СКВ для музейных помещений на примере национальной художественной галереи в г. Йошкар-Оле

О. Я. Кокорин, доктор техн. наук, профессор МГСУ

Н. В. Товарас, канд. техн. наук, генеральный директор ООО «НПФ «ХИМХОЛОДСЕРВИС», tovaras@himholod.ru

А. П. Иньков, канд. техн. наук, директор ООО «ЭКОТЕРМ»

М. А. Колосов, канд. техн. наук, доцент МГТУ им. Н. Э. Баумана, ведущий специалист ООО «НПФ «ХИМХОЛОДСЕРВИС», kolosov@bmstu.ru; kolosov@himholod.ru

Информация о галерее

Новое здание национальной художественной галереи в Йошкар-Оле (рис. 1) располагается в пятиэтажном здании с подвалом, полезная площадь внутренних помещений здания составляет 1747,5 м². Два экспозиционных зала суммарной площадью 630,0 м² находятся на втором и третьем этажах галереи и предназначены для экспозиции произведений живописи, графики и изделий художественно-декоративных промыслов. Остальные помещения занимают административные и технические службы.

Рисунок 1. Вид южного фасада здания государственной галереи в Йошкар-Оле

В подвале галереи находятся технические помещения, здесь же расположены центральные кондиционеры. Для круглогодичного регулирования температуры и воздухообмена в подвальном помещении установлены восемь эжекционных доводчиков (ДЭ) суммарной производительностью 1200 нм³/ч свежего воздуха.

На первом этаже галереи находятся лекционный зал, административные помещения и гардероб, где воздухообмен и тепловой комфорт для людей обеспечиваются при минимуме санитарной нормы приточной вентиляцией. Для этого на этаже размещены 16 ДЭ, подающих свежий наружный воздух и поддерживающих температуру на уровне не ниже +20 °C зимой и не выше +26 °C летом.

Для экспозиционных залов на втором и третьем этажах с заказчиком (администрацией Йошкар-Олы) были согласованы специальные технические условия, отвечающие самым строгим стандартам, предъявляемым к музейным помещениям: температура в пределах от 20 °C зимой до 24 °C летом и относительная влажность воздуха в пределах от 50 до 60 %. СКВ этих залов должны круглогодично в автоматическом режиме поддерживать назначенные параметры воздуха и не допускать их резких скачков, особенно влажности. Такие условия гарантируют сохранность художественных ценностей при самых неблагоприятных внешних воздействиях.

Основным элементом СКВ каждого из экспозиционных залов является приточно-вытяжной центральный кондиционер производительностью V_пн = 5000,0 нм³/ч наружного воздуха, что гарантирует выполнение санитарных норм по подаче свежего воздуха в эти помещения. В составе каждого приточного агрегата предусмотрены: системы рекуперации тепла вытяжного воздуха, высокоэффективный блок адиабатного увлажнения, подогрева и охлаждения, блок конденсационной осушки, фильтрации, регулирования и обеззараживания приточного воздуха. Воздух, подготовленный в кондиционерах, поступает к эжекционным доводчикам в экспозиционных залах. В каждом зале размещены по 24 четырехтрубных ДЭ и четыре двухтрубных ДЭ, в которых выполняется окончательная обработка воздуха перед подачей его в зал. На четвертом этаже расположены административные помещения и мастерские, в которых размещены 16 четырехтрубных ДЭ, обеспечивающих воздухообмен и регулирующих внутреннюю температуру в помещениях зимой и летом.

Пятый этаж занимают технические помещения и центральная холодильная станция, где размещены два холодильных агрегата с номинальной холодопроизводительностью по 180 кВт. Каждый агрегат имеет два рабочих контура с двумя спиральными ком-прессорами в каждом контуре. Холодопроизводительность регулируется ступенчато в пределах от 100 до 25 % с последовательной остановкой компрессоров. Агрегаты заправлены озонобезопасным фреоном R407c и охлаждают хладоноситель, в качестве которого используется чистая вода с присадкой ингибиторов, с +12 до +7 °C. Хладоноситель поступает к центральным кондиционерам и эжекционным доводчикам.

Климатические условия

Климатические условия Йошкар-Олы характеризуются как умеренно-континентальные, с длинной холодной зимой и теплым летом, с быстрой сменой внешних условий при прохождении атмосферных фронтов. Средняя температура летом +17,2 °C, наибольшая температура наблюдается в середине июля, когда воздух прогревается до +38 °C. Осенью погода холодная и влажная, с быстрой сменой наружных условий, возможны ранние заморозки и снег. Зима, как правило, начинается в ноябре, и средняя температура за зиму –11,7 °C, самый холодный месяц – январь, когда температура наружного воздуха может опус-каться до –47,0 °C. Весна в целом прохладная и сухая [6].

Расчет и проектирование СКВ экспозиционных залов выполнялись отдельно для зимнего и летнего периодов; спроектиро-ванная система проверялась на работу в межсезонье. В каждом из периодов проектирование СКВ выполнялось по экстремальным параметрам, после чего проводилась проверка по средним расчетным параметрам с обеспеченностью 0,98.

Расчет параметров СКВ

Средние расчетные параметры наружного воздуха для зимнего отопительного периода в Йошкар-Оле приняты [6]:

• средняя температура за отопительный период t_н.ср = –5,1 °C;
• средняя относительная влажность φ_н.ср. = 80 %, что соответствует влагосодержанию d_н.ср. = 2 г/кг.

Продолжительность отопительного периода, когда среднесуточная температура не превосходит +8, °C, составляет не менее 220 суток. При необеспеченности 0,98 суммарное время отклонений параметров в залах за сезон может превысить 100 часов, что недопустимо для музейного помещения. Поэтому СКВ для экспозиционных залов проектировались на экстремальные внешние условия: на абсолютную минимальную температуру t_н.min = –47,0 °C при влагосодержании d_н.min = 0,04 г/кг [6]. Низкое влагосодержание наружного воздуха вынудило принять для экспозиционных залов галереи в расчетном режиме более высокие нижние границы температуры и относительной влажности (t_вн = 20 °C и φ_вн = 50 %), чем это рекомендуется федеральными требованиями [3, 4, 5].

Для холодного периода года расчет выполнялся для двух режимов: ночного, когда в зале отсутствуют люди и минимум технических тепловыделений, и дневного, в режиме максимального заполнения зала людьми, когда есть теплопоступления от людей и приборов. На диаграмме влажного воздуха (i-d-диаграмме) (рис. 2) показаны процессы обработки наружного воздуха для этих двух режимов как в условиях низких (t_н.min), так и средних за отопительный период (t_н.ср) наружных температур. На этой же диаграмме точками 1 ÷4 выделена допустимая область параметров (Вн) для обслуживаемой зоны (зоны пребывания людей) в экспозиционных залах.

Подготовка наружного воздуха выполняется в два этапа: в центральных кондиционерах, размещенных в подвальном помещении, и в эжекционных доводчиках, размещенных в залах по специальному проекту. При расчете учитывалось также влияние вытеснительной вентиляции залов на работу СКВ.

Рисунок 2. построение двух режимов работы СКВ для экспозиционного зала в холодный и переходный периоды года. Обозначение процессов: Нmin (Нср) > Нк (Нк.ср) – нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха при минимальной (средней) температуре наружного воздуха; Нк (Нк.ср) → А – адиабатное увлажнение, протекающее по изоэнтальпе; А → Пн – нагрев в вентиляторе и воздуховодах; В → Вт – нагрев эжектируемого воздуха в теплообменнике ДЭ; Пн → П ← Вт – смешение приточного и рециркуляционного потоков воздуха в ДЭ; П → В – трансформация параметров воздуха в обслуживаемой зоне

В ночном режиме, при минимальных нагрузках в зале, условию минимума нагрузок на СКВ отвечают параметры точки 1 в области допустимых параметров обслуживаемой зоны зала t_вн (см. рис. 2). В этой точке температура воздуха t_вн1 = +20 °C и относительная влажность φ_вн1 = 50 %, что соответствует влагосодержанию d_вн1 = 7,2 г/кг. Поэтому на первом этапе, в центральных кондиционерах, готовился воздух с влагосодержанием не ниже d_вн1 = 7,2 г/кг с возможностью небольшого превышения этого влагосодержания при всех возможных колебаниях параметров наружного воздуха за весь отопительный период.

Для этого наружный воздух нагревался в двух ступенях: в теплообменнике-утилизаторе теплоты вытяжного воздуха, подогрев в котором ограничивается работоспособностью теплообменника на стороне вытяжки, и в калорифере, подключенном к системе горячего водоснабжения. При низких температурах влагосодержание наружного воздуха много ниже d_вн1 = 7,2 г/кг, и поэтому температура нагрева в калорифере регулируется так, чтобы после увлажнителя в точке А (см. рис. 2) его влагосодержание составляло dА = 7,2 г/кг. Например, при минимальной наружной температуре t_нmin = –47,0 °C воздух нагревался до t_нк = +31 °C, что соответствует температуре мокрого термометра t_нк.м = +11 °C. В адиабатном увлажнителе приточный воздух орошается водой, и его температура снижается до точки А (см. рис. 2). Эффективность блока адиабатного увлажнения (Е_а) равна 0,9, и поэтому температура в точке А составит:

t_А = t_нк – Е_а (t_нк – t_нк.м) = 31 – 0,9 × (31–11) = 13.

При этом влагосодержание воздуха возрастет до d_пн = 7,2 г/кг, что требуется в этом режиме работы. Если же температура наружного воздуха выше – например, соответствует точке tн.ср, то подогрев в калорифере выполняется до параметров точки t_нк.ср, которой также соответствует температура по мокрому термометру t_нк.м = +11 °C, и поэтому после адиабатного увлажнителя, с учетом его эффективности, мы также получим воздух с влагосодержанием не ниже 7,2 г/кг.

Глубокие скачки параметров наружного воздуха по температуре и влажности в зимний и переходный периоды года эффективно компенсируются в цент-ральном кондиционере сочетанием регулируемого подогрева и эффективного адиабатного увлажнения. Расчеты показывают, что в широком диапазоне изменений внешних параметров на выходе кондиционеров получается приточный воздух с небольшими отклонениями от целевых значений: с температурой t_А = 13,0 ± 0,5 °C и влагосодержанием d_А = 7,2 ÷ 8,0 г/кг.

Приготовленный таким образом в кондиционерах воздух поступает в объеме до V_пн = 5000 м³/ч в каждый из залов. Приточный вентилятор каждого кондиционера, в котором температура воздуха повышается на один градус (точка П_пн), нагнетает газ в распределительную сеть отдельно для второго и третьего этажей, откуда он поступает к эжекционным доводчикам, расположенным в основном в подоконных нишах на южной стене каждого зала.

Реализованная система

Местно-центральная СКВ, реализованная в экспозиционных залах, оснащена отечественными доводчиками, в которых выполняется окончательная регулировка параметров приточного воздуха перед подачей его в зал. В основном доводчики установлены в подоконном пространстве на южном фасаде здания галереи. Для сохранения архитектурного облика зала доводчики размещены за декоративными панелями с приточными решетками (рис. 3).

Рисунок 3. Вид на доводчики в подоконном пространстве и способ их подключения (на выноске)

В отопительный период доводчики автоматически, по сигналам от датчиков в зале, компенсируют теплопотери зала. Нагретый воздух от ДЭ поступает в зал и поддерживает внутреннюю температуру в установленных границах t_вн = +20,0÷24,0 °C. При этом влагосодержание автоматически выдерживается в границах φ_вн = 50÷60 %.

Конструкция эжекционного доводчика предназначена для круглогодичного прецизионного кондиционирования воздуха во внутренних помещениях, имеет внешний подвод первичного приточного воздуха, в зависимости от сезона охлажденного или подогретого в центральном кондиционере, и встроенные корректирующие теплообменники, которые подключаются к системам подачи тепла и (или) холода, которые регулируются по сигналам от датчиков во внутреннем помещении. На рис. 3 показана схема подключения отдельного доводчика. В зависимости от решаемых задач встроенные теплообменники имеют двух- или четырехтрубную систему питания. В каждом экспозиционном зале размещено по 28 эжекционных доводчиков, из которых 24 доводчика четырехтрубные с двумя встроенными теплообменниками, способные регулировать как подогрев циркулирующего воздуха зимой, так и его охлаждение летом, а остальные – двухтрубные с одним теплообменником–нагревателем – предназначенные только для подогрева циркулирующего воздуха в отопительный период.

Рисунок 4. Конструкция, основные элементы и принцип работы эжекторного доводчика

Принцип работы доводчика показан на рис. 4. Выбранные доводчики рассчитаны на подачу 150 нм³/ч приточного первичного воздуха, что регулировалось выбором размера сопел. Наружный воздух от приточной секции кондиционера поступает в камеру первичного воздуха и через сопла диаметром 5 мм со скоростью примерно 14 м/сек нагнетается в камеру смешения. В камере смешения создается разрежение, которое эжектирует через щель в подоконнике внутренний воздух из помещения. Воздух эжектируется со стороны внутреннего остекления и из верхней зоны помещения. У используемых доводчиков коэффициент эжекции равен К_э = 2,8, что соответствует рециркуляции 420 нм³/ч внутреннего воздуха из помещения. В зависимости от сезона эжектируемый поток внутреннего воздуха нагревается или охлаждается во встроенных теплообменниках.

Литература

1. Thomson G. The Museum Environment. Scientific Adviser. 2nd ed. – London: Butterworths, 1986.
2. Технология, исследование и хранение произведений станковой и настенной живописи / Под ред. Ю. И. Гренберга. – М.: Изобразительное искусство, 1987.
3. СНиП 2.08.02–89* «Общественные здания и сооружения». – М., 1989.
4. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 30494–96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». – М., 1996.
5. СНиП 2.04.05–91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование». – М.: ГУП ЦПП, 1998.
6. СНиП 23-01–99 «Строительная климатология». – М.: ГУП ЦПП, 2000.

Окончание статьи читайте в следующем номере