Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член

Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха в высотных зданиях

В последние годы в России растет строительство высотных зданий различного назначения, в которых, как правило, применяются системы кондиционирования воздуха (СКВ). Рассмотрим некоторые примеры решений СКВ в высотных зданиях.

В Москве в конце 1940-х годов были построены высотные здания, в которых применялись традиционные центральные системы отопления, вентиляции и кондиционирования: по периметру здания под окнами установлены традиционные отопительные приборы, а вентиляция и кондиционирование помещений осуществляется с помощью центральных приточных и вытяжных систем. Применение только центральных приточно-вытяжных систем привело к сооружению протяженных воздуховодов значительного сечения, что обуславливает занятие каналами под их размещение до 30 % внутреннего объема зданий, кроме этого, требуются большие затраты электроэнергии на работу приточных и вытяжных вентиляторов.

В 1960-х годах при строительстве высотных административных зданий на Новом Арбате были применены местно-центральные СКВ [1]: в приточных агрегатах приготавливается только минимально допустимый расход приточного наружного воздуха ∑Lпн м3/ч, который регламентируется санитарными нормами [2]. Это позволило значительно сократить требуемые сечения приточных и вытяжных воздуховодов по сравнению с системами в высотных зданиях 1940-х годов.

В обслуживаемых помещениях под окнами вместо традиционных отопительных приборов установлены доводчики эжекционные (ДЭ) [1], к которым по приточному воздуховоду подводится санитарная норма наружного воздуха lпн для соответствующего помещения, определяемая нормами [2]. Теплообменник ДЭ трубопроводами соединен с центральными источниками приготовления горячей и холодной воды. На трубопроводе подачи воды в ДЭ устанавливается автоматический клапан, который настраивается находящимися в помещении людьми на желаемую температуру воздуха tв. Это позволяет расходовать через теплообменники ДЭ то количество тепла или холода, которое определяется изменяющимися условиями формирования теплового режима в каждом помещении под воздействием наружных климатических параметров и тепловлаговыделений в помещении. В высотных административных зданиях постройки 1960–1980 годов распределение приточного наружного воздуха от прямоточных центральных кондиционеров осуществляется по вертикальным коллекторным воздуховодам, от которых отводы к ДЭ по этажам. Такой способ воздухораспределения ∑Lпн потребовал применения множества регулирующих воздушных клапанов с глушителями, установки огнезащитных клапанов.

С более рациональным способом устройства СКВ автор ознакомился в здании «Симутомо Билдинг» в Токио. На рис. 1 представлен план типового этажа этого здания, имеющего форму треугольника с усеченными углами. Над уровнем земли здание имеет высоту 210,3 м и включает 52 этажа. Подземная часть здания имеет глубину 20,5 м и включает 4 этажа. У усеченных углов 1 на каждом этаже располагаются помещения для оборудования СКВ, где смонтированы приточные и вытяжные агрегаты, обслуживающие один из фасадов и прилегающую внутреннюю зону здания. По периметру каждого этажа у оцепления установлены местные вентиляторные доводчики 5 (ВД), в теплообменники которых зимой подается горячая вода, а летом – холодная. Периметральные служебные помещения 4 имеют перемещаемые внутренние перегородки для свободной планировки, что позволяет изменить площадь офисных помещений. Приточные агрегаты приготавливают смесь саннормы приточного ∑Lпн и рециркуляционного Lв воздуха. Необходимость применения рециркуляционного воздуха обусловлена наличием значительных тепловыделений во внутренней зоне, куда от магистрального приточного воздуховода 6 отходят приточные ответвления 8. Круглый год приточный воздух имеет температуру tп ниже температуры tв во внутренней зоне. По условиям комфортности воздухораспределения температура приточного воздуха, поступающего по приточному воздуховоду, ограничивается значениями не ниже tп = 15 °С. Подача приточного воздуха производится в верхней зоне помещений через воздухораспределители, установленные на отводах 7 и 8. Вытяжка удаляемого воздуха производится под потолком помещений периметральной и внутренней зон через устройства 11. Это определяет организацию воздухообмена смесительной вентиляции, при которой температура вытесняемого воздуха tу близка к температуре воздуха в помещении tв.

План этажа высотного здания «Симутомо Билдинг», Токио

Рисунок 1.

План этажа высотного здания «Симутомо Билдинг», Токио:
1 – помещение размещения поэтажных приточных и вытяжных агрегатов; 2 – забор саннормы приточного наружного воздуха ΣLпн; 3 – выброс удаляемого вытяжного воздуха Lу; 4 – зона офисных помещений; 5 – доводчики вентиляторные у остекления; 6 – приточный воздуховод за
потолком; 7 – отводы подачи приточного воздуха под потолком офисных помещений; 8 – отводы подачи приточного воздуха во внутреннюю зону этажа; 9 – вытяжной воздуховод за подвесным потолком; 10 – забор вытяжного воздуха под потолком офисного помещения; 11 – забор вытяжного воздуха под потолком помещений внутренней зоны; 12 – атриум, используемый как вертикальный сборный клапан для дымоудаления при пожарах.

В зимний период года в теплообменники ВД в периметральной зоне подается горячая вода. Это обеспечивает нагрев в вентиляционных доводчиках 5 внутреннего воздуха, который поднимается по поверхности холодного остекления под потолок, где смешивается с приточным воздухом, поступающим в офисные помещения через отводы 7. В помещения внутренней зоны приточный воздух поступает с температурой tп = 15 °С и поглощает тепловыделения до увеличения температуры до tу = tв. По вытяжному воздуховоду 9 вытяжной воздух поступает к вытяжному агрегату, где часть вытяжного воздуха поступает на смешение в приточный агрегат, а остальной воздух выбрасывается в атмосферу через отверстие 3 с вертикальными пластинами, установленными под углом 45 градусов. В заборном отверстии 2 вертикальная пластина расположена под углом 45 градусов в противоположном направлении, что предохраняет от смешения приточного наружного и удаляемого воздуха. Между заборным 2 и выбросным 3 отверстиями расстояние 16 м.

Вертикальные пластины в отверстиях 2 и 3 проходят по всей высоте здания и хорошо гармонируют с архитектурным решением фасадов, что хорошо видно на рис. 2.

Высотное здание «Симутомо Билдинг», Токио

Рисунок 2.

Высотное здание «Симутомо Билдинг», Токио

Достоинством решения СКВ по схеме на рис. 1 применительно к высотным зданиям является поэтажное расположение приточных и вытяжных агрегатов, которые связаны с атмосферным воздухом непосредственно через заборные и выбросные отверстия на каждом этаже. Поэтажное расположение СКВ создает аэродинамическую устойчивость воздухообмена на каждом этаже. Значительно сокращается протяженность приточных и вытяжных воздуховодов, что позволяет сократить капитальные затраты на сооружение систем и затраты энергии на работу приточных и вытяжных вентиляторов.

В Токио зимой не бывает такой низкой температуры наружного воздуха, которая характерна для большинства климатических зон России. Поэтому для создания энергосберегающих систем ОВК в высотных здания, сооружаемых в России, необходимо максимально возможно использовать внутренние тепловыделения зимой и холод наружного воздуха для обслуживания внутренней зоны здания. Это позволит сократить до 70 % расход тепла на подогрев саннормы приточного наружного воздуха ∑Lпн.

Для снижения расхода электроэнергии на круглогодовую работу СКВ в приточном агрегате приготовляется только минимально-допустимый расход приточного наружного воздуха ∑Lпн без рециркуляции. Увеличение охладительной способности системы для восприятия тепловыделений в помещениях внутренней зоны здания достигается путем установки за подвесным потолком доводчиков эжекционных, в теплообменники которых круглый год подается холодная вода с температурой 14 °С. В холодный и переходный периоды года получение холодной воды с температурой 14 °С достигается ее охлаждением с наружным воздухом. Автором разработана оригинальная схема отведения теплоизбытков из внутренней зоны помещений, совмещенная с установкой утилизации теплоты вытяжного воздуха [3]. Это позволяет в климате Москвы сбросным теплом вытяжного воздуха и тепловыделениями нагревать зимой приточный воздух с tнх = –28 °С до tн2 = 1 °С.

Вторым энергосберегающим решением является применение в периметральной зоне здания под окнами офисных помещений вместо доводчиков вентиляционных (ВД) новую отечественную конструкцию доводчиков эжекционных, например, модели ДЭ–1–6–120/180, подробно описанных в работе [3]. Отличительной особенностью применения ДЭ является наличие в крышке кожуха или в подоконнике щелевого отверстия по всей длине остекления. Через эту щель эжектируется отепленный воздух из верхней зоны помещения по холодной поверхности остекления. Это обеспечивает повышение температуры внутренней температуры поверхности стекла зимой и охлаждение – летом. Приготовленная в ДЭ смесь прошедшего со стороны оребрения теплообменника эжектируемого воздуха и выходящего из сопел саннормы наружного воздуха поступает в зону обитания людей. Это обеспечивает вытеснение под потолок выделяющихся в помещении газов, водных паров и тепловыделений. Поэтому температура удаляемого под потолок вытяжного воздуха tу и влагосодержание dу значительно выше параметров воздуха в зоне обитания людей tв и dв. Также схема организации воздухообмена называется вытесняющей вентиляцией, ее применение позволит сократить до 40 % расход холода в расчетных условиях теплого периода года.

В рабочие часы в служебных помещениях даже зимой наблюдаются значительные тепловыделения, которые могут превышать трансмиссионные теплопотери [5]. Поэтому к соплам ДЭ подается Lпн с температурой tпк = 7 °С. Это позволяет полезно использовать избытки для догрева Lпн.

Во внутренней зоне применяются подвесные доводчики эжекционные, охладительная способность которых позволяет отказаться от рециркуляции вытяжного воздуха через приточный агрегат, что дает возможность сокращать его производительность по воздуху и обеспечивает снижение расхода электроэнергии на привод электродвигателей приточного и вытяжного вентиляторов.

Принципиальная схема энергосберегающей системы кондиционирования воздуха

Рисунок 3.

Принципиальная схема энергосберегающей системы кондиционирования воздуха

Третьим энергосберегающим решением является применение местной холодильной машины с конденсатором и испарителем у каждой локальной системы кондиционирования, обслуживающей половину площади соседних фасадов зданий. Наибольшую изменяющуюся потребность в холоде определяет поступающая через остекление фасада на этаже здания проникающая солнечная радиация. По времени суток интенсивность солнечной радиации значительно изменяется в зависимости от ориентации фасадов здания. Поэтому требуемая холодопроизводительность локальной СКВ при обслуживании фасадов с различной ориентацией будет меньше по сравнению с принятой по схеме на рис. 1 СКВ, обслуживающей фасады с одинаковой ориентацией.

При применении в высотном здании единой холодильной станции для всех СКВ возникают трудности с размещением систем охлаждения конденсаторов. В предлагаемом варианте местного холодоснабжения СКВ не требуется специальных установок типа градирен или воздушных конденсаторов, а для охлаждения конденсатора холодильной машины используется вытяжной агрегат. Предлагаемое новое решение обеспечивает уменьшение капитальных затрат и снижает расход электроэнергии, которая потребляется в традиционных системах на привод вентиляторов градирен и работу насосов при значительной протяженности воздуховодов.

Для снижения веса фасадных строительных конструкций в высотных зданиях применяются наружные ограждения из стекла. На рынке имеются новые энергоэффективные однокамерные стеклопакеты [4], применение которых позволяет в два раза сократить трансмиссионные теплопотери зимой и на 60 % сократить поступление теплоты солнечной радиации в периметральные помещения. На рис. 3 представлена предлагаемая энергосберегающая СКВ для обслуживания помещений на этажах высотных зданий. В приточном агрегате П по ходу приготовляемого приточного наружного воздуха имеются: многостворчатые воздушные клапаны 1; фильтр 2; теплоотдающий теплообменник 3 установки утилизации; калорифер 4; воздухоохладитель 5; блок адиабатического увлажнения 6; приточный вентилятор 7; шумоглушитель 8.

В вытяжном агрегате ВТ имеются: многостворчатые воздушные клапаны 1; фильтр 2; блок адиабатического увлажнения 9; теплообменник 10 двойного назначения, зимой для извлечения теплоты из вытяжного воздуха Lу (знак минус), летом для охлаждения жидкости после конденсатора холодильной машины (знак плюс); вытяжной вентилятор 11; шумоглушитель 8.

Холодильная машина ХМ с жидкостным конденсатором (знак плюс) и испарителем (знак минус).

Пластинчатый теплообменник Тпл для охлаждения воды до tw1 = 14 °С, подаваемой насосом 12 в коллектор 13, от которого по отводам холодная вода поступает в теплообменник 14 доводчиков эжекционных, смонтированных во внутренней зоне здания. При tнх = –28 °С насос 15 подает антифриз, охлажденный в теплообменнике 3 до taf1 = –3 °С, первоначально в трубке теплообменника 10, где антифриз нагревается от извлечения теплоты из вытяжного воздуха Ly до taf2 = 3 °С. Клапаны 16 на трубопроводах отрыты, а клапаны 17 закрыты. Через трехпроходной автоматический клапан 18 весь отепленный антифриз поступает в клапаны пластинчатого теплообменника Тпл. От работы насоса 12 по другую стенку пластинчатых клапанов проходит вода, отепленная в теплообменнике 14 доводчиков эжекционных до tw2 = 16 °С. Через стенку пластинчатых клапанов холодный антифриз повышает температуру до taf3 = 9 °С, что обеспечивает охлаждение воды до требуемой tw1 = 14 °С.

С повышением температуры наружного воздуха необходимо увеличить количество холода, поступающего в пластинчатый теплообменник Тпл. Это достигается регулированием клапана 18, через который холодный антифриз с taf1 будет поступать прямо к пластинчатому теплообменнику Тпл.

При температурах наружного воздуха выше 9 °С холода наружного воздуха не достаточно и автоматически включается в работу компрессор ХМ. Клапаны 16 закрываются, а клапаны 17 открываются. Насос 15 останавливается, включаются в работу насосы 19 и 20. Холодная вода с twx = 7 °С из испарителя ХМ насосом 19 подается через автоматический клапан 21 к воздухоохладителю 5 в приточном агрегате П, а через автоматический клапан 22 обеспечивается температура холодной воды tw1 = 14 °С, насос 12 через коллектор 13 подает эту холодную воду в теплообменник доводчиков эжекционных, смонтированных в периметральной зоне у остекления и во внутренней зоне за подвесным потолком.

Для экономии электроэнергии ХМ рекомендуется применять с несколькими спиральными компрессорами, путем последовательного включения и выключения электродвигателей компрессоров осуществляется энергосберегающее регулирования производительности ХМ.

В конденсаторе ХМ нагревается антифриз, циркулирующий от работы насоса 20. Для снижения температуры вытяжного воздуха Ly автоматически включается в работу насосы блока адиабатического увлажнения 9. Это позволяет перед теплообменником 10 иметь начальную температуру вытяжного воздуха не выше 22 °С. Проходя со стороны оребренных трубок в теплообменнике 10 вытяжной воздух воспринимает теплоту конденсации рабочего агента ХМ путем охлаждения антифриза с 45 до 40 °С. Это характерно для расчетной холодопроизводительности ХМ.

Проведенный анализ возможных схем СКВ в высотных зданиях позволяет сделать следующие выводы:

1. Рекомендуется применение поэтажных местно-центральных СКВ с круглогодичным приготовлением минимально-допустимого расхода приточного наружного воздуха ∑Lпн.

2. В качестве местных доводчиков в периметральных помещениях у остекления рекомендуется установка доводчиков эжекционных с поступлением эжектируемого воздуха с поверхности остекления.

3. В качестве местных доводчиков для восприятия круглогодовых тепловыделений во внутренней зоне здания рекомендуется применение доводчиков эжекционных, теплообменники которых через трубопроводы циркуляции воды соединяются с пластинчатым теплообменником и теплообменником в установке утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха.

4. В теплый период года для холодоснабжения СКВ следует использовать холодильную машину с несколькими спиральными компрессорами и жидкостным охлаждением конденсатора в потоке вытяжного воздуха Lу.

Литература

1. Кокорин О. Я., Кронфельд Я. Г., Малахов М. А. Анализ технического уровня эжекционных кондиционеров и сопоставление основных направлений в СССР и за рубежом. – М. : ЦНИИТ – Эстроймаш, 1970.

2. СНиП 41-01-2003. Отопление вентиляция и кондиционирование. – М. : ФГУП ЦПП, 2004.

3. Кокорин О. Я. Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха. – М. : ООО «ЛЭС», 2007.

4. AGC YourGlass. Солнцезащитное и теплоизолирующее стекло. www.yourglass.ru.

5. Тарабанов М. Г. Особенности проектирования систем кондиционирования воздуха высотных зданий // АВОК. – 2008. – № 7.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №1'2009

распечатать статью распечатать статью


Статьи по теме

Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте