Энергосбережение при поддержании необходимой совокупности внутренних климатических параметров в помещении, требуемой исходя из условий комфортности либо для технологических нужд, всегда является актуальным вследствие значительных энергозатрат при работе систем обеспечения микроклимата и их существенной доли в общем энергетическом балансе зданий, в первую очередь общественных и промышленных. Особенно это важно в настоящее время, в условиях действия Федерального закона №261-ФЗ [1]. Поэтому представляют интерес любые инженерные решения, позволяющие сократить расход материальных и энергетических ресурсов на обеспечение внутреннего микроклимата, особенно если они не сопровождаются значительными капитальными вложениями и с экономической точки зрения оказываются малозатратными и быстроокупаемыми.
Одной из таких энергосберегающих технологий является «свободное охлаждение» [2–6], применяемое в холодный и переходный периоды года и позволяющее воспользоваться низкими температурами наружного воздуха для отвода теплоты от хладоносителя, обслуживающего воздухоохладители местных систем охлаждения (МСО) помещений. Чтобы реализовать подобную схему, необходимо направить хладоноситель вместо испарителя холодильной машины (чиллера) во внешний теплообменник, который, как правило, устанавливается на наружной стене (фасаде) здания. Это позволяет достичь уменьшения энергозатрат на подготовку притока в МСО, поскольку уже не требуется расходовать электроэнергию на привод компрессора.
В данном случае считается, что теплоизбытки в обслуживаемом помещении, которые даже в течение отопительного периода во многих общественных и промышленных зданиях имеют место и при полностью закрытых автоматических терморегуляторах систем отопления вследствие превышения теплопоступлений над теплопотерями, ассимилируются в первую очередь с помощью МСО, у которых появляется дополнительный конструктивный элемент — внешний теплообменник с соответствующим циркуляционным контуром (рис. 1а). Поэтому обычно предполагается, что подобная схема наиболее целесообразна в помещениях с большими избытками явной теплоты и значительной теплонапряжённостью, например, в центрах обработки данных [7–9].
Рис. 1. Существующая (а) и предлагаемая (б) схемы местной системы охлаждения помещений, использующая «свободное охлаждение» хладоносителя (tв — температура внутреннего воздуха в помещении, °C; tо — температура охлаждённого воздуха, подаваемого в помещение аппаратом МСО,°C; tн — температура наружного воздуха, охлаждающего внешний теплообменник, °C; tк — температура наружного воздуха, нагретого во внешнем теплообменнике, °C)
Следует, однако, заметить, что «свободное охлаждение» не является единственным вариантом снижения энергопотребления на климатизацию зданий в зимнем режиме. В частности, автором в работе [10] показано, что при определённых условиях в это время можно вообще обойтись без работы МСО, если дополнительно понизить температуру притока общеобменной системы механической вентиляции или центрального кондиционирования воздуха.
В некотором смысле это даёт ещё более существенное снижение энергопотребления за счёт сокращения расхода теплоты на подогрев притока, который в любом варианте необходим для обеспечения санитарно-гигиенических требований к качеству внутреннего воздуха.
Однако такое решение возможно не всегда, поскольку при малых расходах могут не соблюдаться ограничения, накладываемые действующими нормативными документами, в первую очередь СП 60.13330.2020 [11] (далее — СП 60), на параметры приточной струи в точке её входа в обслуживаемую зону помещения, особенно с учётом того обстоятельства, что в процессе автоматического регулирования текущая температура притока может оказаться ниже расчётной [12].
Поэтому можно предложить иной вариант схемы местного охлаждения, когда воздух МСО готовится в перекрёстноточном рекуперативном теплообменнике с непосредственной передачей теплоты потоку наружного холодного воздуха, забираемого через проём в наружной стене и затем возвращаемого обратно (рис. 1б).
Использование в предлагаемой схеме именно пластинчатого рекуператора обусловлено компоновочными преимуществами, поскольку данная конструкция позволяет непосредственно охладить внутренний воздух и подать его в помещение без использования дополнительного циркуляционного контура, который присутствовал бы в схеме с промежуточным теплоносителем, которая, таким образом, не дала бы упрощений по сравнению с существующим вариантом.
Также это вызвано и соображениями комфортности, которые делают нецелесообразным установку роторного регенеративного теплообменника из-за его высокой температурной эффективности, вследствие чего охлаждённый в таком аппарате воздух имел бы слишком низкую температуру для непосредственной подачи в помещение, а кроме того, при этом не исключается частичное проникновение в помещение необработанного наружного воздуха.
Рассмотрим оценку возможности применения предлагаемой схемы с точки зрения выполнения санитарно-гигиенических требований и обеспечения комфортности для характерного помещения в общественном здании.
В качестве исходных данных примем следующие параметры: высота помещения Нпом = 10,8 м (по разрезу здания); высота рабочей зоны hрз = 1,5 м (поскольку люди в помещении сидят); площадь пола Апл = 15,2×9,9 = 150 м² (по плану этажа); избытки явной теплоты составят Qизб.я = 50Апл = 50×150 = 7500 Вт. Будем считать, что вся Qизб.я ассимилируется за счёт МСО, а если это не так, получаемая оценка будет давать запас. Принимаем tв = 21°C, тогда для воздуха, подаваемого системой, можно допустить, что tо = tв — 6 = 15°C.
Массовый расход воздуха в системе будет равен (Приложение Г СП 60 [11], с учётом принятых выше обозначений):
где cв — удельная массовая теплоёмкость воздуха, cв = 1,005 кДж/(кг·К).
Отсюда требуемая объёмная воздухопроизводительность системы:
L = G/ρ = 4478/1,23 = 3640 м³/ч,
где ρ = 1,23 кг/м³ — плотность воздуха при температуре tо. Предусматриваем подачу воздуха веерными струями через регулируемые многодиффузорные плафоны квадратного сечения. Из конструктивных соображений принимаем их количество N = 4 (в два ряда). Это будет подтверждено дальнейшим расчётом с использованием методики [13] и частично Приложения Ж СП 60 [11].
Потолок помещения разбиваем на прямоугольные ячейки, в центре каждой из которых размещается воздухораспределитель. Длина ячейки равна 15,2/2 = 7,6 м, ширина — 9,9/2 = 4,95 м. Поэтому за расчётную ширину ячейки B принимаем меньшую из этих величин, то есть 4,95 м.
Расчётная длина струи:
x = B/2 + (Hпом — hрз — 0,5) = 4,95/2 + (10,8–1,5–0,5) = 11,28 м,
здесь 0,5 м — расстояние по высоте от потолка до воздуховыпускного сечения воздухораспределителя.
Расход воздуха на один воздухораспределитель: Lо = L/N = 3640/4 = 910 м³/ч. Принимаем рекомендуемую скорость воздуха в живом сечении vор = 3 м/с, так как высота помещения Нпом > 6 м.
Ориентировочное живое сечение для прохода воздуха:
Выбираем плафоны «Арктос» марки 4АПН 450×450. Их характеристики: фактическое живое сечение Афакт = 0,083 м² — по каталогу; скоростной и температурный коэффициенты m = 2,5 и n = 3 по табл. 17.6 [13].
Фактическая скорость на выпуске:
Величина начальной избыточной температуры в струе ∆tо = tв — tо = 6°C (см. выше).
Геометрическая характеристика струи:
Коэффициент неизотермичности:
Принимаем под корнем знак «плюс», поскольку температура притока в холодный период ниже температуры внутреннего воздуха, а подача осуществляется сверху вниз. Коэффициент стеснения kcon в данном случае можно считать равным 1,0.
Скорость на оси струи в точке её входа в рабочую зону:
Это совпадает с допустимым уровнем vдоп = 0,3×1,4 = 0,42 м/с. Здесь vнорм = 0,3 м/с — допустимое значение подвижности воздуха для холодного периода в целом по рабочей зоне по ГОСТ 30494 [14] (считаем, что возможность применения допустимого vнорм, а не оптимального, установлена заданием на проектирование в соответствии с п. 5.3 СП 60 [11]); 1,4 — повышающий коэффициент для перехода от vнорм к vдоп при допустимых условиях по Приложению Д СП 60 [11], когда струя входит в рабочую зону основным участком. В нашем примере длина начального участка равна: mКОРЕНЬ(Aфакт) = 2,5×КОРЕНЬ(0,083) = 0,72 м << x = 11,28 м, следовательно, струя входит в рабочую зону действительно основным участком.
Отклонение температуры в струе от температуры в рабочей зоне в точке входа в неё струи:
(по Приложению Д СП 60 [11] для жилых, общественных и административно-бытовых зданий, если tо < tв).
Проверяем условие прилипания струи В/2 < 0,4H: 4,95/2 = 2,47 > 0,4×5,25 = 2,1 — условие безотрывного течения струи формально не выполнено, однако невыполнение не слишком значительно (находится в пределах точности расчёта), следовательно, выбранный тип воздухораспределительного устройства и схема их размещения обеспечивают нормируемые параметры воздуха в обслуживаемой зоне.
Если выхлоп охлаждённого в установке воздуха осуществляется непосредственно из вентиляторного блока вверх в помещение, тогда:
x = 2B + 2(Hпом — hрз) = 2×4,95 + 2×(10,8–1,5) = 28,5 м.
Для L = 3640 м³/ч и при статическом давлении, близком к нулю при работе вентилятора без сети, необходимый диаметр рабочего колеса вентилятора составляет около 225 мм, следовательно, сторона выхлопного отверстия равна 0,8×225 = 180 мм = 0,18 м, тогда Афакт = 0,182 = 0,0324 м², откуда имеем:
1. Скорость на выпуске:
vo = 3640/(3600×0,0324) = 31,2 м/с, m = 6,8, n = 5,1 (для открытого отверстия).
2. Геометрическая характеристика:
3. Коэффициент неизотермичности, как и коэффициент стеснения kcon, в данном случае можно считать также равным 1,0, потому что струя одинаковую часть пути движется и вверх, и вниз.
4. Скорость на оси струи в точке её входа в рабочую зону:
5. Избыточная температура:
Проверяем условие прилипания струи 2В < 0,5H (имея в виду, что нас интересует безотрывное течение только вдоль потолка, а вдоль стен оно обеспечивается автоматически): 2×4,95 << 0,5×88,6 = 44,3 м, то есть условие выполняется.
Таким образом, существенно не соблюдается условие по vx. Однако, если за выхлопным отверстием установить диффузор с шириной на выходе, равной 0,54 м (с увеличением стороны в три раза), тогда Афакт = 0,292 м², vо = 3,46 м/с, Н = 17 м, vx = 0,445 м/с > 0,42, но разница лежит в пределах точности расчёта; ∆tx = 0,58°C < 1,5°C, условие прилипания (2×4,95 >> 0,5×17 = 8,5) также формально не выполнено, однако это невыполнение не слишком значительно и находится в пределах точности расчёта.
Следовательно, предлагаемую схему целесообразно использовать в отдельных крупных помещениях, преимущественно высоких, с сетью потолочных воздухораспределителей, а при выхлопе непосредственно в помещение — с установкой диффузора, снижающего начальную скорость воздушного потока.
При этом очевидными достоинствами предлагаемой схемы являются, во-первых, отсутствие внешних теплообменников на фасадах здания или, по крайней мере, уменьшение их количества, так как оборудование для «свободного охлаждения» в данном случае размещается уже внутри помещения, а во-вторых, упрощение схемы обвязки трубопроводами внутренних блоков местной системы охлаждения и, следовательно, их регулирования, поскольку устраняются циркуляционные контуры, связывающие с внешними теплообменниками. Кроме того, схема может быть собрана из стандартного серийного оборудования.
В качестве недостатка можно отметить необходимость расширения отверстий в наружной стене, которые теперь должны рассчитываться, исходя не из диаметров трубопроводов, а по размерам каналов для наружного воздуха, которые должны быть тщательно теплоизолированы для недопущения промерзания наружной стены, а также возможное увеличение стоимости добавляемого комплекта оборудования по сравнению с исключаемым, но это может быть определено только по результатам технико-экономического расчёта.
Результаты, представленные в статье, получены в ходе выполнения научно-исследовательской работы (НИР) для подачи заявки на патент РФ «Конструкция системы кондиционирования воздуха со свободным охлаждением в пластинчатом рекуператоре» от НИУ МГСУ от 12.12.2025 №2025135541.
