Мікроклімат

Кажуть, що людина не владний над погодою і кліматом. Насправді це не так: у будь-якому сучасному офісному приміщенні створюється повністю штучний мікроклімат.

Дмитро Мамонтов

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, та їх достовірність найчастіше залишає бажати кращого. І це тільки погода, що вже говорити про кліматі! Між тим стверджувати, що погода і клімат поза межами нашого контролю, не зовсім вірно. Люди навчилися підкоряти собі клімат, просто в більш дрібному (порівняно 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 механіки» розповів інженер відділу систем кондиціонування компанії Panasonic Іван М’ясників.

Повітря

Будь-яка будівля — 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 оновлення 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: у цьому випадку саме перетин вентиляційних труб буде самим вузьким місцем системи, і досягти більшої продуктивності не вдасться.)

Кровоносна система будівлі Будь будівля схоже на кістяк живої істоти. Яким би міцним і високотехнологічним воно не було, воно не буде «жити» без «кровоносних судин» — комунікацій, разносящих 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 та міцнісні характеристики.

В офісних, промислових і громадських будівлях природна вентиляція вже не буде справлятися з відновленням 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 великі вентилятори, один з яких відкачує «використаний» повітря на вулицю (або в нежитлові приміщення — коридори, технічні приміщення), а другий подає свіже повітря зовні. «Насправді повітря треба попередньо підготувати, — пояснює Іван М’ясників. — Як правило, зовні і всередині температура повітря відрізняються. Скажімо, холодною зимою різниця може складати 20-40°C, і подається повітря треба попередньо нагріти (якщо цього не зробити, люди будуть замерзати, а вентиляційні канали обмерзнут, 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 нагрітого повітря, що викидається з будівлі, свіжому (взимку) або навпаки (влітку)».

Тепло

Теплообмінники систем вентиляції дозволяють «врятувати» лише частину 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-якого будинку 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 негнучке: в різних приміщеннях різні люди воліють різну температуру, а при такій схемі це реалізувати неможливо. Найпростіший спосіб — установка в кожному приміщенні спліт-систем кондиціонування, але це, за словами Івана М’ясникова, вкрай неефективно з точки зору витрат енергії і не завжди технічно можливо. Набагато краще — кліматична система з центральним блоком і внутрішніми блоками в кожному приміщенні. В ідеалі внутрішні блоки потрібно встановлювати на вихід вентиляційного каналу, але це не завжди можливо з конструктивних причин.

Поточна вода

Для скидання тепла в навколишнє середовище часто використовуються комбінації різних методів. Скажімо, один з найефективніших способів — це розпилення води та її охолодження за рахунок часткового випаровування. Так, наприклад, працюють градирні, охолоджують воду для теплових і атомних електростанцій. В офісних та громадських будинках для таких цілей використовуються фонтани і водоспади. Вони не лише 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, що використовує воду (або антифриз — водний розчин етиленгліколю). Вода нагрівається у внутрішніх блоках (фанкойли), через які вентилятори продувають повітря з приміщення, і забирає тепло у зовнішні блоки (чиллери), де з допомогою великих вентиляторів передає тепло навколишньому повітрю. З-за великої 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, у центрах обробки даних, де комп’ютерне обладнання виділяє десятки мегават тепла.

Як працює трехтрубная 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).

Гарячий 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 ніде: підведеної 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 приводиться не електродвигуном, а газовим двигуном внутрішнього згорання. Системи ECO G вимагають дуже невеликий електричної потужності для запуску і живлення контролера 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 та громадських будівель найчастіше застосовуються системи на основі фреонів — холодоагентів з фазовим переходом. Це як раз ті самі центральні кондиціонери з одним зовнішнім блоком (або кількома, об’єднаними в один гідравлічний контур) і внутрішніми блоками в кожному приміщенні. Хоча фреонові системи і займають більше місця, ніж водяні, вони потребують малої кількості хладагента (десятки, максимум сотні кілограм), а при пошкодженні системи фреон просто випаровується, не завдаючи серйозних пошкоджень майна. 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 холодоагенту — VRF (Variable Rate Flow). Це означає, що кожен внутрішній блок має електронний клапан і повідомляє системі управління центрального зовнішнього блоку, яка кількості тепла йому потрібно підвести або відвести. На відміну від водяних систем, продуктивність зовнішнього блоку можна легко плавно регулювати з 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 трьохтрубні 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 у своєму власному режимі (нагрівання або охолодження), при цьому зовнішній блок регулює співвідношення фаз (тиск і температуру) у третій трубі в залежності від кількості внутрішніх блоків, які працюють у тому чи іншому режимі. У цьому випадку вдається «вбити двох зайців» — добитися мінімального енергоспоживання і ідеального клімату.

Стаття «Чотири стихії клімату» в журналі «Популярна механіка»
(№12, Грудень 2015).