Энергосберегающие системы отопления, вентиляции и кондиционирования в номерах гостиниц

ВМоскве и других городах России в ближайшие годы планируется строительство новых гостиниц и коренная реконструкция старых. По требованиям СниП [1], должны быть значительно повышены термические сопротивления ограждающих строительных конструкций общественных зданий. Наличие теплоизолирующего слоя обеспечит значительное сокращение трансмиссионных теплопотерь.

Согласно санитарным нормам, в номерах гостиниц должна круглогодично функционировать система приточно-вытяжной вентиляции. Традиционно от центрального приточного агрегата в обитаемые комнаты гостиничного номера подается санитарная норма приточного наружного воздуха, а из помещений санузла, туалета, душевой, ванной осуществляется вытяжка отепленного, загазованного, влажного воздуха.

При выполнении требований по теплозащите зданий [1] до 80% расхода тепла в системах отопления и вентиляции идет на нагрев поступающего в помещение приточного наружного воздуха tнх до комнатной температуры tв. Поэтому значительное сокращение расходов тепла на круглогодичное функционирование систем отопления и вентиляции в зданиях, где выполняется норма по теплозащите [1], может быть достигнуто только при применении установки утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха.

Накопленный 20-летний опыт работыподобных установок позволяет рекомендовать такой метод полезного использования теплоты вытяжного воздуха в системах вентиляции для климатических условий России. Надежными и энергетически эффективными зарекомендовали себя установленые в зданиях Совета Федерации (Москва) и пятизвездочной гостиницы «Гранд-Отель» (Москва) утилизаторы с насосной циркуляцией промежуточного теплоносителя антифриза [2–3].

В холодном климате России традиционно по периметру зданий под окнами устанавливают отопительные приборы типа радиаторов или конвекторов. Применение периметральных отопительных систем призвано обеспечить компенсацию трансмиссионных теплопотерь через наружные ограждения, что достигается образованием восходящего воздушного потока, нагретого до 40–50°С , настилающегося на холодное стекло в окне и внутреннюю поверхность наружных стен.

Во многих реставрируемых гостиницах туристического класса приток наружного воздуха в номера осуществляется открытием форточек или фрамуг в окнах. В помещениях туалетов и душевой работает механическая вытяжка. При таком способе организации воздухообмена невозможен энергосберегающий режим: отопительный прибор расходует все тепло на подогрев приточного наружного воздуха с начальной температуры tнх до комнатной температуры tв.

В современных гостиницах санитарная норма приточного наружного воздуха подается в номера от центрального приточного кондиционера. Приточные воздуховоды имеют значительную протяженность и обычно монтируются за подвесным потолком в коридоре. В номер от центрального воздуховода под потолком тамбура проложен приточный отвод, заканчивающийся приточной решеткой, расположенной в верхней части внутренней стены тамбура.

Для предотвращения проникновения шума из соседних номеров на приточном отводе, обычно, устанавливается шумоглушитель. Вытяжка из обитаемых помещений номера осуществляется из верхней зоны через санузел. Приведенные описания показывают, что в номерах гостиниц традиционно устраивается периметральная система отопления и осуществляется схема воздухообмена по притоку и вытяжке «сверху вверх».

Такая схема воздухообмена создает ухудшенные санитарно-гигиенические качества воздушной среды в зоне обитания людей в помещении, т.к. поднимающиеся от людей под потолок вредные пары и взвеси частично возвращаются приточными струями в зону нахождения людей в помещении. В холодный и переходный периоды года при применении центральных приточных агрегатов температура приточного воздуха поддерживается близкой к температуре теплового комфорта tв = 20°С.

Поэтому мощность отопительных приборов под окном помещения подбирается только на компенсацию трансмиссионных теплопотерь, которые даже для угловых помещений в зданиях с теплозащитой, выполненной по СНиП [1], не превышают удельной величины в 15 Вт/м2. Если принять, что площадь обитаемой комнаты одноместного гостиничного номера 18 м2, а в санузле установлены унитаз и ванна с душем, то по рекомендациям [4] санитарная норма приточного наружного воздуха будет равна 60 м3/ч и вытяжка из санузла до 120 м3/ч.

Вечером в обитаемом помещении при нахождении жильца в номере: осветительные приборы выделяют 100 Вт⋅ч тепла; работающий телевизор — 300 Вт⋅ч; сам жилец — 100 Вт⋅ч явного тепла. Таким образом, общие тепловыделения в обитаемом помещении номера составляют Qт.пр. = 500 Вт⋅ч. Трансмиссионные теплопотери в обитаемом помещении площадью F =18м2 составляют: Qт.пот. = qт.пот. × F = 15 × 18 = 270 Вт⋅ч.

В расчетных условиях холодного периода года при tнх = –28°С в часы нахождения постояльца в комнате тепловой баланс в помещении будет равен: Qт.пом. = Qт.пр. – Qт.пот. = = 500 – 270 = 230 Вт⋅ч. Проведенный расчет показывает, что в гостиничных зданиях, выполненяющих требования по теплозащите [1], при наличии людей в номерах теплопритоки от их деятельности Qт.пр. превышают трансмиссионные теплопотери Qт.пот. и температура подаваемого приточного наружного воздуха tпн может быть ниже tв = 20°С.

По условиям комфортного воздухораспределения температура притока воздуха из верхней зоны может быть равна 15°С (tпн = 15°С). На догрев приточного наружного воздуха до tв = 20°С требуется тепла: Qт.пн = Lпн × рпн × ср ×(tв – tпн)/3,6 = = 60 × 1,21 × 1 ×(20 – 15)/3,6 = 101 Вт⋅ч. Несмотря на подачу воздуха с температурой tпн = 15°С, в обитаемом помещении сохраняется перегрев: Qт.изб. = Qт.пом. – Qт.пн. = = 230 – 101 = 129 Вт⋅ч.

Это показывает, что даже при расчетной tнх = –28°С при нахождении жильца в помещении сохраняются теплоизбытки, которые энергетически целесообразно использовать, как это показано в схеме на рис. 1. В ночные часы тепло выделяется только от спящего человека, что составляет примерно 60 Вт⋅ч. Тепловой баланс в помещении будет: Qт.пом.ноч. = Qт.пр. – Qт.пот. – Qт.пн. = = 60 – 270 – 101 = –311 Вт⋅ч.

Мощность отопительного прибора под окном номера должна быть не менее 311 Вт⋅ч. При поступлении санитарной нормы приточного наружного воздуха через форточку или инфильтрацией через неплотности в окне, мощность отопительного прибора должна быть увеличена на величину: Qт.пн.инф. = 60 × 1,32 × 1,0 × ×(15 + 28)/3,6 = 946 Вт⋅ч. По сравнению с трансмиссионными теплопотерями расчетный расход тепла на подогрев приточного наружного воздуха больше в 946/270 = 3,5 раза.

Поэтому существенное сокращение расходов тепла в системах отопления и вентиляции возможно только путем утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха [2]. Авторами создана конструкция «локальной климатической установки» (ЛКУ-60), которая позволяет существенно сократить расходы тепла и электроэнергии, затрачиваемые на круглогодичное функционирование систем вентиляции, отопления и кондиционирования (ВОК) в номерах гостиниц.

На рис. 1 показана принципиальная схема применения ЛКУ-60 в одноместном номере. Под окном в номере, где традиционно размещается отопительный прибор, смонтирована ЛКУ-60. Приточный блок 1 агрегата ЛКУ-60 установлен под окном на пол и патрубком 2 соединен с отверстием диаметром 120 мм в подоконной стене. От работы приточного вентилятора 3 через патрубок 2 в блок 1 поступает санитарная норма наружного воздуха Lпн в количестве 60 м3/ч.

Воздух очищается в фильтре и проходит со стороны оребренных трубок теплообменника 4, соединенного трубопроводами 5 с теплообменником 15 в вытяжном агрегате 14, который монтируется подпотолком в помещении совмещенного санузла непосредственно в гостиничном номере или за подвесным потолком в коридоре. От работы насоса, встроенного в вытяжечный агрегат 14, по соединительным трубопроводам 5 циркулирует антифриз Gаф. В холодный период года из теплообменника 4 по трубопроводу 5 к теплообменнику 15 поступает охлажденный антифриз с температурой tаф.2 = –2°С.

Проходя по противоточной схеме по трубкам теплообменника 16, антифриз нагревается до температуры tаф.1 = 6°С. Нагрев антифриза в трубках теплообменника 15 обеспечивается отведением теплоты от проходящего через теплообменник 15 при помощи вентилятора 16 вытяжного выбросного воздуха Lу, который охлаждается и осушается от энтальпии iу1 до iу2. Выбросной вытяжной воздух Lу состоит из вытяжного воздуха комнаты Lув ивытяжки из санузла Lус.

Превышение Lу над Lпн (Lу > Lпн) компенсируется притоком наружного воздуха в коридор. Нагретый до температуры tпн ≥ 4°С приточный наружный воздух через камеру глушения выходит через сопла в эжекционный блок 7 агрегата ЛКУ-60. Благодаря преобразованию кинетической энергии струи со стороны оребрения теплообменника 8, эжектируется внутренний воздух Lвэ. Теплообменник 8 соединен трубопроводами с центральным тепловым пунктом (ИТП гостиницы) приготовления горячей воды с температурой 45°С.

На трубопроводе подачи горячей воды в трубки теплообменника 8 смонтирован терморегулятор 9 с выносным в зону обитания людей номера датчиком tв, контролирующим зимой комфортный уровень температуры tв = 20°С. При повышении tв > 20°С датчик подает команду на закрытие клапана в терморегуляторе 9 и сокращает поступления горячей воды в теплообменник 8.

Это вызывает ослабление нагрева в теплообменнике 8 эжектируемого внутреннего воздуха Lвэ, и, соответственно, понижение температуры смеси приточного воздуха tп, поступающего через приточную решетку 10 в обитаемую зону номера. Расход приточного воздуха от ЛКУ-60 равен сумме: Lп = Lпн + Lвэ. Температура приточного воздуха вычисляется по формуле:

tп = (tпн + Кэ × tв)/(1 + Кэ),°С (1)

В формуле (1) показатель коэффициента эжекции Кэ для ЛКУ-60 равен 2,8. Если датчик настроен на tв = 20°С при повышении температуры до 21,5°С прекратится нагрев эжектируемого воздуха Lвэ в теплообменнике 8. В этом режиме при tпн = 4°С температура приточного воздуха по формуле (1) будет вычисляться следующим образом: tп = (4 + 2,8 × 21,5)/(1 + 2,8) = 16,9°С.

Для повышения тепловой комфортности рекомендуется в подоконнике по всей длине остекления устраивать щель 11 шириной не мене 30 мм. Через щель 11 будет эжектироваться внутренний воздух Lвэ. Туда же эжектируемый воздух будет поступать из верхней зоны помещения с температурой tув > tв. Проходя по поверхности холодного остекления, эжектируемый воздух Lвэ отдает часть тепла на повышение температуры остекления, что обеспечивает снижение отрицательной радиации в обитаемую зону помещении.

В часы активной деятельности постояльца в помещении (для схемы на рис. 1) показатель эффективности организации воздухообмена может быть принят равным 2 (КL =2). Температура удаляемого из помещения через вытяжную решетку 12 воздуха составит: tув = КL ×(tв – tп) + tп = = 2 ×(20 – 16,9) + 16,9 = 23,1°С. Способность холодного приточного наружного воздуха к поглощению тепловыделений в системе воздухообмена, представленной на рис. 1 равна: Qт.изб.пн. = Lпн × спн × ср × ×(tу – tпн)/3,6 = 60 × 1,2 × 1,0 × ×(23,1 – 4) /3,6 = 388 Вт⋅ч.

Вышепроведенные расчеты показали, что тепловыделения в номера при активной жизнедеятельности постояльца составляют 500 Вт⋅ч. При схеме воздухообмена, организованной по рис. 1, трансмиссионные теплопотери будут сокращены не менее, чем на 50% благодаря охлаждению у поверхности остекления окна эжектируемого воздуха с tув = 23,1°С до tв = 20°С. Это позволяет предполагать, что в этом режиме функционирования систем ОВ в номере не будет затрат тепла, связанных с функционированием систем периметрального отопления и вентиляции.

Расход тепла в расчетном режиме при tнх = –28°С будет характерен только в ночные часы, когда тепловыделения в обитаемом помещении номера сократятся до 60 Вт⋅ч. Для климата Москвы средняя температура наружного воздуха в отопительный период нормируется величиной tн.ср.от. = –3,1°С. В этих условиях трансмиссионные теплопотери будут: Qт.пот.ср.от. = Qт.пот. × ×(tв – tн.ср.от. ) /(tв – tнх) = = 270 ×(20 + 3,1) /(20 + 28) = 130 Вт⋅ч. Теплотехническая эффективность установки утилизации для схемы на рис. 1 равна Θт.у = 0,41.

Температура удаляемого воздуха в ночном режиме работы систем ОВ составит tу = 21°С. К соплам эжекционной части 7 от установки утилизации приточный наружный воздух поступает с температурой: tпн.ср.ст. = Θт.у ×(tу1 – tн.ср.ст. ) + + tн.ср.ст. = 0,41 ×(21 + 3,1) – 3,1 = 6,8°С. На догрев приточного наружного воздуха до tв = 20°C потребуется затратить тепло в количестве: Qт.пн.ср.ст. = 60 × 1,22 × 1,0 × ×(20 – 6,8)/3,6 = 268 Вт⋅ч. Общая потребность в тепле на отопление и вентиляцию составит: Qт.ов.ср.от. = 130 + 268 = 498 Вт⋅ч.

Тепловыделения в помещении номера в дневные часы — 500 Вт⋅ч. Это показывает, что, применяя агрегат ЛКУ-60, полностью используются тепловыделения из обслуживаемого помещения. В средних температурных условиях отопительного периода вообще не потребуются затраты тепла на отопление и вентиляцию в системах с применением ЛКУ-60. В теплый период года для поддержания комфортной температуры воздуха в обитаемой зоне помещения на уровне tв = 25°C потребуется охлаждать помещения.

В традиционных системах ВОК под потолком тамбура номера монтируется местный вентиляторный агрегат, теплообменник которого трубопроводами соединен с центральной холодильной станцией [3]. Внутренний воздух от работы вентилятора агрегата забирается из верхней зоны помещения. Проходя через теплообменник вентиляторного агрегата, внутренний рециркуляционный воздух охлаждается до температуры не ниже 18°С и подается через приточную решетку, расположенную над дверью тамбура, в помещение номера.

Для систем ВОК на базе ЛКУ-60 не требуется наличие дополнительного вентиляторного рециркуляционного охладительного агрегата. Для охлаждения эжектируемого воздуха достаточно по трубопроводам к теплообменнику 8 подавать холодную воду с температурой 12°С. Это обеспечит охлаждение эжектируемого воздуха Lвэ и поступление в обитаемое помещение номера не менее 500 Вт⋅ч холода.

В случаях, когда необходимо дополнительно увеличить охладительную способность ЛКУ-60 охлаждается антифриз, поступающий в теплообменник 4 приточного агрегата 1, что обеспечит охлаждение приточного наружного воздуха Lпн до температуры 17°С. Датчик контроля температуры воздуха в обитаемой зоне помещения номера в теплый период года настроен на комфортную температуру tв = 23–25°С. При снижении tв до 23°С прекращается подача холода в теплообменники ЛКУ-60.

При превышении 25°С обеспечивается режим расчетного охлаждения приточного воздуха. В гостиницах, где нет центральных холодильных станций, охлаждение номеров часто осуществляется с помощью оконных автономных кондиционеров или воздухоохладителей от раздельных автономных кондиционеров (сплит-систем). Вместо этого энергетически целесообразно применить метод ночного свободного охлаждения при помощи модифицированной модели ЛКУ-60 (ЛКУ-60НХ).

От описанной выше системы, она отличается наличием в приточном агрегате 1 воздушного клапана 6, которой открывается когда tн < tв = 25°C. Для климата большинства районов России характерно значительное изменение температур наружного воздуха по времени суток. Так, например, для климата Москвы в расчетные сутки теплого периода года по параметрам Б температура наружного воздуха поднимается до 28,5°С в полуденные часы и снижается ночью до 18,1°С.

Из анализа графика изменения tн за время расчетных суток теплого периода года можно установить, что температура наружного воздуха tн сохраняет значение ниже tв = 25°С в течение 16 ч. Это период суток, когда в помещение не поступает тепло солнечной радиации. Проникающая солнечная радиация в дневные часы оказывает наибольшее влияние на тепловой режим помещений с окнами направленными на юг и запад.

Лучистое тепло поступает на строительные конструкции (пол, нижнюю часть внутренних стен), мебель, бытовые приборы, что приводит к повышению температуры этих поверхностей. По условиям теплового комфорта для человека температура на окружающих его поверхностях не должна превышать 26°С. В работе [2] представлены данные, что при отсутствии охлаждения помещений и сохранении расчетных температур наружного воздуха по параметрам Б непрерывно в течение нескольких суток, температура воздуха в обитаемой зоне помещения уже на второй день превышает комфортный уровень (tв > 25°С).

В климате Москвы на шестые сутки сохранения дневной температуры tн = 28,5°С воздуха в помещении прогревается до 29°С (рис. 5.3 на стр. 212 [2]). От нагретых лучистым теплом поверхностей ограждающих строительных конструкций, накопивших за пять суток жаркой погоды теплоту проникающей солнечной радиации, в помещение непрерывно поступает тепло, которое обуславливает повышение температуры внутреннего воздуха tв > tн = 28,5°С, что создает крайне неблагоприятное состояние воздушной среды для труда и отдыха людей.

Обостряются сердечно сосудистые заболевания, ухудшается сон, повышается утомляемость и снижается работоспособность человека. Поэтому система охлаждения номеров для современных гостиниц — необходимое условие комфортности. В гостиницах, не оборудованных холодильными машинами, для интенсивной подачи приточного наружного воздуха в ночные периоды при температуре наружного воздуха tн < tв = 25°С, можно применять локальные климатические установки ЛКУ-60НХ.

Постояльцы номеров должны быть проинформированы о возможности включения ими режима «сводного охлаждения» открытием клапана 6 (рис. 1) в приточном блоке. Это приводит к повышению производительности приточного агрегата 1 до Lпн = 220 м3/ч, что может сопровождаться повышением уровня шума, создаваемого работающим вентилятором с 3 до 40 дБА. При закрытом клапане производительность агрегата ЛКУ-60 по приточному наружному воздуху составляет 60 м3/ч, а уровень шума 30 дБА.

Жилец может самостоятельно решить, какой режим работы агрегата ЛКУ-60НХ ему выбрать. При закрытом клапане и малошумной работе вентилятора не обеспечивается интенсивное ночное охлаждение помещения наружным воздухом. В помещение через приточную решетку 10 поступает смесь: Lп = Lпн + Lвэ = 60 + 168 = 228 м3/ч с температурой не ниже 22,6°С, но работа ЛКУ-60НХ практически не слышна.

При открытом клапане в помещение ночью, утром и вечером за 16 ч поступает более 3,5 тыс. м3 наружного воздуха с температурой от 18 до 22°С. Если считать средней температурой приточного воздуха за 16 ч работы ЛКУ-60НХ в режиме «свободного охлаждения» tп = 20°С, а вытяжного воздуха, удаляемого через решетку 12, tу = 26°С, то охладительная способность наружного воздуха (поглощение теплоты от строительных конструкций, мебели и бытовых приборов) составит за это время: ∑Qх.ноч.пн. = 220 × 1,2 × 1,0 × ×(26 – 20)× 16/3,6 = 7040 Вт⋅ч.

За 8 дневных часов охлажденные ночью строительные конструкции, мебель, бытовые приборы могут принять 7040 Вт⋅ч теплоты проникающей солнечной радиации, которая не будет вызывать повышение температуры tв выше 25°С. Для снабжения холодной водой от центральной холодильной станции необходимые затраты электроэнергии оцениваются показателем энергетической эффективности холодоснабжения ηхм = 2,4 кВт⋅ч холода/кВт⋅ч электроэнергии [2].

Для подачи в помещение 7040 Вт⋅ч холода потребуется затратить следующее количество электроэнергии: Nхол = ∑Qх/ηхм = 7040/2,4 = 2933 Вт⋅ч. В режиме ночного охлаждения расход электроэнергии составляет 80 Вт⋅ч на работу приточного 3 и вытяжного 16 вентиляторов. Затраты электроэнергии на обеспечение притока санитарной нормы наружного воздуха и вытяжки из санузлов отепленного, загазованного воздуха в системе ОВ на базе ЛКУ-60НХ значительно меньше, чем в традиционных системах.

Кроме того, необходимые условия традиционных систем — значительная протяженность приточных и вытяжных воздуховодов, наличие на ответвлениях шумоглушителей, регулирующих и противодымных воздушных клапанов. Помимо энергетических преимуществ система «Элита» на базе ЛКУ-60 создает автономный воздухообмен в номере гостиницы. Она не предусматривает вертикальных воздушных каналов, которые провоцируют разницу в гравитационном давлении в помещениях номеров от изменения температуры наружного воздуха и этажности.

При возгорании помещений нижних этажей по вертикальным вентиляционным каналам может поступать дым и распространять огонь на верхние этажи здания — с этой точки зрения система «Элита» также предпочтительней. Заметим, что технология притока наружного воздуха и вытяжки отепленного через отверстия в наружных ограждениях широко применяется в жилых и общественных зданиях, например, Японии.

В статье «Децентрализованные приточные устройства без подогрева наружного воздуха в квартирах зданий» [5] приведены фотографии многоэтажных зданий с наличием приточных и вытяжных отверстий на фасадах зданий. В городах России можно встретить кирпичные здания постройки начала прошлого века, отверстия в наружных стенах которых служат для обеспечения локальной приточновытяжной вентиляции помещений с естественным побуждением.

Применение агрегатов ЛКУ-60 при создании локальных приточно-вытяжных систем «Элита», работающих в энергосберегающих режимах, дает существенные преимущества по сравнению с традиционными центральными приточно-вытяжными системами:

• снижение в два раза капитальных затрат на их сооружение;
• снижение более чем в два раза затрат электроэнергии на круглогодовое функционирование;
• снижение затрат тепла на цели отопления и вентиляции до 70%, по сравнению с традиционной системой естественного притока через неплотности окон и механической вытяжки из санузлов;
• автономный гидравлически устойчивый воздухообмен в номерах гостинниц, который не зависит от изменения гравитационного давления и этажности здания;
• обеспечение надежной защиты от распространения дыма и огня по протяженным вентиляционным каналам при возникновении пожара в здании.