Перевод статьи с сайта www.buildingscience.com (источник)

Любая система кондиционирования помещений предназначена для обеспечения комфортной и здоровой атмосферы в здании. Многие, пожалуй, даже большинство, систем спроектированы таким образом, что они не в состоянии обеспечить приток свежего воздуха и комфорт при минимальных затратах энергии. Как показывает практика, большая часть популярных систем отопления/кондиционирования воздуха для жилых и коммерческих помещений имеют фундаментальные изъяны в своей конструкции.

Нагрузка на систему кондиционирования зависит от функции здания, а также от характера эксплуатации и толщины стен. Однако даже для здания в форме куба с идеальной изоляцией, в котором живет старик-отшельник, необходима вентиляция. Кондиционирование воздуха в здании может осуществляться с помощью активного механического оборудования или пассивной системы.  Однако эффективность системы определяется не ее способностью выдерживать высокие нагрузки, а в стабильности работы.

Давайте постараемся понять, как должна выглядеть идеальная система отопления, вентиляции и кондиционирования. Несмотря на то, что проектировщикам очень часто приходится идти на те или иные компромиссы, необходимо отдавать себе отчет в недостатках системы и оказываемыми ими влиянии. Данная статья посвящена описанию идеальной системы отопления, вентиляции и кондиционирования как для жилых помещений с одной зоной, занимаемых одной семьей, так и для разбитой на несколько зон жилой и коммерческой недвижимости. Статья содержит основные принципы обеспечения энергоэффективности, надежности, безопасности и комфорта для зданий, находящихся в любых климатических зонах.

Цель

Фундаментальное требование для любого здания – обеспечение безопасности и комфорта. Следовательно, необходимо обеспечить вентиляцию помещений, создавая приятную атмосферу для находящихся внутри людей. Кроме того, на систему вентиляции ложится нагрузка по отводу выделяемых зданием в атмосферу вредных веществ. Необходимый приток свежего воздуха может меняться в диапазоне от долей кубических метров до нескольких кубических метров в минуту на человека в зависимости от поставленных задач. Однако сложность заключается не в том, чтобы обеспечить нужный объем притока воздуха, а в том, чтобы гарантировать необходимое количество свежего воздуха. В большинстве случаев с помощью высокой интенсивности вентиляции проектировщики пытаются компенсировать сложности с доставкой нужного объема свежего воздуха.

Комфортная температура воздуха внутри здания может варьироваться в диапазоне от 20 до 24°C при относительной влажности воздуха от 20 до 60%. Чем шире диапазон колебаний, тем большее количество людей будут испытывать дискомфорт. Это не означает, что при температуре воздуха на улице в 26°C большинство людей будут чувствовать себя некомфортно, это значит, что какая-то часть людей (скажем, 10%) не будут чувствовать себя хорошо.

Температура, определяющая комфорт нахождения внутри здания, это не температура воздуха, а так называемая «расчетная температура». Расчетная температура представляет собой сочетание температуры воздуха, средневзвешенное значение температур всех поверхностей внутри помещения (определяется как средняя радиационная температура) и скорости циркуляции воздуха. При низкой скорости воздуха расчетная температура будет представлять собой просто среднее значение температуры воздуха и средней радиационной температуры.

Для зданий с хорошей изоляцией (например, для зданий с идеальными стенами и качественной облицовкой) температуры поверхностей внутри здания не будут сильно расходиться с температурой воздуха, поэтому людям будет комфортно находиться в помещении, даже если температура будет находиться вблизи границ указанного выше комфортного диапазона. В стандартных современных зданиях в зимний период температура внутренних поверхностей стен и окон будет на несколько градусов ниже температуры воздуха внутри помещения, поэтому в этот период для достижения комфортной расчетной температуры нужно скорректировать температуру воздуха. В летние месяцы ситуация повторяется, но уже в обратном направлении1.

Функции системы

Вне зависимости от качества изоляции здания кондиционирование воздуха внутри помещений необходимо выполнять в любых климатических зонах. Список обязательных функций для любой системы кондиционирования воздуха выглядит следующим образом:

  1. Охлаждение воздуха
  2. Нагревание воздуха
  3. Увеличение влажности
  4. Снижение влажности
  5. Подача свежего воздуха
  6. Фильтрация и удаление вредных веществ

Если говорить с точки зрения практики, любая система, активная или пассивная, должна выполнять следующие задачи:

  1. Генерация или отвод тепла (холода)2
  2. Циркуляция холодного/горячего воздуха внутри здания
  3. Подача тепла или холода в помещение
  4. Увлажнение/осушение воздуха
  5. Перемещение свежего воздуха внутри здания
  6. Фильтрация воздуха для удаления пыли и выделяемых зданием вредных веществ,
  7. Вывод лишнего тепла/холода наружу.

Идеальная система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ)  оснащается отдельными компонентами, позволяющими выполнять каждую из этих задач. Это позволяет оптимизировать каждую подсистему в соответствии с выполняемой функцией, а также внедрить систему контроля, позволяющую управлять каждой функцией отдельно, избежав неизбежных при установке многофункциональных модулей компромиссов.

Наиболее сложными для управления являются как раз устройства, объединяющие сразу несколько функций. Несмотря на свою популярность, эти устройства обладают недостатками, в частности, они потребляют много энергии.

Если при проектировании системы основными целями являются надежность и обеспечение комфорта, выбор теплового насоса, использующего теплоту грунта, электрической охлаждающей установки, конденсационного котла или пассивной системы отопления с использование солнечной энергии будет иметь второстепенное значение при определении того, как будут реализованы функции системы ОВКВ. От использования энергоэффективного источника тепла (например, конденсационного бойлера) и холода (например, современные охладители имеют показатели эффективности при неполной нагрузке до 0,6) часто отказываются в пользу систем с переменным расходом воздуха, сочетающим функции вентиляции и контроля влажности. Системы переменного расхода воздуха, управляемые с помощью термостатов, часто нагревают ранее охлажденный воздух и не в состоянии обеспечить приток свежего воздуха в нужном объеме (либо склонны чрезмерно вентилировать помещение). Таким образом, использование менее эффективной установки нагрева/охлаждения в составе системы, выполняющего отдельную функцию, может  принести существенный эффект в виде снижения потребления энергии, а также поможет улучшить качество воздуха, повысить уровень комфорта и надежность.

Небольшие ОВКВ системы для жилых помещений

Стандартная однозональная система обычно включает устройство отопления и кондиционирования воздуха, которое дополняет вентиляционная установка. Данная система разделяет процесс нагрева и охлаждения, а также процесс отвода тепла, возлагая эти задачи на отдельные устройства3. Горячий и холодный воздух, смешиваются в вентиляционных трубах и подаются по всему зданию (хотя в этом случае более удачным, хотя и более дорогим вариантом было бы использование холодильной и жидкостной установки, применение которых в коммерческих целях описано ниже).  Также в состав системы входит воздушный фильтр, который удаляет пыль. Отдельный увлажнитель также может использоваться для увеличения влажности воздуха, хотя в современных условиях необходимость в этом возникает редко. Описанная система выглядит идеально за исключением необходимости вентиляции подвального помещения, которое часто испытывает недостаток в свежем воздухе, и эту проблему надо как-то решать. Также она не подразумевает возможности осушения воздуха при необходимости. Эта проблема также требует решения, особенно для территорий с влажным климатом.

 

Чтобы обеспечить достаточную вентиляцию идеальная система ОВКВ должна иметь отдельные трубы для подачи и вывода воздуха. Чтобы снизить количество энергии, потребляемой на обогрев или охлаждение подаваемого снаружи воздуха, может использовать рекуператор. Такая система может передавать тепло между входным и выходным потоками воздуха, а также проталкивать воздух в нужном направлении. В зонах с теплым и влажным климатом лучше всего использовать вентилятор, утилизирующий энергию, который будет охлаждать поступающий снаружи воздух с помощью холодного и сухого воздуха, выходящего из здания4.

Тепло или холод будут подаваться в помещение с помощью напольного и устанавливаемого над потолком радиаторов, так как такое решение обеспечивает максимальный комфорт при отсутствии движущихся элементов внутри помещения, минимальном количестве потерь энергии и слабом уровне шума. В домах с хорошей изоляцией преимущества радиаторного кондиционирования выражены меньше, так как нагрузки на систему ОВКВ очень малы, а значит, доставка тепла/холода с потоком воздуха становится практическим методом достижения эффективности «идеальной» системы ОВКВ, помогая добиться значительной экономии по сравнению с радиаторными системами.

На деле в небольших помещениях использование специальной вентиляционной установки и вентиляционных шахт не представляется возможным. Сочетание разных методов (распределение кондиционированного воздуха вместе с вентиляцией) требует более продуманных средств управления (см. ниже) и проектирования для устранения возможности расходования энергии впустую. Однако для однозональных систем, например, небольшого дома, в котором проживает одна семья, такие решения могут помочь получить достойный результат.

Отсутствие контроля влажности может стать серьезной проблемой для любого климата при влажной теплой погоде. Небольшое количество влаги может выводиться из воздуха при конденсации влаги на радиаторе охладительной установки, но для этого она должна проработать длительное время. Обычно процесс конденсации (и осушения воздуха) начинается через 10 – 15 минут после включения функции охлаждения воздуха. Таким образом, для получения идеальной системы ОВКВ необходимо использование отдельного устройства для осушения воздуха. На данный момент в продаже присутствует несколько решений от различных производителей.

При грамотном сочетании всех описанных выше решений можно получить практически идеальную модель системы ОВКВ для жилого дома, представленную на рисунке 1. Эта система экономична, проста в управлении и обслуживании, гарантирует приток свежего воздуха в нужном объеме и позволяет управлять влажностью воздуха. Если вы не стеснены в средствах, представленную ниже систему можно дополнить нижними и верхними радиаторами для обогрева крыши и пола, в результате чего на систему кондиционирования будет возложена только нагрузка по вентиляции, смешиванию, фильтрации воздуха и контролю влажности.

Небольшая однозональная система вентиляции, отопления и фильтрации воздуха

Рис. 1. Небольшая однозональная система вентиляции, отопления и фильтрации воздуха в жилом помещении, которая подразумевает совместное использование системы вентиляционных труб и разделение функций между различными устройствами.

Крупные многозональные системы ОВКВ

В коммерческой недвижимости (а также в больших жилых зданиях) распределение большого количества тепла по зданию требует использования крупных вентиляционных шахт. Кроме того, в подобных случаях часто встает необходимости в вентиляции крупных межэтажных зон. Крупные вентиляционные шахты, используемые для подачи воздуха от центральных систем ОВКВ, часто проходят через технические помещения и противопожарные перекрытия, что сопровождается дополнительными издержками и сложностями.  Очень многие системы ОВКВ в многоэтажных домах бездумно используют крупные вентиляционные шахты, которые проникают через все здание от подвала до крыши, что позволяет реализовать регулировку подачи воздуха за счет давления воздуха, идущего снизу вверх, при этом проектировщики ожидают, что свежий воздух попадет в коридоры между квартирами и найдет выход через отверстия ниже входных дверей. Именно поэтому идеальная система ОВКВ для коммерческой недвижимости использует жидкости (например, хладагент, воду или гликоль) для транспортировки энергии, а вентиляционные шахты могут использоваться только для перемещения воздуха по зданию при кондиционировании воздуха внутри каждого помещения (жилой квартиры, офиса и т.д.).

Отделив контроль температуры от  контроля вентиляции и влажности воздуха, можно получить очень надежную, простую в управлении и энергоэффективную систему.

Например, для коммерческой недвижимости центральная система может использоваться для получения тепла или холода, передаваемого с помощью жидкостей (воды или хладагента), благодаря использованию самых разных технологий. Охлаждение и обогрев помещений может осуществляться с помощью целого набора устройств, располагающихся непосредственно в кондиционируемом помещении. Например, с помощью радиаторной системы отопления и кондиционирования, встраиваемой в пол, стены и потолок. Такая система, конечно, требует раздельного и надежного контроля влажности воздуха в помещении при работе в режиме охлаждения. Данный тип «неавтономного местного кондиционера» обеспечивает минимальный уровень шума и максимальный уровень комфорта (контролируя среднюю радиационную температуру и температуру воздуха), а также низкий уровень энергопотребления.

Многозональная система вентиляции

Рис. 2. Многозональная система вентиляции, которая удаляет лишнюю влагу из подаваемого воздуха в соответствии с установленной влажностью воздуха в помещении, контролирует степень вентиляции для конкретного помещения и охлаждает/нагревает воздух в отдельных помещениях с помощью радиаторного или вентиляторного неавтономного местного кондиционера, управляемого с помощью термостата.

Существуют другие более экономичные решения, которые, тем не менее, в состоянии обеспечить схожую эффективность системы ОВКВ. Например, неплохими эксплуатационные качествами обладает система с вентиляторным доводчиком с низкой скоростью вращения, оснащенным устройством осушения воздуха, и блоком управления двигателем (ECM — engine control module), которая забирает воздух из помещения и смешивает его с кондиционированным воздухом, подавая эту смесь назад в помещение. Необходимо отметить, что эти системы не только дешевле, но и обладают большей скоростью срабатывания5. Среди других доступных вариантов заслуживают упоминания прямоточные приточные вентиляционные системы (DedicatedOutdoorAirSystems– DOAS).

Выделенные системы притока воздуха могут использоваться в многозональных или больших однозональных помещениях для обеспечения вентиляции при нейтральной температуре независимо от отопления и охлаждения.  Подобная система может включать разные модели вентиляторов, утилизирующих тепло или энергию. Для многозональных зданий рекомендуется использовать выделенную систему приточной вентиляции для каждого этажа отдельно, что позволит избежать проблем с вентиляционными трубами, проходящими через этажи. Системы подачи воздуха с регулируемой скоростью, которые поддерживают постоянное давление в вентиляционных приточных трубах, служат идеальным дополнением для описанных выше систем. Необходимо также отметить, что выделенные системы притока воздуха не испытывают проблем с качеством воздуха внутри помещения, связанных с рециркуляцией загрязненного воздуха из одного помещения в другое6.

В идеале для каждого помещения необходимо обеспечить отдельное устройство для осушения воздуха. С практической точки зрения большая часть нагрузки на устройство осушения воздуха сопряжена с необходимость отвода влаги из приточного воздуха, таким образом, регулировка уровня влажности приточного воздуха в данных системах может помочь удерживать уровень влажности в нужных пределах.

Управление

Естественно, ни одно из описанных выше устройств и систем не может работать без соответствующих органов управления. Количество производимого тепла или холода регулируется с помощью термостата, устанавливаемого в кондиционируемом помещении. Причем один или несколько термостатов могут использоваться совместно только для группы помещений с одинаковыми тепловыми нагрузками.

Несмотря на возможные возражения, я настаиваю на том, что контроль влажности можно осуществлять только с помощью датчика влажности, который устанавливается вместе с оборудованием для увлажнения/осушения воздуха. Эти датчики, называемые гигростатами, широко представлены в продаже и стоят недорого. Стандартные системы охлаждения воздуха реагируют только на сигналы, получаемые от термостата, следовательно, они могут контролировать только температуру, а не влажность. Исключений из этого правила не существует.

Контроль системы вентиляции осуществляется также с помощью специального датчика. В большинстве случаев вентилирование помещений осуществляется на основании установленных интервалов времени. Очевидно, что такой подход имеет ряд ограничений при использовании в коммерческой недвижимости и объясняет частые жалобы на качество воздуха: наиболее часто сложности возникают с вентиляцией заполняемых время от времени переговорных комнат, кроме того, очень часто на вентиляцию пустых помещений энергия расходуется впустую. У нас есть хорошие новости: существуют специальные датчики, которые измеряют содержание углекислого газа в воздухе (этот уровень позволяет оценить количество людей в помещении и их активность). Таким образом, датчик, определяющий уровень CO2, может использоваться для управления системой вентиляции и контроля управления притоком воздуха, определяя, сколько воздуха необходимо и когда необходимо (конечно, минимальная вентиляция необходима даже в те моменты, когда в помещении никого нет, для удаления выделяемых зданием вредных веществ). Эта технология называется «вентиляция по требованию».

Сочетание выделенной приточной вентиляции и вентиляции по требованию является единственным «идеальным» решением для крупной многозональной недвижимости и зданий, в которых располагаются крупные государственные организации, а также единственным экономичным средством обеспечения притока свежего воздуха. В случае использования вентиляции вытесняющим потоком, потолочной вентиляции или подпольной вентиляции, все эти решения оказывают небольшое влияние на потребление энергии, комфорт или  качество воздуха внутри здания. Выделенная приточная вентиляция и вентиляция по требованию, напротив, оказывает сильный положительный эффект. Для однозональных помещений вентиляция, осуществляемая через указанные интервалы времени, в сочетании с системой, обеспечивающей циркуляцию воздуха по всему зданию, она более чем достаточна и более экономична, хотя использование датчиков, определяющих необходимость вентиляции, позволит сэкономить некоторое количество энергии для домов с нулевым энергетическим балансом7.

Сложные интегрированные системы автоматизации здания часто считаются очень полезным и даже обязательным условием для обеспечения эффективности и производительности. На деле, все обстоит ровным счетом наоборот. Система, подразумевающая использование центрального контроллера для обеспечения согласованной работы различного оборудования  служит сигналом наличия проблем при проектировании системы ОВКВ.  Условия в помещении контролируются датчиками, установленными в помещении, которые взаимодействуют только с оборудованием, установленными в данном помещении.

Системы контроля, которые мониторят состояние, но не управляют оборудованием, а также центральный пульт управления, позволяющий задавать температуру воздуха для отдельных зон помещения в конкретные часы и дни недели, могут быть очень полезны.  Однако любая система, подразумевающая контроль удаленных насосов, охладителей и клапанов для обеспечения нужных условий влажности, температуры и качества воздуха, носит избыточный характер, сложна в реализации и требует сложного обслуживания; очень часто такие системы в долгосрочной перспективе испытывают проблемы с корректной калибровкой и обслуживанием.

Выводы

Идеальная система ОВКВ, описанная в данной статье, отличается надежностью, эффективностью и способна обеспечить комфортную и здоровую атмосферу. Многие описанные в статье идеи уже использовались в прошлом, но от них отказывались из-за отсутствия необходимости в экономичных решениях, недостаточной изоляции и т.п. Однако по мере повышения требований к качеству воздуха внутри помещений и эффективности систем ОВКВ сочетание разделения функций между различными устройствами и использование простых устройств контроля стало обязательной нормой при проектировании систем ОВКВ. При условии хорошей изоляции здания подобные системы оказываются дешевы, просты в эксплуатации и обслуживании и позволяют сэкономить значительное количество энергии.


Примечания

  1. Плохая изоляция, расчетная температура и зонирование объясняют причины, которые вызывают жалобы о том, почему здание охлаждается сильнее в летние месяцы, чем нагревается в зимние месяцы.
  2. Необходимо отметить, что холод – это условный термин, обозначающий отсутствие тепла, соответственно, охлаждение подразумевает отвод тепла.
  3. Некоторые определяют вентиляционный доводчик как «коробку с вентилятором внутри». Очень часто для отвода или подачи тепла используется теплообменник, а фильтр – для фильтрации проходящего через вентиляционный доводчик воздуха.
  4. Очень важно отметить, что вентилятор, утилизирующий энергию, ни при каких обстоятельствах не может использоваться для осушения воздуха. Он может снижать уровень влажности с помощью вентилирования помещения.
  5. Параллельные установки переменного расхода воздуха, которые прогоняют воздух из помещения и оснащаются сухим теплообменником, являются менее эффективным решением.
  6. Очень многим людям будет трудно в это поверить, однако большинство систем вентиляции в больницах подразумевают рециркуляцию воздуха между палатами и холлами, следовательно, патогенные микроорганизмы могут перемещаться по больнице через систему ОВКВ. Данные проблемы обычно нивелируются очень высокой скоростью воздухообмена, однако их можно полностью решить с помощью выделенной вентиляционной установки для отдельного помещения.
  7. Контроллер FanCycler™ разработан как дешевое средство для управления системой кондиционирования. Данный контроллер позволяет управлять настройками и регулировать цикл нагрузки для различного времени суток в зависимости от дней недели.

Похожие статьи

Список пуст