С предложением оставлять включёнными системы кондиционирования в офисном помещении я столкнулся в далёком 2000 году, когда, будучи молодым инженером по системам вентиляции и кондиционирования воздуха, работал в компании «Лукойл» в городе Перми. Местный подрядчик выиграл тендер на поставку и монтаж системы кондиционирования VRF, а крупный московский поставщик ему в этом активно помогал (не будем называть бренды и компании, чтобы не делать им рекламу или антирекламу). После введения системы в эксплуатацию оказалось, что производительность по холоду VRF-системы была недостаточной. Неизвестно, явилось ли это следствием ошибок проектирования или неверно предоставленных характеристик оборудования, но днём в помещениях воздух прогревался до 25–27°C, несмотря на установленные на пультах +20°C. Именно тогда я в первый раз услышал о «энергоэффективном режиме», благодаря которому можно снизить расчётную производительность кондиционера и даже добиться повышения его энергоэффективности [2]. Суть этого режима заключалась в оставлении работающего кондиционера в режиме холода на ночь. К слову, на данном объекте это не помогло, и через три года неудачной эксплуатации системы были заменены на другой бренд с увеличением производительности в полтора раза.
Сегодня мы с вами попытаемся разобраться, что происходит с тепловым режимом помещений, если оставить систему охлаждения включённой на ночь.
Сама идея аккумулировать холод для снижения пиковой мощности холодильной установки прекрасна, но я сразу подчеркну, что именно пиковой. При её должной реализации достигается множество преимуществ.
Это, во-первых, меньшая стоимость оборудования, так как обычно расчёт ведётся именно на максимальную производительность, которая может наблюдаться только несколько дней в году. Во-вторых, более равномерная загрузка оборудования, которая приведёт к большему сроку его эксплуатации. В-третьих, меньше затраты на эксплуатацию, так как используется ночной тариф на электроэнергию для выработки и аккумуляции холода.
Сейчас уместно рассказать о реально работающей системе с аккумуляцией холода, которую автор лично наблюдал в Японии. Система холодоснабжения центрального делового района города Йокогама — Минато Мирай 21, известного как «район небоскрёбов» (ныне это фактически часть Токио), построена с использованием центральной системы холодоснабжения (табл. 1). Огромные трубопроводы диаметром 800 мм подают охлаждённую воду к зданиям целого квартала (фото 1). Несколько центробежных и абсорбционных чиллеров, самый маленький из которых имеет производительность 15 МВт, охлаждают эту воду с температуры +13°C до +6°C. Охлаждение чиллеров — водяное, с помощью морской воды.
Рис. 1 иллюстрирует, что применение встроенных в систему аккумуляторов холода позволяет значительно уменьшить пики дневного потребления холода, поэтому данная технология без сомнения оправдана и востребована в больших холодильных центрах.
Рис. 1. Распределение холодильной нагрузки и срезание «пиков» нагрузки с помощью аккумуляторов холода (АХ)
Теперь вернёмся к теме нашего исследования, то есть технологии аккумуляции холода ночью самим зданием. Во-первых, посчитаем, сколько холода в принципе может запасти наше здание и мебель внутри него. В качестве самого распространённого примера возьмём офисное помещение. Постараемся максимально учесть все факторы.
Фото 1. Аккумулятор холода (а), трубопроводы холодоснабжения диаметром 800 мм (б) и одна из станций управления в центральном холодильном центре района Минато Мирай 21 (в)
Исходные данные
Рассматривается здание со следующими параметрами:
- назначение — офисное помещение;
- площадь — 30 м²;
- высота потолка (стандарт) — 2,7 м;
- объём воздуха — 30×2,7 = 81 м³;
- наружная стена / внутренние стены — кирпич, толщина 25 / 12,5 см;
- окно — 3 м²;
- аполненность мебелью — учтём как добавочную теплоёмкость.
Теплоёмкость конструкций здания и воздуха
Воздух:
- удельная теплоёмкость воздуха — 1005 Дж/(кг·K);
- плотность — 1,2 кг/м³;
- масса воздуха — 81×1,2 = 97,2 кг;
- теплоёмкость воздуха — 97,2×1005 = 97600 Дж/К.
Шарообразный аккумулятор холода
Наружная кирпичная стена:
- плотность кирпича — 1800 кг/м³;
- удельная теплоёмкость — 840 Дж/(кг·K);
- предположим, что наружная стена имеет длину 5 м и высоту 2,7 м, тогда её площадь составит 5×2,7 = 13,5 м², объём — 13,5×0,25 = 3,36 м³;
- масса — 3,37×1800 = 6075 кг;
- величина теплоёмкости — 6075×840 = 5103000 Дж/К.
Внутренние кирпичные стены:
- допустим, что остальные три стены имеют в среднем длину 4 м, тогда общая площадь стен составит 4×3 × 2,7 = 32,4 м², объём — 32,4×0,12 = 4,05 м³;
- масса — 4,05×1800 = 7290 кг;
- величина теплоёмкости — 7290×840 = 6123000 Дж/К.
Окно:
- стекло, плотность — 2500 кг/м³;
- удельная теплоёмкость — 840 Дж/(кг·K);
- толщина — 4 мм = 0,004 м;
- объём — 3×0,004 = 0,012 м³;
- масса — 0,012×2500 = 30 кг;
- теплоёмкость — 30×840 = 25200 Дж/К.
Мебель и отделка:
- в среднем 10% массы внутренних стен (для упрощённой оценки);
- масса — 750 кг;
- удельная теплоёмкость (дерево и текстиль) — 1300 Дж/(кг·K);
- величина теплоёмкости — 750×1300 = 975000 Дж/К.
Суммарная теплоёмкость помещения:
- воздух — 98000 Дж/К;
- наружная стена — 5103000 Дж/К;
- внутренние стены — 6123000 Дж/К;
- окно — 25000 Дж/К;
- мебель — 975000 Дж/К.
- Итого: 12324000 Дж/К.
Энергоёмкость на 1°C
Чтобы нагреть помещение на 1°C, необходимо затратить 12,3 МДж или около 3,4 кВт·ч (1 кВт·ч = 3,6 МДж).
Мы рассматриваем помещение с достаточно толстыми стенами из теплоёмкого кирпича. Однако в современном строительстве часто применяют лёгкие материалы и выполняют отделку из гипсокартона, который, в свою очередь, имеет в несколько раз меньшую теплоёмкость.
Итак, мы выяснили, что требуется около 3,4 кВт·ч, чтобы нагреть или охладить наше помещение на 1°C. Оптимальная температура внутреннего воздуха при кондиционировании составляет от +20 до +25°C, то есть в теории мы можем охладить наше здание ночью до +20°C. Расчётная температура для системы кондиционирования задаётся как +24°C, следовательно, максимально возможная теплоёмкость расчётного помещения составит 3,4 кВт·ч × 4°C = 13,6 кВт·ч. На самом деле меньше, так как при достижении разницы температур между стеной и воздухам помещения в 1°C теплообмен между ними практически прекратится.
Для офисов расчётные теплоизбытки часто лежат в диапазоне 150–200 Вт/м², то есть для помещения площадью 30 м² подходит оборудование с пиковой производительностью от 4,5 до 6,0 кВт по холоду. Хочу акцентировать внимание на том, что нас интересует именно пиковый режим в максимально жаркие дни, поскольку в другой период охлаждать наше помещение ночью нет смысла. Пиковые теплопоступления могут возникать в разное время в течение дня. Для помещений, ориентированных на восток, это утренние часы. Для помещений, ориентированных на юг, это, соответственно, дневные. И на запад — вечерние. Возьмём как нечто среднее ориентацию на юг. Попытаемся смоделировать ситуацию, когда офисные работники воспользовались «энергоэффективным режимом» и оставили включённым на ночь кондиционер на +20°C. Утром в 09:00 они пришли в переохлаждённый офис и поставили более комфортную температуру +24°C. Что будет происходить дальше? Система охлаждения кондиционера отключит компрессор в сплит-системе либо перекроет ЭРВ в системе VRF, и охлаждение от кондиционера прекратится, поскольку температура в комнате меньше, чем уставка на пульте управления. Так как в помещении появились теплопоступления от пришедших людей, от включённой техники, солнечной радиации и вентиляционного воздуха, то температура начнёт быстро повышаться. Насколько быстро? Это будет зависеть в первую очередь от величины этих теплоизбытков.
Для расчёта примем, что теплоизбытки составляют 75% от пиковой величины, то есть 150 Вт/м² или 4,5 кВт. Мы помним, что наружные стены накопили около 13,6 кВт·ч холода за ночь. Следовательно, их теплоёмкости хватит, чтобы поддерживать температуру в помещении 13,6/ 4,5 = 3,02 часа.
То есть максимум три часа. На самом деле меньше, так как: воздух и мебель прогреются гораздо быстрее; чем ближе будет температура стен к температуре воздуха помещения, тем меньше теплоотдача; наружные стены будут отдавать холод не только в помещение, но и в сторону наружного воздуха. И при разнице в 1°C этот процесс фактически остановится.
Но допустим, что при самом оптимальном варианте теплоёмкости помещения хватит ровно на три часа. То есть в 12:00 наши строительные конструкции достигнут расчётной температуры +24°C, возможности тепловой инерции будут полностью исчерпаны, и кондиционер включится на полную мощность. Я напоминаю, что пиковая производительность кондиционера для помещения с окнами, ориентированными на юг, наступает между 12-ю и 13-ю часами. Следовательно, может ли тепловая инерция помещения снизить расчётную мощность кондиционера в нашем примере? Ответ — нет.
Если помещение ориентировано на запад — смысла тоже нет, так как пиковая мощность потребуется позже, далеко после исчерпания возможностей тепловой инерции.
И только в одном случае, чисто теоретически, включённый на ночь кондиционер может снизить пиковую дневную нагрузку — в случае ориентации окон помещения на восток.
Рис. 2. Графики изменения тепловой нагрузки на систему кондиционирования с южной ориентацией помещения
Представленная на рис. 2 синяя линия — это загрузка системы кондиционирования в обычном варианте, то есть работа только днём при эксплуатации офиса. В 09:00 сотрудники офиса приходят на работу и включают кондиционер. Расчётная комфортная температура в помещении +24°C. Солнце ещё не попадает в окна, наружный воздух не прогрелся, поэтому тепловая нагрузка состоит в основном из людей и компьютерной техники — её величина около 90 Вт/м². К 13:00 солнечная радиация достигает своего пика. Тепловая нагрузка максимальна и составляет 200 Вт/м². Во второй половине дня солнце постепенно уходит, но воздух прогрет, поэтому снижение теплопоступлений происходит не так быстро. В 18:00 тепловая нагрузка равна 140 Вт/м². В 19:00 все офисные сотрудники уходят по домам, кондиционер выключен.
Оранжевая линия на рис. 2 соответствует эксплуатации кондиционера в круглосуточном режиме с целью переохлаждения ограждающих конструкций здания. В 09:00 сотрудники приходят в офис. Температура в офисе достаточно прохладная, +20°C. Кондиционер переключается на комфортную температуру +24°C. Однако в помещении температура ниже, поэтому компрессор не включается.
В 10:00 температура в помещении достигает +23°C, но кондиционер по-прежнему не охлаждает. Теплоизбытки ассимилируются холодом, накопленным в стенах и мебели.
В течение следующего часа температура в помещении достигает +24°C, и именно в этот момент включается охлаждение с помощью кондиционера. Но не на полную мощность, так как стены продолжают отдавать накопленный за ночь холод. И наконец, к 12:00 стены окончательно прогрелись, кондиционер выходит на расчётный режим, теплоизбытки достигают максимума 200 Вт/м².
В 18:00 сотрудники начинают уходить по домам, и в 19:00 автоматически или с помощью пульта активируется режим пониженной температуры +20°C. В помещении +24°C, поэтому кондиционер увеличивает свою производительность до максимума. В течение трёх часов стены и мебель в помещении достигают требуемой температуры +20°C, и кондиционер переходит в режим поддержания этой температуры до утра, снижая производительность на этот период до 10%.
Теперь давайте попробуем рассчитать энергоэффективность такого решения.
Мы выяснили, что в нашем примере помещение запасает около 13,6 кВт·ч тепловой энергии за ночь. Вечером пользователи вручную или система центрального управления автоматически переключает кондиционер на температуру +20°C. В помещении +24°C, и кондиционер включается на полную мощность. За три часа работы он передаст 13,6 кВт·ч тепловой энергии окружающим конструкциям здания. Но, кроме этих «полезных» 13,6 кВт, появятся дополнительные потери на поддержание этой температуры, поскольку наше помещение — это не термос. Не забываем, что снаружи +25°C и наша стена так же успешно проводит тепловую энергию внутрь охлаждённого помещения. Есть инфильтрация тёплого наружного воздуха в помещение, есть теплопоступления от коридоров, где не установлена система охлаждения. Для нашего примера можно оценить все эти теплопоступления, как 10% от средней величины дневных, следовательно, ночью, кроме «полезных» 13,6 кВт·ч, кондиционер потратит 4,5 кВт × 10% × 11 ч = 4,95 кВт·ч на поддержание температуры +20°C.
Холодильный коэффициент инверторного кондиционера зависит главным образом от нагрузки и от температур наружного и внутреннего воздуха.
Вариант 1: без ночного режима. Работа с 09:00 до 18:00. Температура внутри +24°C. Температура снаружи +30°C. Расход холода 4,5 кВт × 9 ч = 40,5 кВт·ч, EER = 3,8, отсюда энергопотребление: 40,5/ 3,8 = 10,65 кВт·ч.
Вариант 2. Работа с 09:00 до 18:00. Температура внутри +24°C. Температура снаружи +30°C. Первые три часа охлаждение только за счёт аккумуляции холода 4,5 кВт × 6 ч = 27 кВт·ч, EER = 3,8, отсюда энергопотребление: 27/ 3,8 = 7,1 кВт·ч.
Охлаждение помещения. Работа с 18:00 до 21:00. Температура внутри +20°C. Температура снаружи +25°C. Расход электроэнергии 4,5 кВт × 3 ч = 13,5 кВт·ч, EER = 4,7, отсюда энергопотребление: 13,5/ 4,7 = 2,87 кВт·ч.
Поддержание температуры. Работа с 21:00 до 09:00. Температура внутри +20°C.
Температура снаружи +25°C. Расход электроэнергии 0,45 кВт × 12 ч = 5,4 кВт·ч, EER = 4,9, отсюда энергопотребление: 5,4/ 4,9 = 1,1 кВт·ч.
Итого энергопотребление варианта 2 составит: 7,1 + 2,87 + 1,1 = 11,07 кВт.
То есть выигрыша в энергопотреблении мы также не получили.
Стоимость электроэнергии зависит, как правило, от региона и времени суток. Для Москвы дневной тариф (с 07:00 до 23:00) во второй половине 2025 года составляет 9,45 руб. за 1 кВт·ч.
Ночной тариф (с 23:00 до 07:00) меньше — 4,08 руб/ кВт·ч.
Определим, сколько финансов мы потратим на оплату электроэнергии в обеих вариантах.
Вариант 1: без ночного режима. Энергопотребление составит 10,65 кВт·ч в день по максимальному тарифу 9,45 руб. за 1 кВт·ч. Следовательно, стоимость электроэнергии в сутки для этого варианта будет равной 100 руб. 64 коп.
Вариант 2: с ночным режимом. Удобнее рассчитать стоимость затраченной в сутки электроэнергии с помощью табл. 2.
Итого финансовые затраты на круглосуточную работу системы кондиционирования равны 100 руб. 58 коп., что на 6 коп. (или на 0,06%) меньше, чем при использовании системы кондиционирования только днём.
В теории, если попытаться максимально использовать низкую стоимость электроэнергии ночью, можно настроить автоматическое включение кондиционера именно с 23:00 до 07:00. Поскольку, по нашим расчётам, на охлаждение помещения требуется три часа, следовательно, мы могли бы с помощью таймера на пульте управления или с помощью центральной системы задать включение, например в 04:00, тогда до 07:00 помещение будет охлаждено по низкому тарифу, и с 07:00 по 09:00 нужно тратить электроэнергию только на поддержание этой температуры. Тогда финансовые затраты будут меньше примерно на 20% (табл. 3).
Выводы
1. Системы аккумуляции холода достаточно активно применяются в мире для снижения именно пиковых значений мощности систем охлаждения. Они являются встроенными в систему охлаждения параллельно холодильной машине.
2. Использование ночного охлаждения помещения может снизить расчётную производительность системы кондиционирования только в одном случае — если максимум теплоизбытков в помещение поступает в утренние часы. Например, с окнами, ориентированными на восток. Во всех остальных случаях пиковые теплоизбытки наблюдаются уже после прогрева ограждающих конструкций.
3. Общее количество потреблённой энергии, если кондиционеры оставлять включёнными на ночь, будет больше за счёт поддержания пониженной температуры в помещении ночью.
4. Общая стоимость электрической энергии при использовании ночного охлаждения помещения будет действительно меньше (до 20%) в случае применения дифференцированных тарифов и при автоматическом включении кондиционера на охлаждение в 04:00.
5. Выработка ресурса оборудования систем кондиционирования при использовании ночного охлаждения будет происходить в полтора-два раза быстрее.
