Взгляд из Германии на перспективное развитие систем ОВК

Klaus Fitzner, Институт отопления и кондиционирования воздуха, Берлинский Технический Университет

Введение

Я не пророк, а всего лишь профессор, поэтому не в состоянии открыть вам правду о будущем, хотя, откровенно говоря, не сожалею об этом. Разумеется, многие из нас постоянно трудятся на благо будущего. Я могу говорить только об этих усилиях и об их скромных результатах.

Широкий взгляд на наш мир позволяет отметить некоторые факторы, определенно влияющие на будущее. Одним из таких факторов является постоянный рост населения. Ежегодный прирост населения составляет 100 млн. чел., несмотря на все войны, катастрофы и болезни. Можно сказать, что ежегодно к населению планеты добавляется в 6 раз больше людей, чем проживает в Нидерландах.

Рост населения уже сейчас вызывает множество проблем, при этом все ныне живущие и вновь рождающиеся люди будут стремиться улучшить условия жизни; это относится и к нам, хотя наш уровень жизни уже достаточно высок.

На рис. 1 показан известный график роста населения планеты. Предположительно, темп роста снизится с 1,5% (настоящее время) до 0,7% (через 50 лет). Вероятно, снижение темпов роста будет связано с тем, что стандарт жизни большинства населения приблизится к существующему в развитых странах в настоящее время. Рост населения неизбежно вызовет рост энергопотребления, последствием которого станет увеличение загрязнения атмосферы, поскольку в ближайшие 50 лет будет использоваться, в основном, ископаемое топливо.

На рис. 2 показаны кривые роста мирового энергопотребления, построенные на основе различных допущений. В любом случае выбросы CO₂ будут увеличиваться. Однако интересно отметить, что для двух различных моделей (1 - "непрерывное возрастание", 2 - "дематериализация") доля ископаемого топлива в энергетике будет преобладающей в ближайшие несколько десятилетий, а доля возобновляемых источников энергии станет значительной к 2020-2030 гг. Для той и другой модели выбросы CO₂ будут возрастать до 2020 г., затем, вероятно, стабилизируются, а позже начнут снижаться. Уровень CO₂, соответствующий настоящему времени, будет вновь достигнут к 2060 г.

Однако вернемся к системам ОВК. Известно, что на нужды отопления и вентиляции зданий приходится значительная доля энергозатрат. Эта доля должна быть снижена, но, разумеется, не за счет снижения жизненного уровня. Ни одно демократическое правительство не сможет осуществлять такую политику без риска быть отправленным в отставку. Но в этом и нет никакой необходимости. Повышение уровня комфорта может быть достигнуто без увеличения энергопотребления и даже при снижении этого показателя. Такие исследования в отрасли ОВК в настоящее время уже проводятся. Основные направления энергосбережения в зданиях: улучшение теплоизоляции, "пассивная" защита от солнечного излучения и других внешних теплопоступлений, повышение эффективности систем микроклимата, использование вторичных энергоресурсов. Дополнительным источником экономии энергии может быть сведение к минимуму воздухообмена с окружающей средой, при условии эффективной очистки воздуха в здании. Величина воздухообмена 1,0/ч представляется вполне реальной.

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ КОМФОРТА В ЗДАНИЯХ

Тепловой комфорт

Повышение общего уровня жизни ставит соответствующие требования к системам ОВК по обеспечению теплового комфорта и качества воздушной среды в помещениях. Условия, которые при этом должны выполняться, недавно рассматривались на общеевропейском уровне и сформулированы в докладе CR 1752 CEN\TC 156 "Вентиляция зданий: нормы проектирования". В этом докладе, который в дальнейшем станет нормативным документом, намечены рассматриваемые направления энергосбережения.

Основные требования, относящиеся к тепловому комфорту, определяют, во-первых, допустимый уровень эффективной температуры в помещении, в зависимости от степени тяжести выполняемой работы и теплозащитных свойств одежды, и, во-вторых, максимально допустимую подвижность воздуха в рабочей зоне.

Выполнение заданных требований по температуре не вызывает проблем со стороны систем ОВК. Гораздо труднее обеспечивать требования по подвижности воздуха. В докладе CR 1752 предлагаются допустимые скорости воздуха на рабочих местах от 0,15 до 0,2 м/с соответственно для категорий от А до С (принятая степень турбулентности составляет 50%). Подвижность воздуха в помещении зависит не только от воздухообмена и типа приточного устройства, но и от удельной нагрузки по охлаждению для данного помещения. На рис. 3 приведены кривые зависимости подвижности воздуха от удельной нагрузки на охлаждение для помещения высотой 3 м. Средняя скорость воздуха в помещении, в основном, не превышает допустимых пределов. Удельная нагрузка по холоду определена как общая нагрузка, отнесенная к площади пола при условии равномерного распределения источников тепла по помещению. Это условие ограничивает возможность применения смесительных воздухораспределителей и охлаждающих потолков - для холодопроизводительности не более 100 Вт/м² (см. рис. 3). В результате многочисленных экспериментов по воздухораспределению в помещениях выявлена область оптимального применения воздухораспределителей смесительного типа - треугольная зона на рис. 4, где по оси ординат отложена удельная нагрузка помещений по охлаждению, а по оси абсцисс - удельный воздухообмен, отнесенный к площади пола. Ограничение слева - принятый перепад температур приточного воздуха и воздуха помещения, ограничение справа - максимально допустимая подвижность воздуха помещения 0,15-0,2 м/с. Максимальная нагрузка по холоду 100 Вт/м² соответствует воздухообмену 30 м³/(ч·м²) или 8 л/(c·м²). При этом оптимальное размещение воздухораспределительных устройств - один воздухораспределитель на 1 м³ обслуживаемого помещения. Правая разграничительная линия на рис. 4 разделяет области применения приточной вентиляции по типу "смешение" и "замещение". Справа от пограничной линии - зона устойчивой работы вытесняющей вентиляции, при этом холодопроизводительность системы не ограничена и может составить 1 кВт/м² и более. Вентиляция по способу "замещения" приточным воздухом воздуха помещения связана с большими значениями воздухообмена, которые характерны, в первую очередь, для "чистых комнат".

Подача воздуха в нижнюю зону может применяться при различных условиях. Если воздухообмен составляет менее 50 м³/(ч·м²), то вытеснения воздуха из нижней зоны практически не происходит, хотя такой способ вентиляции в британской литературе назван "замещающим". Как показано на рис. 5, существует большая область, для которой целесообразно использовать воздухораспределители с сосредоточенной подачей в сочетании с охлаждающим потолком, доля которого в общей холодопроизводительности не превышает 100 Вт/м². Единственным ограничивающим условием для воздухораспределителей является величина воздухообмена. Правая ограничительная линия отделяет область применения приточной вентиляции с сосредоточенной подачей от вентиляции по принципу "замещение"; в последнем случае проблема сквозняков не возникает даже при больших значениях воздухообмена. В дальнейшем оба типа воздухораспределения найдут применение: при этом сосредоточенная подача воздуха имеет определенные преимущества, так как обеспечивает более высокую эффективность вентиляции. При низкой холодопроизводительности системы (от 30 до 60 Вт/м²) смесительная вентиляция может использоваться без риска образования сквозняков.

Качество воздуха в помещении

Когда проблемы теплового комфорта решены, остается другая задача - обеспечение требуемого качества воздуха в помещении. Об этом свидетельствуют результаты обследования "EG-Audit: Оптимизация качества воздуха и энергопотребления в офисных зданиях". По результатам стандартного тестирования число людей, не удовлетворенных качеством воздуха, превышает 50%.

Мы до сих пор не знаем причин "синдрома неблагополучных зданий", хотя по этому вопросу проводилось множество исследований. Разумеется, в дальнейшем он будет разрешен. Без сомнения, в основе проблемы лежит неудачный проект здания, включающий недостатки в системе вентиляции, и неправильная эксплуатация этой системы. Плохое качество воздуха становится дополнительной проблемой, стоящей в одном ряду с социологическими и психологическими.

Текущие исследования по неблагополучным зданиям, проводимые в настоящее время в Германии, охватывают 14 зданий с естественной и механической вентиляцией. Первые результаты свидетельствуют о том, что системы естественной вентиляции, в общем, воспринимаются людьми лучше, чем системы механической вентиляции. Единственным исключением является здание с хорошо обслуживаемой системой кондиционирования воздуха, где использовано воздухораспределение с сосредоточенной подачей.

Это дает основание полагать, что мы находимся на верном пути. Во-первых, методы улучшения качества воздуха должны совершенствоваться, а специалисты по системам ОВК должны осваивать методы сенсорной оценки качества воздуха в помещениях. Есть надежда, что в ближайшем будущем найдут применение электронные анализаторы запахов. Мы уже испытывали эти приборы для пропана-2. Оказалось, что результат приборной оценки неизвестных образцов пропана-2 аналогичен экспертной оценке по стандартной методике.

Цель исследований качества внутреннего воздуха состоит в выявлении и количественной оценке источников загрязнения для того, чтобы в дальнейшем проектировщики могли их исключить или хотя бы уменьшить. Следующим шагом может стать уменьшение кратности воздухообмена с целью снижения энергопотребления. Поскольку стоимость оборудования для обработки воздуха обычно пропорциональна воздухообмену, производители оборудования могут негативно отнестись к этой идее. На самом деле затраты на оборудование вовсе не обязательно должны уменьшиться, так как повышение качественного уровня системы потребует более высококачественной техники.

Проведенные исследования также приводят к выводу о том, что следует снизить загрязнение воздуха, вносимое самой системой вентиляции. Для этого потребуется более тщательный выбор материалов и доработка некоторых компонентов.

Основная задача проектировщиков зданий и систем ОВК в том, что касается чистоты воздуха, показана на рис. 6. Показатель "ощущаемого качества воздуха" (PAQ) желательно довести сначала до уровня 6 дп (деципол), а затем - до 4 дп. Уровень 4 дп в здании может быть достигнут при воздухообмене 10л/ч.чел, если загрязнение наружного воздуха не превышает 1 дп, а дополнительное загрязнение, вносимое системой кондиционирования, людьми в помещении и строительными материалами, также ограничено. Эта цель может быть достигнута только в том случае, если для систем кондиционирования и внутренней отделки помещений применяются материалы, не выделяющие вредных веществ. Как свидетельствуют вышеупомянутые обследования (European Audit), такие результаты уже достигнуты в ряде европейских стран для некоторых типов зданий (рис. 7).

ОЖИДАЕМОЕ СНИЖЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК В ЗДАНИЯХ

Жилые здания

Вышеперечисленные требования к тепловому комфорту и качеству воздуха касаются всех типов зданий. Жилые здания обычно характеризуются невысоким уровнем внутренних тепловыделений - до 10 Вт/м². В нашем климате при этом не требуется искусственное охлаждение. Системы механической вентиляции в настоящее время также не являются необходимыми, поскольку естественная вентиляция представляется более предпочтительным и дешевым вариантом (если нет особых проблем с качеством внутреннего воздуха). Открывание окон для проветривания позволяет обеспечить воздухообмен на уровне 0,7/ч, независимо от того, имеется в здании система вентиляции или нет. Если внутренние источники загрязнений незначительны, воздухообмен на уровне 0,5/ч, обеспечиваемый системой естественной вентиляции, можно считать вполне достаточным.

А как обстоит дело с отоплением жилых зданий? Потребуются ли в будущем системы отопления? В любом случае тепловая нагрузка на отопление снизится благодаря улучшению тепловой изоляции зданий. Однако существует нижний предел расхода тепла, определяемый потребностью в горячем водоснабжении. Графики на рис. 8 дают представление о том, каков вклад зданий с "пассивной" теплозащитой в экономию энергии. Разница в общих энергозатратах для зданий с системой отопления и зданий с дополнительно усиленной теплозащитой минимальна. В диапазоне среднегодовой удельной тепловой нагрузки от 10 до 15 кВт·ч/м² общие затраты для зданий с пассивной теплозащитой и энергоэффективных зданий примерно одинаковы, так как при таком режиме потребность в отоплении минимальна. Однако при этом не учитывается потребление тепла на горячее водоснабжение. Для этих целей перспективным решением представляется использование водонагревателей на жидком топливе с резервуарами-аккумуляторами горячей воды.

Рассмотренные результаты исследований относятся только к вновь построенным зданиям. Это означает, что ощутимые результаты экономии энергии на обогрев зданий могут появиться только по истечении значительного времени. Существующие здания могут быть реконструированы, но они никогда не достигнут уровня энергоэффективных зданий. Усиление теплоизоляции является дорогостоящим мероприятием и вряд ли осуществимо в короткие сроки.

Можно допустить, что средняя площадь жилых и производственных зданий, приходящаяся на одного жителя Северной Европы, составляет 30 м². Если считать, что соответствующая площадь наружных ограждений примерно такая же, а стоимость дополнительной теплоизоляции оценивается в 400 DM/м² - тогда каждый человек должен затратить 12 000 DM, а в целом для Германии реконструкция существующих зданий обойдется в 1 миллиард DM. Такая огромная сумма, естественно, не может быть израсходована на эти цели в ближайшем будущем.

Административные здания

На примере административных зданий можно проследить трудность прогнозирования в рассматриваемой области. Все изменения в энергопотреблении за последние десять лет были связаны не с усилением теплоизоляции, а с повышением эффективности осветительных систем и с уменьшением норм освещенности от 1000 до 500 люкс. Вследствие этого теплопоступления от освещения снизились от 60 Вт/м² приблизительно до 8 Вт/м². Новые системы освещения, кроме того, могут дополнительно регулироваться в соответствии с потребностями пользователей.

В будущем уже не придется видеть, что в солнечные дни в зданиях закрыты жалюзи и включено искусственное освещение. Естественное освещение будет использоваться более эффективно путем совершенствования конструкции окон и перенаправления дневного света во внутреннюю зону. Естественный дневной свет создает меньшую тепловую нагрузку по сравнению с электрическим освещением, так как включает меньшую долю инфракрасного излучения и, кроме того, при дневном освещении не расходуется электроэнергия. Время использования электрического освещения может быть снижено до 10-15% от длительности рабочего дня (рис. 9, данные Hauser и Szerman). Для этого необходимо, чтобы площадь остекления составляла не менее 70% площади наружных стен. С другой стороны, при таком большом остеклении на фасадах зданий должны присутствовать затеняющие конструктивные элементы для предотвращения перегрева в солнечные дни. К сожалению, не все проектировщики учитывают это должным образом.

Снижение энергопотребления административными зданиями может быть достигнуто только при условии эффективной защиты от солнечной радиации. При этом многие здания перестанут нуждаться в системах кондиционирования воздуха. Можно рассчитать, какая величина теплопоступлений является предельно допустимой для зданий без СКВ. На рис. 10 представлены результаты расчетов, выполненных Rouvel и др. График показывает максимально допустимое значение тепловой нагрузки помещения при условии поддержания температуры в помещении не выше 25°С в течение 90% рабочего времени в зависимости от относительной теплопроницаемости фасада (т. е. уровня остекления). Величина 0,1 соответствует полностью остекленному фасаду, 0,25 - при наличии внутренних солнцезащитных устройств. Пунктирными линиями изображен режим с дополнительным охлаждением 30 Вт/м², сплошными линиями - режим без охлаждения. Кроме того, учитывается ориентация фасада по странам света (С, Ю, З, В). Максимальная величина тепловой нагрузки, когда еще можно обойтись без СКВ, находится в пределах 8-20 Вт/м² в зависимости от ориентации фасада (Восток или Север). Обычно в административных зданиях тепловая нагрузка бывает выше указанных значений.

Возникает еще один интересный вопрос - возможно ли обеспечение условий теплового комфорта при естественной вентиляции в зимнее время. Мы установили, что это зависит от внутренних тепловыделений и температуры наружного воздуха. До тех пор, пока тепловыделение находится в пределах 30-40 Вт/м², подвижность воздуха у пола не превышает допустимых значений. Поддержание температуры воздуха в помещении при естественной вентиляции не ниже 20°С возможно только при температуре наружного воздуха не ниже 10°С. Из этого следует, что для большинства административных зданий с теплоизбытками в зимнее время обеспечение комфортных условий в соответствии с требованиями CR 1725 возможно только при наличии СКВ. Панельные охладители мощностью 30 Вт/м² могут быть использованы при теплоизбытках в помещении от 25 до 35 Вт/м², при больших нагрузках система кондиционирования необходима. Определенную трудность представляет оценка перспективных значений уровня теплоизбытков в здании. По-видимому, следует проектировать СКВ таким образом, чтобы была возможность увеличения их мощности при минимальной реконструкции.

ВЫВОДЫ И ПРОГНОЗ

В связи с ростом численности населения и соответствующим увеличением энергопотребления в ближайшем будущем следует ожидать ограничения доли ископаемого топлива в энергетике. Это окажет влияние и на развитие систем ОВК. Тепловые нагрузки в зданиях от внешних и внутренних источников будут снижаться, однако при наличии высоких требований к тепловому комфорту сохранится потребность в системах кондиционирования воздуха. Естественная вентиляция будет использоваться для охлаждения только в тех случаях, когда тепловая нагрузка не превысит 20 Вт/м². Для тепловых нагрузок в диапазоне 20-40 Вт/м² рекомендуется сочетание системы вентиляции с сосредоточенной подачей и панельного охлаждения. Для более высоких нагрузок потребуется система кондиционирования, возможно, с использованием охлаждающих потолков. Мощность систем теплоснабжения в жилых зданиях будет снижаться, при этом нижним пределом является расход тепла на горячее водоснабжение.

Большой резерв энергосбережения заложен в уменьшении объема воздухообмена. Но для его реализации потребуется существенно снизить загрязнение воздуха внутри зданий и от самих систем микроклимата. Следует отметить, что наши знания в этой области пока недостаточны. Снижение кратности воздухообмена не означает удешевления систем ОВК, так как качество оборудования необходимо повышать: это и станет основной задачей ближайшего будущего.

Литература

1. Shell Int. Ltd. Эволюция мировой энергетики. - SIL Shell Centre, Лондон SE1 7NA, 1996.
2. K. Fitzner. Связь подвижности воздуха в помещениях и нагрузки на охлаждение при использовании охлаждающих потолков и смесительных воздухораспределителей. "Roomvent' 96", Иокогама.
3. K. Fitzner. Вытесняющая вентиляция и охлаждающие потолки. Материалы "Indoor Air'96", Нагоя.
4. Семинар "Синдром неблагополучных зданий", III, BHKS, Бонн, 17.03.99 г.
5. Измерение загрязнений методом экспертной оценки.

Перепечатано из журнала REHVA, third quarter, 1999.

Перевод с английского О.П. Булычевой.