всей площади здания, обслуживаемой системой кондиционирования воздуха q_ср:

D_q = q_i/q_ср. (2)

Чем больше отклонения значений градиентов от 1, тем большими регулирующими возможностями должна обладать система кондиционирования воздуха.

Зональное регулирование. Длительность пиковых нагрузок составляет лишь несколько часов в год, и в помещениях на разных сторонах здания пиковые нагрузки имеют место в различное время суток или в различные месяцы. Внутренние зоны нуждаются в охлаждении круглый год, независимо от параметров наружного воздуха. Для постоянного поддержания заданной температуры в каждом помещении система должна обеспечивать требуемую по времени производительность в соответствии с графиком. Это означает, что необходима возможность изменения производительности системы для каждого помещения (или группы помещений), независимо от остальных. Системы различных типов используют различные методы регулирования производительности, которые могут оказывать большое влияние на размер систем и эксплуатационные затраты.

Отопление. Система должна восполнять теплопотери через наружные стены и кровлю, а также обеспечивать нагрев наружного воздуха, подаваемого в здание (вентиляция) или проникающего через неплотности (инфильтрация). Подача тепла во внутреннюю зону не может возместить теплопотери через остекление в помещениях периметральной зоны. Для поддержания комфортных условий в холодный период года система отопления должна также предохранять людей от ниспадающих холодных потоков воздуха от окон и от наружных стен с недостаточной теплоизоляцией.

Вентиляция. Люди, находящиеся в помещении, нуждаются в вентиляции. В общем случае количество вентиляционного воздуха должно соответствовать рекомендациям и сводам правил. Требования к системе вентиляции предусматривают снижение концентрации различных загрязнений воздуха до приемлемого уровня. В основном это загрязнения биологического характера, вызванные присутствием людей, вот почему многие требования к вентиляции используют показатель расхода приточного воздуха в м³/ч на человека. Однако в помещениях есть и другие источники вредных выделений: копировальная техника, факсы, лазерные принтеры, ковры, отделочные материалы, а иногда даже мебель.

Архитектурные ограничения. Система должна вписываться в отведенное для нее пространство. Для одних систем критическим размером может быть высота этажа, для других – зазор между установленным оборудованием и потолком. Другие факторы, связанные с размещением, включают место для прокладки воздуховодов, машинные залы или небольшие комнаты для оборудования. Вторжение в помещения – физическое, при установке фэнкойлов, или акустическое, в виде шума от оборудования под потолком или в смежном помещении, – важно для многих заказчиков и для большинства архитекторов. Вторжение также может быть визуальным: если систему не удается сделать невидимой, она, по крайней мере, должна гармонировать с дизайном интерьера.

Бюджет. Порой бюджет бывает самым жестким ограничением, имеющим первостепенную важность для заказчиков. Хотя большинство заказчиков ограничено определенной суммой затрат на проект, самые здравомыслящие признают, что система с низким энергопотреблением и дешевым обслуживанием – это хорошее размещение капитала. Заказчики могут иногда пойти на большие капиталовложения, если видят предварительно рассчитанное снижение годовых затрат. Информация, убеждающая их в этом, должна содержаться в проектной документации.

Стандарты и нормативы. Проектировщики обязаны разрабатывать системы, удовлетворяющие действующим стандартам и нормативам. Помимо этого необходимо получить разрешение на строительство запроектированной системы, а это предполагает рассмотрение проекта в надзорных органах. Иногда проектировщик предлагает альтернативное решение, которое должно быть согласовано с надзорными органами. Целесообразно обсудить эти вопросы до того, как официально обратиться за согласованием, и, разумеется, до начала строительства. В связи с этим проектировщик должен знать все надзорные органы, обладающие соответствующими юридическими правами, и уметь урегулировать спорные вопросы во всех инстанциях, от которых требуется получить разрешение.

Нагрузки

При выборе системы необходимо рассмотреть все типы нагрузок и их распределение по помещениям.

Явная и скрытая теплота. Нагрузка на охлаждение состоит из явной и скрытой частей (определяемых соответственно температурой воздуха по сухому термометру и влагосодержанием воздуха). На психрометрической диаграмме явное тепло представлено горизонтальным отрезком, а скрытое тепло, или влагосодержание,?– вертикальным отрезком.

Помещение и холодильное оборудование. Тепло в помещение поступает за счет трансмиссионной теплопередачи через ограждения, солнечной радиации через окна и внутренних тепловыделений. Теплообменник-охладитель должен ассимилировать не только теплопоступления в помещение, но и нагрев рециркуляционного воздуха, тепло и влагу наружного вентиляционного воздуха и тепловыделения вентиляторов, установленных до охладителя. Таким образом, тепловая нагрузка помещения существенно отличается от тепловой нагрузки на холодильное оборудование, которая, в свою очередь, зависит от типа систем.

Доля явного тепла. Этот показатель определяется как отношение явного тепла к полному (сумме явной и скрытой теплоты). Доля явного тепла в нагрузке помещения отличается от такого же показателя для холодильного оборудования. Доля явного тепла для помещения определяет оптимальную температуру и расход приточного воздуха.

Сужение области выбора

Существует так много вариантов возможных решений, что задача выбора может показаться сложной и противоречивой. Вот два основных вопроса, существенных для выбора системы:

1. Каким образом и где производится тепло или холод?
2. Как подать тепло или холод к месту использования?

Анализ возможных вариантов

Первым делом должна быть поставлена задача: дано описание здания и его назначения, определение условий работы систем.

Таблица выбора систем. Как не бывает единственной оптимальной системы для каждого проекта, так нет и единственно верного способа представления результатов выбора систем. Одним из способов представления большого объема информации в сжатой форме является сводная таблица. В простом проекте для принятия решения достаточно таблицы с достаточно грубыми оценками (хорошо, лучше, очень хорошо) и сопроводительного письма для заказчика. Такая таблица включает информацию о том, какие системы рассматривались, каковы преимущества и недостатки каждой системы для данного проекта по таким параметрам, как комфорт, размещение, капитальные и эксплуатационные затраты.

Комфорт. В этом разделе сравниваются возможности каждой системы по обеспечению комфортных условий, рассматриваются вопросы местного регулирования температуры, зонального регулирования, шума, подачи наружного вентиляционного воздуха, возможности потолочного отопления, локализации дутья со стороны окон при большой высоте остекления, сравнительной эффективности различных способов очистки воздуха, а также последствия отказа одного из элементов оборудования.

Место для размещения. Сколько места требуется для размещения системы, включая воздуховоды и шахты для трубопроводов, а также венткамеры и стенные шкафы? Каков необходимый объем пространства за подшивным потолком для подачи приточного воздуха? Накладывает ли система ограничения на расстановку мебели в помещении? Где должны выполняться работы по текущему обслуживанию системы?

Капитальные затраты. Первоначальные капитальные вложения – это не только стоимость самой системы ОВК, это еще и влияние различных систем на стоимость электроснабжения, стоимость занимаемой площади или специальных строительных работ и ограждений, а также возможной в дальнейшем перепланировки или установки дополнительного специального оборудования. Ожидаемый срок службы системы также связан с капитальными затратами.

Эксплуатационные расходы. В первую очередь мы думаем о стоимости энергии, потому что обычно это самая крупная составляющая эксплуатационных затрат. Возможность использования «бесплатного» холода в зимнее время, утилизаторов тепла для вентиляции, сглаживания пиковых нагрузок с помощью аккумуляторов тепла оказывает влияние на стоимость энергоснабжения. Кроме того учитывается, потребуется ли для системы периодический надзор или же постоянный обслуживающий персонал? Какова сравнительная стоимость планового техобслуживания и ремонта? Для систем с водяным охлаждением существенную роль может играть стоимость воды, химической водоподготовки и специальных водостоков.

В более сложных проектах проектное предложение может занимать много страниц со схемами, расчетными таблицами, пояснительным текстом и количественными сравнениями.

Рекомендации и их обоснование. Проектное предложение должно завершаться рекомендациями проектировщика с соответствующим обоснованием. При выполнении сравнения вариантов важно помнить также, что у заказчика могут быть свои соображения, которые окажут решающее влияние при сравнении достоинств различных систем.

Допустимо отметить, что рекомендованная система может быть и не единственной отвечающей требованиям проекта. В связи с этим важно, чтобы в проектном предложении было точно указано, какие системы в принципе пригодны для проекта, а какие нет; нужно дать заказчику всю информацию, на которой основываются рекомендации, и объяснить, почему рекомендуемая система обладает наибольшими преимуществами для данного проекта.

Выводы. Проектное предложение о выборе системы – это важнейший документ проекта. Вся дальнейшая разработка проекта построена на содержании этого предложения. Что важно запомнить о выборе типа системы?

• Не существует единственной, самой лучшей системы. Каждый проект имеет свои особенности.
• Выбор системы – это важное решение. Для его подготовки требуется выполнить большой объем работ, и это вполне обоснованно.
• Заказчик имеет право знать, что вы принимали во внимание, когда давали рекомендации.
• Принимать окончательное решение по выбору систем – не ваша задача. Вы обязаны проследить за тем, чтобы заказчику были предоставлены все данные, необходимые для принятия правильного решения.

Литература

1. Elovitz D. M. Обоснованный выбор систем ОВК // AВОК. – 2002. – № 5.
2. Наумов А. А. Выбор энергоэффективных систем кондиционирования воздуха офисных зданий // AВОК. – 2000. – № 4.
3. Шилькрот Е. О. Эффективность систем отопления и вентиляции зданий // AВОК. – 2003. – № 4.
4. Наумов А. Л., Смага Г. А., Шилькрот Е. О. Определение годовых расходов энергии на эксплуатацию зданий // AВОК. – 2010. – № 4.
5. Bunn R. Системы кондиционирования воздуха, предпочитаемые инвесторами // АВОК. – 2001. – № 5.
6. Erick van Egeraat, Gerhard Hausladen, Наумов А. Л. Проект Корпоративного университета Сбербанка на Истре // АВОК. – 2013. – № 4.
7. Экологическая безопасность. Взаимосвязь здания и инженерного оборудования // АВОК. – 2006. – № 4.