Рис. 1. Принципиальная схема СКВ, обслуживающей помещения на двух фасадах офисного здания
Современные офисные и общественные здания строятся квадратными или круглыми. Это определяет наличие двух зон на каждом этаже — помещения по периметру здания с глубиной помещений не более 8 м и помещения (или зоны) во внутренней части этажа. В помещениях по периметру здания имеются наружные строительные ограждающие конструкции, через которые зимой при температуре внутреннего воздуха значительно выше наружного (tвх = 20 °C > tнх) имеют место потери тепла, а летом при tв < tн имеют место поступления тепла от наружного воздуха.
При наличии днем солнечной радиации через остекление (окно) в наружной стене зимой и летом поступает проникающая через остекление теплота от нее. В ночные часы в помещениях нет людей и остановлено служебное оборудование, потребляющее электрическую энергию, переходящую в тепловую. В холодный период года теплопотери через наружное ограждение в ночные часы при расчетной температуре наружного воздуха имеют наибольшую величину.
В дневные часы холодного периода года tнх выше расчетного значения на 8–12 °C. В ясные дни зимой имеет место солнечная радиация и в помещение через остекление поступает ее теплота, которая нагревает поверхность пола, стен, мебели, людей. Для компенсации трансмиссионных теплопотерь у наружного остекления (обычно под окном) устанавливается отопительное оборудование (конвекторы или радиаторы).
Применение конвекторов у остекления обуславливает поступление в помещение нагретого до tп = 45 °C внутреннего рециркуляционного воздуха. Это на 50 % увеличивает трансмиссионные теплопотери через остекление. Для реализации энергосбережения рекомендуется в помещениях применение отечественных конструкций доводчиков эжекционных, разработанных и производимых фирмой ООО «Локальные ЭнергоСистемы», моделей ДЭ 16180/250 [3].
Их применение под окном показано на рис. 2.6 [1].Отличительной особенностью использования отечественного ДЭ в качестве отопительного оборудования является поступление эжектируемого воздуха tв.э с поверхности остекления через щель, которая устраивается по всей длине остекления в декоративном ограждении ДЭ или в самом подоконнике. Это обеспечивает забор эжектируемого воздуха от потолка, где температура tв.э.пот всегда зимой больше температуры воздуха tвх в обитаемой людьми зоне помещения.
Поэтому часть тепла эжектируемого воздуха нагревает остекление и сокращает теплопотери. Вторым принципиальным отличием отечественного ДЭ [1] от зарубежных аналогов является поступление приготовленного в ДЭ воздуха непосредственно в зону обитания людей, что позволяет избытки тепла, влаги и вредные газы вытеснять под потолок. Это накладывает ограничения на температуру приточного от ДЭ воздуха tп = tпн + tт.ДЭ, которая зимой по условиям комфортности поступления tп к людям не должна быть ниже tвх – tпх < 3 °C.
В режимах охлаждения помещений летом tв – tп < 5 °C.При строительстве административных и общественных зданий в городах с существующими наружными сетями снабжение горячей водой от ТЭЦ или котельной, возникают значительные трудности с получением разрешения на врезку в существующие сети теплоснабжения. Очень часто приходится сооружать дополнительные сетевые трубопроводы, что существенно осложняет и удорожает строительство.
Наиболее экономически целесообразно при новом строительстве принять проектные решения по снижению теплопотерь и значительному уменьшению потребности в тепле на цели отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий. В наружных ограждениях наибольшие трансмиссионные теплопотери имеют место через остекление окна. Для сокращения теплопотерь, за последние года, получило применение герметичных окон с двойным остеклением.
Значительно дешевле и эффективней задача повышения термического сопротивления окон решается путем применения новых конструктивных решений окон с использованием стекол с усиленными теплозащитными характеристиками [5]. По сравнению с требованиями СНиП 2302–2003 «Тепловая защита зданий» термическое сопротивление нового теплозащитного остекления увеличивают в два раза термическое сопротивление окна до 1 (Вт⋅°C)/м2 по сравнению с нормируемой теплозащитой Rок = 0,5 (Вт⋅°C)/м2 — повышение Rок в два раза обеспечивает снижение теплопотерь через окна также в два раза.
Вторым важным энергосберегающим решением является максимальное использование внутренних выделений тепла (от работы служебного оборудования, потребляющего электроэнергию, переходящую в тепло; тепло и влаговыделения от людей и др.) для предварительного подогрева санитарной нормы наружного воздуха, который традиционно поступает через форточки в окнах или регулируемые воздушными клапанами отверстия.
В Москве имеется положительный опыт работы систем утилизации теплоты вытяжного воздуха для подогрева санитарной нормы приточного наружного воздуха. Первая такая система утилизации сооружена в 1983 г. в административном здании в Москве (Б. Дмитровка, д. 26), ныне занимаемом Советом Федерации. Система утилизации успешно работает и сейчас, и обеспечивает снижение до 60 % годовых расходов тепла на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха.
После реализации современных методов энергосбережения [1] вполне экономично создание автономной системы тепло и холодоснабжения здания, отказавшись от присоединения к сетям теплоснабжения от ТЭЦ или котельной. Наши расчеты показывают, что использование автономного тепло и холодоснабжения офисных и общественных зданий оказывается дешевле по капитальным затратам по сравнению со стоимостью присоединения к существующим тепловым сетям или их дополнительному сооружению.
Предлагаемая автономная энергосберегающая система тепло и холодоснабжения представлена на принципиальной схеме рис. 1. По периметру здания под окнами устанавливаются доводчики эжекционные (рис. 2.6 [1]). Их теплообменники 25 через коллектора 23 и 24 трубопроводами связаны со змеевиками-теплообменниками в баках-аккумуляторах горячей воды 16 и испарителем 14 холодильной машины ХМ.
В холодное время года в баках-аккумуляторах в ночные часы от включения электронагревателей накапливается горячая вода с температурой twг = 50 °C, которая от работы насоса Н6 подается в теплообменники 25 для нагрева воздуха поступающего с поверхности холодного остекления окна. В ночные часы в помещениях офисных и общественных зданий нет людей, поэтому вентиляторы 7 и 12 приточного П и вытяжного ВТ агрегатов [2] останавливаются, а доводчики эжекционные периметральной зоны работают в конвективном режиме.
Зимой в ночные часы температура воздуха в периметральных помещениях tвх = 20 °C может понижаться до нормируемой величины дежурного отопления tвх.ночь = 16 °C. Работа насоса Н6 и поступление горячей воды twг1 = 40 °C в теплообменники 25 обеспечивает эффективный нагрев внутреннего воздуха в режиме естественной конвекции [3]. Кроме этого, значительным источником тепла являются массивные строительные конструкции пола и потолка помещения, охлаждение которых на 1 °C обеспечивает поступление тепла до 50 Вт/м3 перекрытий.
При площади пола помещения 18 м2 это обеспечит поступление в помещение теплаqт.ак.пол = 50 × 18 × 0,3 = 270 Вт(табл. VI.4 [6]). Поэтому даже при сравнительно низкой температуре tнх = –28 °C температура воздуха в периметральных помещениях не опускается ниже 18 °C. Ночное включение электронагревателей в баках-аккумуляторах 16 позволяет поддерживать twг = 50 °C.В дневные часы с приходом в помещение людей включаются вентиляторы 7 и 12.
В вытяжной агрегат ВТ поступает вытяжной воздух с температурой зимой до tух1 = 24 °C. В теплоизвлекающем теплообменнике 10 вытяжной воздух понижает температуру до tух2 = 5 °C и отдает извлеченное тепло на нагрев антифриза, циркулирующего в системе утилизации от работы насоса Н1. В помещениях внутренней зоны здания нет теплопотерь, а имеют место значительные теплоизбытки от работы освещения и служебного оборудования.
Эти теплоизбытки воспринимаются в теплообменниках 21 доводчиков эжекционных, монтируемых на потолке помещений внутренней зоны. Отепленная в теплообменнике 21 вода от работы насоса Н4 поступает в пластинчатый теплообменник 19, где догревает антифриз, имеющий температуру tаϕ2 = 3 °C до tаϕ3 = 6 °C. Догретый в теплообменнике 19 антифриз от работы насоса Н1 по противоточной схеме подается в трубки теплоотдающего теплообменника 3 в приточном агрегате П.
Натурные испытания системы двойной утилизации, запроектированной и сооруженной авторами в торговом центре «Солнечный рай» (г. Воронеж) показали [1–7], что приточный наружный воздух tпн теплотой утилизации нагревается с tнх = –26 °C до tн3 = 1 °C. В традиционных системах вентиляции торговых центров для охлаждения зимой помещений внутренней зоны здания применяется метод «свободного охлаждения», при котором отепленный антифриз охлаждается в теплообменниках вентиляторных охладителей, устанавливаемых на крыше здания (рис. 5.2 [1]).
В традиционной схеме внутренние тепловыделения выбрасываются в атмосферу (например, в табл. 5.1 [1] показано, что в торговом центре в Москве зимой выбрасывается в атмосферу 256 кВт⋅ч тепла из внутренней зоны помещений).Благодаря реализации предложенной авторами системы утилизации внутренних тепловыделений достигается снижение расхода тепла более чем на 80 % на нужды отопления и вентиляции.
Это позволило предложить инвестору строительства торгового центра «Солнечный рай» сократить тепловую мощность крышной газовой котельной с 4,3 до 1,3 МВт. Благодаря снижению расхода газа для крышной котельной инвестор (владелец «Солнечного рая») окупил стоимость системы двухступенчатой утилизации за полтора года. В теплое время года необходимо охлаждать воздух в помещениях периметральной и внутренних зон здания.
Широкое применение для этих целей получили сплитсистемы, с установкой в обслуживаемых помещениях вентиляторных воздухоохладителей, холод для которых вырабатывается в компрессорно-конденсаторных блоках, монтируемых на фасаде или крыше здания, конденсаторы которых охлаждаются градирнями. Вместо применения сплитсистем авторы предлагают на рис. 1 схемы использования холодильной машины (ХМ) для охлаждения воды, подаваемой насосом Н3 в теплообменники ДЭ периметральной 25 и внутренней 21 зон здания.
Традиционно в ХМ охлаждение жидкости после нагрева в конденсаторе 15 достигается применением градирен и вентиляторных водоохладителей. Энергосберегающий режим работы ХМ по схеме на рис. 1 обеспечивается полезным использованием нагретой до twк1 = 50 °C в конденсаторе 15 ХМ воды в бакахаккумуляторах 16 и 17 для нагрева водопроводной воды Gwвод на нужды горячего водоснабжения (ГВ) в здании. Если теплота конденсации для нагрева водопроводной воды для ГВ становится излишней, то повышается давление конденсации хладагента, которое воспринимается датчиком РК, подающим команду на открытие трехходового автоматического клапана К1 и отепленная в конденсаторе вода поступает на охлаждение в трубки теплообменника 11 в вытяжном агрегате ВТ.
Если охлаждение в теплообменнике 11 недостаточно, то датчик контроля РК подает сигнал на пуск адиабатического увлажнения 6 в вытяжном агрегате ВТ. Режим адиабатического увлажнения вытяжного воздуха позволяет понизить температуру tу до 23–22 °C, увеличив охлаждение конденсаторной воды. Приведенное описание показывает, что предлагаемая схема применения ХМ вместо традиционных методов охлаждения приточного воздуха почти в два раза снижает капитальные затраты и расходы электроэнергии.
Так, например, работа электродвигателя в вентиляторном воздухоохладителе требует в 10 раз больше расхода электроэнергии по сравнению с использованием теплообменников ДЭ для охлаждения помещений. Авторы готовы разработать проект, а также осуществить монтажные и пусконаладочные работы энергосберегающей системы отопления, вентиляции и охлаждения воздуха, показанной на рис. 1.
