Энергосберегающие системы отопления, вентиляции и кондиционирования в квартирах многоэтажных зданий

Новые жилые здания строятся с выполнением требований по теплозащите и герметизации окон [1]. Повышение термического сопротивления наружных ограждающих конструкций обеспечило значительное снижение трансмиссионных теплопотерь и, тем самым, значительное сокращение затрат тепла на отопление квартир.

Однако применение новых герметичных окон устранило неорганизованный приток наружного воздуха в жилые комнаты (традиционно имела место интенсивная инфильтрация наружного воздуха через щели в прежних конструкциях окон) и приток в жилые квартиры наружного воздуха практически прекратился. Из-за отсутствия притока наружного воздуха в помещениях перестала нормально функционировать и естественная вытяжка загазованного и влажного воздуха из кухни, ванной, санузлов.

В квартирах повысилась загазованность внутреннего воздуха и появились многочисленные жалобы от жильцов новых домов на неблагоприятные санитарные гигиенические качества воздуха в помещениях квартир. Для обеспечения работы естественной приточной вытяжной вентиляции предложено в герметичных окнах устраивать регулируемые форточки или щели с регулируемыми клапанами [2]. В Рекомендациях [2] показана широко применяемая в многоэтажных зданиях схема организации воздухообмена в жилых квартирах.

В верхней части герметичных окон устроены регулируемые отверстия (форточки или щели) для поступления приточного наружного воздуха. В верхней части помещений кухни, санузлов, ванной предусмотрены отверстия, соединенные с вертикальными вытяжными каналами, выходящими на теплый чердак. Поступающий через отверстие в окне наружный воздух воспринимает газовые и тепловые выделения и через вытяжные отверстия и каналы загазованный, влажный и отепленный воздух выбрасывается на чердак.

Как известно, интенсивность естественной приточно-вытяжной вентиляции зависит от гравитационного давления, сечений приточных и вытяжных отверстий, сечений и протяженности вытяжных каналов. Гравитационное давление значительно возрастает с понижением температуры наружного воздуха и возрастанием по высоте здания расстояния между приточным отверстием и высотой расположения выходного отверстия вытяжного канала.

При одинаковых по высоте жилого дома температурах приточного холодного наружного воздуха и температурах вытяжного воздуха, гравитационное давление в комнатах нижних этажей будет значительно больше по сравнению с квартирами на верхних этажах. Это приводит к изменению величины гравитационного давления в доме в течение суток, т.к. суточные колебания температуры наружного воздуха зимой обычно составляют 10–14°С.

Приточно-вытяжные системы с естественным побуждением не обладают гидравлической устойчивостью. Для создания гидравлической устойчивости имеются предложения применить специальные автоматические устройства на клапанах в приточных и вытяжных отверстиях. Однако эти предложения не обеспечивают надежной гидравлической устойчивости круглогодового функционирования приточновытяжных систем с естественным побуждением.

Вторым серьезным недостатком систем с естественным побуждением организации воздухообмена являются значительные (до 80%) расходы тепла в отопительных приборах, установленных под окнами, т.к. имеются отверстия для ниспадающих струй холодного наружного воздуха, которые попадают на отопительный прибор. Поступающий в комнаты наружный воздух для обеспечения теплового комфорта в жилых комнатах необходимо нагревать до tвх = 20°С.

Для жилой комнаты площадью 20 м2 трансмиссионные теплопотери в домах с теплозащитой [1] обуславливают нагрузку на отопительный прибор под окном этой комнаты не более 200 Вт⋅ч, а для нагрева саннормы приточного наружного воздуха в расчетных условиях требуется расходовать 1000 Вт⋅ч. В традиционной схеме организации воздухообмена невозможно понизить расход тепла на нагрев приточного наружного воздуха в местном отопительном приборе в жилой комнате.

Для снижения расхода тепла обсуждаются предложения наполовину сократить саннорму поступления наружного воздуха в жилые комнаты. Это неизбежно приведет к загазованности жилых помещений вредными газами, выделяемыми из отделочных материалов, лаков, аэрозолей, пластмасс, строительных конструкций. В часы активного функционирования жилого помещения имеют место значительные теплопоступления от бытовой техники, людей, освещения или солнечной радиации, проникающей днем через окно.

Теплопоступления в помещение могут быть оценены не менее 20 Вт/м2, но они выделяются вдали от отопительного прибора и поэтому не могут способствовать снижению затрат тепла в отопительном приборе, обусловленные трансмиссионными теплопотерями и расходом на нагрев ниспадающего на отопительный прибор через форточку холодного наружного воздуха.

Для обеспечения гидравлической устойчивости воздухообмена в квартирах многоэтажных жилых домов и для сокращения до 70% затрат тепла на цели отопления, вентиляции и кондиционирования, а также для улучшения санитарно-гигиенических качеств воздуха в зоне обитания людей предлагается применять в жилых зданиях поквартирные системы приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха и использованием естественного холода наружного воздуха для кондиционирования. Принципиальная схема предлагаемой поквартирной системы ВОК (вентиляции, отопления, кондиционирования) представлена на рис. 1.

В жилой комнате под окном, где традиционно устанавливаются отопительные приборы (радиатор или конвектор), располагается локальная климатическая установка (ЛКУ). Нижняя часть ЛКУ является приточным агрегатом 1, соединенным патрубком 2 с декоративной воздухозаборной решеткой, смонтированных в отверстии в подоконной стене.

От работы канального вентилятора 3 по патрубку 2 в приточный агрегат ЛКУ поступает саннорма приточного воздуха Vпн, который очищается в фильтре и нагревается зимой в теплообменнике 4, в трубки которого от работы насоса по трубопроводам 5 поступает отепленный антифриз Gаф с температурой tаф = 6°. Нагретый до температуры 4°С приточный наружный воздух поступает в камеру первичного воздуха эжекционного блока 7 ЛКУ и выходит из сопел со скоростью 12 м/с.

Благодаря преобразованию кинетической энергии струй наружного первичного воздуха через теплообменник 8 эжектируется внутренний воздух Vвэ. Зимой по трубкам теплообменника 8 проходит горячая вода Gwг, расход которой регулируется терморегулятором 9. Датчиком терморегулятора 9 контролируется температура воздуха tв в зоне обитания людей в помещении, где имеют место основные внутренние тепловыделения.

Смесь нагретого эжектируемого Vвэ и наружного Vпн образуют в блоке 7 приточный воздух Vп, который подается в обитаемую зону помещения через приточную решетку 10 ЛКУ, наиболее эффективным с точки зрения санитарии и гигиены способом — вытесняющей вентиляцией. Наличие подоконной щели 11 позволяет эжектировать в ЛКУ охлажденный у остекления окна внутренний воздух Vвэ. На остекление эжектируемый воздух поступает из верхней зоны помещения, куда вытесняется отепленный воздух с температурой ty = 24°С.

Прохождение у холодного остекления отепленного эжектируемого теплого воздуха позволяет повысить температуру остекления, соответственно, уменьшить отрицательную радиацию в зону обитания людей. Отепленный, загазованный воздух Vу через отверстие 12 в верхней части внутренней стены поступает в коридор и далее в ванную и на кухню.

Наибольшие тепловыделения, связанные с жизнедеятельностью людей в квартирах, имеют место при приготовлении пищи на плите, над которой установлен фильтровальный зонт 14, при приеме душа или ванной. Из помещений кухни и ванной через соединительный всасывающий воздуховод отепленный воздух поступает к вытяжному агрегату 15, в котором имеется фильтр, теплоизвлекающий теплообменник 16, вытяжной вентилятор.

Вытяжной агрегат имеет высоту и ширину не более 250 мм и монтируется под потолком кухни. Через патрубок 17 вытяжной воздух Lу выбрасывается наружу. Производительность вытяжного агрегат 15 по вытяжному выбросному воздуху Lу определяется числом ЛКУ-60, установленных в квартире. Например, в трехкомнатной квартире жилой площадью 60 м2 применяются три ЛКУ-60, суммарная производительность которых по приточному наружному воздуху составляет: Lпн =3 × Vпн =3 × 60 = 180 м3/ч.

Производительность вытяжного агрегата 15 должна быть от 150 до 180 м3/ч. Рационально создавать подпор в квартире и принимать производительность вытяжного агрегата 15 Lу < Lпн на 10% при этом аэродинамическая устойчивость поквартирной системы организации воздухообмена по схеме на рис. 1 обеспечивается и автономностью. Воздухообмен не зависит от этажности здания и высоты расположения квартиры. Воздействие температурного градиента tн < tу одинаково для всех квартир и не требует регулирования отверстия для поступления наружного воздуха Vпн при понижении tн.

Минимальная протяженность приточных и вытяжных воздуховодов позволяет сократить капитальные затраты. Для работы вентилятора ЛКУ-60 потребляется электроэнергии не более 40 Вт⋅ч. Насос циркуляции антифриза Gаф потребляет 40 Вт⋅ч. Электроэнергии на работу вытяжного агрегата 15 затрачивается 60 Вт⋅ч. Общее потребление электроэнергии на функционирование поквартирной системы вентиляции в трехкомнатной квартире при трех ЛКУ-60 составляет 220 Вт⋅ч.

Теплотехническая эффективность системы утилизации теплоты вытяжного воздуха в поквартирной системе вентиляции по схеме на рис. 1 составляет θtуу = 0,4. При температуре вытяжного воздуха tу1 = 26°С и характерной температуре наружного воздуха tнх = –10°С в ЛКУ-60 в приточном агрегате наружный воздух нагревается до температуры: tн2 = θtуу ×(tу1 × tнх) + tнх = =0,4 ×(26 + 10) – 10 = 4,4°С.

От затрат энергии потока по воздушному тракту ЛКУ-60 приточный наружный воздух нагревается на 1,6°С и из сопел эжекционного блока ЛКУ выходит воздух с температурой tпн = 6°С. В традиционной системе естественной приточно-вытяжной вентиляции на нагрев до tв = 20°С саннормы приточного наружного воздуха для трех жилых комнат 3 × 60 = 180 м3/ч потребуется в отопительных приборах затратить тепла:

Qт.пн = Lпн ×ρпн × ср ×(tв – tпн)/3,6 = = 180 × 1,26 × 1 ×(20 + 10)/3,6 = 1890 Вт⋅ч. В

поквартирной системе по рис. 1 на нагрев в теплообменнике эжекционного блока ЛКУ-60 приточного наружного воздуха затрачивается тепла при отсутствии в помещении теплопритоков: Qт.пн.квар. = 180 × 1,23 × 1 × ×(20 – 6)/3,6 = 861 Вт⋅ч. Применение поквартирной системы отопления и вентиляции позволило сократить расчетный расход тепла в 1890/861 = 2,2 раза.

В реальных условиях суточного функционирования жилых квартир сокращение расхода тепла будет больше. Подача из сопел tпн = 6°С позволяет полезно использовать догрев Lпн до tв = 20°С и компенсировать поглощением теплопритоков в трех комнатах в количестве 861 Вт⋅ч. Только через три окна в холодные зимние дни проникающая солнечная радиация может составлять не менее 900 Вт⋅ч.

Датчик контроля комфортной температуры воздуха tв = 20°С расположен (рис. 1) в зоне пребывания людей, а не в традиционном месте у нагревательного прибора. Это позволяет терморегулятору 9 изменять расход горячей воды Gwг через теплообменник 8 в соответствии с тепловым режимом в обитаемой зоне, а не в зоне у окна, где на температуру воздуха значительное влияние оказывают ниспадающие из отрытой форточки (или щели в окне) холодные потоки наружного воздуха.

Как правило, в подоконной зоне зимой температура воздуха ниже, чем в обитаемой зоне помещения. При появлении в комнате тепловыделений (от электроприборов, людей, через остекление на пол и мебель падающих солнечных лучей) температура воздуха в обитаемой зоне повышается по сравнению с температурой воздуха у отопительного прибора под окном. Поэтому в традиционных системах наличие теплопритоков приводит к перегреву обитаемой зоны помещения и невозможно достичь пропорционального сокращения расхода тепла в отопительном приборе, смонтированном у окна.

Применение ЛКУ-60 создает принципиально отличные условия для достижения значительной экономии тепла при появлении в обитаемой зоне помещения теплопритоков. В целях повышения теплового комфорта и сокращения энергозатрат рекомендуется владельцам квартир останавливать вентилятор в приточных агрегатах 1 и вытяжном агрегате 15 при понижении температуры наружного воздуха tнх ≤ –15°С. Наиболее низкие температуры наружного воздуха наблюдаются в ночные часы, а днем tн поднимается на 10–14°С.

В ночные часы в обитаемых помещениях (кроме спальни) людей нет, поэтому кратковременная остановка вентиляторов не приводит к существенному ухудшению санитарно-гигиенических качеств воздуха в квартире. Днем с началом активной деятельности жильцов возникают тепловыделения в помещениях квартиры, рекомендуется включение вентиляторов в системе ОВ с ЛКУ. Насос системы утилизации энергетически целесообразно оставлять включенным зимой и ночью.

Наши натурные испытания систем ОВ с применением аппаратов ЛКУ-60 в коттеджах показали: даже при остановленных вентиляторах в помещениях происходит воздухообмен, составляющий до 30% расчетной производительности ЛКУ. Поэтому работа насоса циркуляции антифриза между теплообменником в вытяжном агрегате 15 и теплообменниками в приточных агрегатах 1 ЛКУ-60 обеспечивает подогрев пониженного до 30% (примерно до 18 м3/ч) притока наружного воздуха в ночном режиме при значительных кратковременных похолоданиях.

В теплый период года аппарат ЛКУ-60 рационально применить для интенсивного ночного охлаждения помещений наружным воздухом с температурой 17–18°С. Для этой цели владелец квартиры при снижении tн < 22°С открывает клапан 6 и производительность агрегата ЛКУ-60 по приточному наружному воздуху возрастает до 220 м3/ч, который проходит в помещение через щель в передней декоративной панели (на рис. 1 стрелкой Vпн.ноч. показан ночной интенсивный приток воздуха).

В теплый период года при сохранении расчетных температур наружного воздуха по параметрам Б в течение недели в климате Москвы наблюдается значительное повышение температуры воздуха в помещениях. Поэтому многие владельцы квартир производят закупку и установку воздухоохлаждающих систем. Наибольшее распространение получили раздельные системы охлаждения (сплит-системы), в которых в жилой комнате на стене монтируется вентиляторный воздухоохладитель с теплообменником непосредственного испарения хладагента (обычно R22) в его трубках.

На фасаде здания монтируется компрессорно-конденсаторный агрегат (наружный блок), который медными трубками соединяется с теплообменником в местном агрегате. Для охлаждения жилых помещений в трехкомнатной квартире необходимо применить три местных вентиляторных агрегата и наружный блок холодопроизводительностью до 3 кВт. Стоимость такой системы охлаждения до 3300 у.е., что выше капитальных затрат на сооружение систем ОВК по схеме на рис. 1.

Расходы электроэнергии в сплит-системах в шесть раз выше по сравнению с предлагаемым методом ночного охлаждения жилых помещений от работы ЛКУ. От воздухоохладителей сплит-систем поступает струя охлажденного до 12–14°С внутреннего воздуха. Если такой холодный воздух направлен на человека, то это приводит к тепловому дискомфорту (ощущению холодного дутья) и простудным заболеваниям. Поэтому сплит-системы часто включают днем для охлаждения жилых комнат, когда там нет людей.

На рис. 2 представлены расчетные графики измерения температур наружного tн и внутреннего tв воздуха в климате города Москвы расчетных параметров Б летом [3]. Даже в расчетные сутки летом температура наружного воздуха понижается от tн = 28,5°С днем до tн.ноч. = 18,1°С в ночные часы. Из графиков на рис. 2 за первые сутки стояния жары следует, что суточные колебания температур наружного воздуха позволили ночью охлаждать помещения до tв = 23°С и tв в зоне обитания не была выше комфортного уровня 25°С.

На вторые сутки естественного охлаждения уже было мало и в полуденные часы tв возросла до 27°С, но ночью понизилась до 24,5°С, что позволяет жильцам не чувствовать в вечерние, ночные и утренние часы теплового дискомфорта. При сохранении жары отмечается значительное повышение tв в дневные и ночные часы. На пятые и шестые сутки tв стала даже выше температуры наружного воздуха tн = 28,5°С, а ночью понизилась только до tв = 26°С. Такие температурные условия создают суточный тепловой дискомфорт для нахождения людей в помещениях квартиры.

Ухудшается самочувствие, обостряются сердечно-сосудистые заболевания. В ночные часы, несмотря на низкую температуру наружного воздуха tн.ноч. = = 18,1°С, в помещениях стоит дискомфортная температура и от нагретых днем стен и пола дополнительно поступает лучистое тепло. Повторное по суткам стояния жары повышение tв даже выше tн объясняется дневным накопление теплоты солнечной радиации в строительных конструкциях, мебели и бытовых приборах.

Из графиков на рис. 2 следует, что в первые сутки наступления жары нет значительного накопления теплоты солнечной радиации в помещении и tв < tн. На графиках это видно по минимальным температурам воздуха 25°С < 28,5°С. Для сохранения комфортного значения tв = 25°С необходимо препятствовать накоплению теплоты солнечной радиации в строительных конструкциях, мебели и бытовых приборах в жилой комнате.

При применении местных вентиляторных воздухоохладителей сплит-систем это достигается дневной подачей в помещение охлажденного внутреннего воздуха с температурой 14°С (рис. 3). При устройстве систем ВОК по схеме (рис. 1) в теплый период года предлагается при ночных температурах наружного воздуха от 22°С и ниже использовать ЛКУ-60 в режиме интенсивного ночного охлаждения. Из графика (рис. 2) следует, что это может составлять до 14 ч в сутки.

Оценим возможную охлаждающую способность приточного наружного воздуха, подаваемого в комнату площадью 20 м2 в количестве 220 м3/ч за 14 ч при средней температуре притока 20°С. Температура удаляемого ночью из жилых комнат отепленного воздуха — 26°С. Количество воспринятого ночью тепла наружным приточным воздухом от нагретых днем поверхностей в жилой комнате за 14 ночных часов работы ЛКУ-60 при производительности 220 м3/ч составляет: Qх.ЛКУноч. =14 × 220 × 1,21 × 1 ×(26 – 20)/3600 = 6,2 КВт⋅сут.

Вентиляторный воздухоохладитель холодопроизводительностью 1 кВт⋅ч сплит-системы в комнате 20 м2 для получения такого количества холода должен днем работать 6 ч. Проведенный анализ показал, что поквартирные системы ВОК по схеме на рис. 1 могут обеспечить круглогодовое энергосберегающее поддержание комфортных параметров воздуха в жилых комнатах в зданиях различной этажности при значительно меньших затратах тепла зимой и электроэнергии летом.

Капитальные затраты на сооружение систем ВОК с применением установок ЛКУ-60 значительно дешевле традиционных систем ВО и сплит-систем охлаждения, применяемых в квартирах современных многоэтажных жилых зданий.