Кажуть, що людина не має влади над погодою і кліматом. Насправді це не так: в будь-якому сучасному офісній будівлі створюється повністю штучний мікроклімат.
Клімат і погода на нашій планеті залежать від дуже багатьох чинників. Вони надзвичайно складні для моделювання - недарма для розрахунку прогнозу погоди використовуються самі високопродуктивні суперкомп'ютери, і то їх достовірність часто залишає бажати кращого. І це тільки погода, що вже говорити про клімат! Тим часом стверджувати, що погода і клімат поза нашим контролем, не зовсім вірно. Люди навчилися підкоряти собі клімат, просто в більш дрібному (в порівнянні з планетарним) масштабі. Якщо на Землі клімат створюється атмосферою з її вітрами, океанами з їх течіями, горами і рівнинами континентів, то в будівлях для цього доводиться конструювати спеціальні системи. Про них «Популярною механіці» розповів інженер відділу систем кондиціонування компанії Panasonic Іван Мясников.
повітря
Будь-який будинок - це закритий об'єм повітря. Оскільки він використовується для дихання, необхідний постійний приплив свіжого повітря і відведення вже використаного, тобто приточно-витяжна вентиляція. У житлових будинках використовується природна вентиляція, оскільки звичайної тяги під дією перепаду тисків на різних висотах цілком вистачає для поновлення атмосфери в будинку. (До речі, оскільки пропускна здатність вентиляції в більшості житлових багатоквартирних будинків, крім хіба що самих нових, розрахована саме на природну тягу, ставити в звичайні квартири примусову витяжку не має особливого сенсу: в цьому випадку саме перетин вентиляційних труб буде найвужчим місцем системи, і досягти більшої продуктивності не вдасться.)
Кровоносна система будівлі Будь-який будинок схоже на скелет живої істоти. Яким би міцним і високотехнологічним воно не було, воно не буде «жити» без «кровоносних судин» - комунікацій, які розносять по всіх приміщеннях електроенергію, повітря, тепло, гарячу і холодну воду. Тому правильне проектування кліматичної системи при будівництві будівлі не менш важливо, ніж його поверхові, розмірні і характеристики.
В офісних, промислових і громадських будівлях природна вентиляція вже не буде справлятися з оновленням атмосфери. Згідно російським санітарним нормам, система припливно-витяжної вентиляції повинна забезпечувати приплив свіжого повітря в 40-60 м3 на людину в годину (в Європі нормою вважаються трохи менші обсяги). Оскільки вікна в сучасних офісних будівлях, як правило, не відкриваються, використовується централізована система: це велика вентиляційна машина на даху, від якої по всіх приміщеннях розходиться система труб великого перерізу (вентиляційних каналів). У найпростішому випадку це два великих вентилятора, один з яких відкачує «використаний» повітря на вулицю (або в нежитлові приміщення - коридори, технічні приміщення), а другий подає свіже повітря зовні. «Насправді повітря потрібно попередньо підготувати, - пояснює Іван Мясников. - Як правило, зовні і всередині температура повітря відрізняються. Скажімо, холодною зимою різниця може становити 20-40 ° C, і повітря, що подається потрібно попередньо нагріти (якщо цього не зробити, люди будуть замерзати, а вентиляційні канали обмерзнути, на них утворюється конденсат). І зробити це бажано з мінімальними витратами енергії, інакше обігрів будівлі стане «золотим». Для цього в системі вентиляції використовуються теплообмінники, які передають частину тепла від уже нагрітого повітря, що викидається з будівлі, свіжому (взимку) або навпаки (влітку) ».
тепло
Теплообмінники систем вентиляції дозволяють «врятувати» лише частина тепла (до 75%), і хоча це значно скорочує витрати на наступний обігрів або охолодження, цього недостатньо, щоб довести повітря до комфортної температури. Тому для будь-якої будівлі все одно потрібна система опалення та охолодження. Джерела тепла можуть бути різні - від дешевого побічного тепла до дорогої електроенергії, але останнім часом все частіше використовуються системи на основі теплових насосів, енергоефективність яких досить висока.
На відміну від підготовки повітря, яка здійснюється централізовано (в теплообміннику вентиляційної системи), опалення або охолодження потрібно «доставити на місце». Можна, звичайно, поєднати опалення або охолодження з централізованою підготовкою повітря, але таке рішення вкрай негнучко: в різних приміщеннях різні люди вважають за краще різну температуру, а при такій схемі це реалізувати неможливо. Найпростіший спосіб - установка в кожному приміщенні спліт-систем кондиціонування, але це, за словами Івана Мясникова, вкрай неефективно з точки зору витрат енергії і не завжди можливо технічно. Набагато краще - кліматична система з центральним блоком і внутрішніми блоками в кожному приміщенні. В ідеалі внутрішні блоки треба встановлювати на вихід вентиляційного каналу, але це не завжди можливо за конструктивними причин.
Поточна вода
Для скидання тепла в навколишнє середовище часто використовуються комбінації різних методів. Скажімо, один з найефективніших способів - це розпорошення води і її охолодження за рахунок часткового випаровування. Так, наприклад, працюють градирні, охолоджувальні воду для теплових і атомних електростанцій. В офісних і громадських будівлях для подібних цілей використовуються фонтани і водоспади. Вони не тільки ефективно розсіюють тепло в навколишнє середовище, але і радують погляд відвідувачів. Правда, розплачуватися за це доводиться підвищеною витратою води зовнішнього контуру.
вода
Транспортувати тепло з приміщення назовні можна різними методами. Історично першим з'явився метод, який використовує воду (або антифриз - водний розчин етиленгліколю). Вода нагрівається у внутрішніх блоках (фанкойлах), через які вентилятори продувають повітря з приміщення, і забирає тепло в зовнішні блоки (чиллери), де за допомогою великих вентиляторів передає тепло навколишньому повітрю. Через великий теплоємності води такий метод дозволяє транспортувати величезні кількості тепла і в деяких випадках не має альтернатив. Наприклад, такі системи активно використовуються там, звідки необхідно відводити великі теплові потоки, - наприклад, в центрах обробки даних, де комп'ютерне обладнання виділяє десятки мегават тепла.
Як працює трехтрубного VRF-система кондиціонування
Однак для офісних і інших громадських будівель водяна система охолодження підходить не настільки добре. Для води потрібні труби досить великого перерізу і накопичувальні баки, а в разі пошкодження системи тонни води виливаються в приміщення, завдаючи серйозної шкоди майну. До того ж при використанні води є ризик замерзання її в трубах зовнішнього контуру під час заморозків. А розчин етиленгліколю не можна використовувати в житлових приміщеннях з міркувань безпеки, тому доводиться конструювати ще більш складні двоконтурні системи. Крім того, у водяних систем дуже велика теплова інерція, і швидко змінити температуру в приміщенні з їх допомогою не вийде, оскільки для охолодження або нагрівання великої маси циркулюючої води навіть на один-два градуси потрібно досить тривалий час. Регулювати продуктивність водяних систем важко, для цього використовуються складні механічні системи (муфти).
Палаючий газ Кондиціонери та теплові насоси - відмінне і дуже енергоефективне рішення для створення мікроклімату в різних будівлях. Тепловий насос перекачує в чотири-п'ять разів більше енергії, ніж споживає, але іноді і ці 25% взяти просто нізвідки: електричної потужності не вистачає. Для опалення можна, звичайно, використовувати газ. Але що робити, якщо потрібно охолодження? Для таких випадків компанія Panasonic розробила спеціальну серію VRF-систем - Panasonic ECO G. Це кондиціонери (з можливістю роботи в режимі теплового насоса для обігріву), в яких компресор призводить не електродвигуном, а газовим двигуном внутрішнього згоряння. Системи ECO G вимагають дуже невеликий електричної потужності для запуску і живлення контроллера системи управління і до того ж можуть бути оснащені генератором, який після запуску повністю забезпечує всю необхідну потужність. Для ще більшої ефективності влітку можна пропускати через систему охолодження воду, покриваючи потреба в гарячій воді (до 4 м³ на годину), а взимку - підводити тепло від двигуна до теплового насосу для обігріву приміщення. Така система дозволяє при сучасних цінах на газ і електроенергію знизити вартість експлуатації в чотири-сім разів.
фреон
Тому для сучасних офісних і громадських будівель найчастіше застосовуються системи на основі фреонів - хладагентов з фазовим переходом. Це як раз ті самі центральні кондиціонери з одним зовнішнім блоком (або декількома, об'єднаними в один гідравлічний контур) і внутрішніми блоками в кожному приміщенні. Хоча фреонові системи і займають більше місця, ніж водяні, вони вимагають малої кількості холодоагенту (десятки, максимум сотні кілограм), а при пошкодженні системи фреон просто випаровується, не завдаючи серйозних ушкоджень майну. Правда, в деяких випадках застосування фреону обмежується: при витоку в замкнутих приміщеннях він витісняє повітря. Тому доводиться конструювати системи безпеки - скажімо, при виявленні падіння тиску в контурі весь фреон відкачують в спеціальну ємність.
Сучасні кондиціонери відносяться до систем зі змінною витратою хладагента - VRF (Variable Rate Flow). Це означає, що кожен внутрішній блок має електронний клапан і повідомляє системі управління центрального зовнішнього блоку, яке кількості тепла йому потрібно підвести або відвести. На відміну від водяних систем, продуктивність зовнішнього блоку можна легко безступінчатий регулювати за допомогою інверторного управління швидкістю роботи компресорів. Це дозволяє досягти дуже високої енергоефективності.
VRF-системи можуть працювати як на охолодження, так і на нагрів - в режимі теплового насоса. Зовнішній блок при цьому працює в одному з двох режимів - в залежності від «результатів голосування» внутрішніх блоків. Але що робити, якщо, як це часто трапляється, «бухгалтерія мерзне, а логістика потіє»? Для цього були розроблені спеціальні трехтрубного системи, в яких крім звичайних двох труб - газової та рідинної - є ще третя (так звана парожидкостная). На вході в кожен внутрішній блок встановлена система клапанів, яка з трьох існуючих труб становить комбінацію двох потрібних в даному приміщенні. Така система дозволяє всім внутрішнім блокам працювати в своєму власному режимі (нагрів або охолодження), при цьому зовнішній блок регулює співвідношення фаз (тиск і температуру) в третій трубі в залежності від кількості внутрішніх блоків, що працюють в тому чи іншому режимі. У цьому випадку вдається «вбити двох зайців» - домогтися мінімального енергоспоживання і ідеального клімату.
Стаття «Чотири стихії клімату» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №12, Листопад 2015 ).
Але що робити, якщо потрібно охолодження?Але що робити, якщо, як це часто трапляється, «бухгалтерія мерзне, а логістика потіє»?
