Вертикально интегрированные системы

Рис.1: Традиционное горизонтальное районное теплоснабжение

Под районным энергоснабжением обычно понимается сочетание горизонтальной системы муниципальных трубопроводов отопления/охлаждения и системы трубопроводов в здании, которые соединяют производителя и потребителя энергии (Рис. 1). При другом подходе, при обслуживании отдельно стоящего многоэтажного здания вся эта схема поворачивается на 900 (Рис. 2). Здесь узлы, производящие энергию, и узлы, потребляющие ее, связаны одной вертикальной и централизованной распределительной сетью. Каждый этаж обслуживается своей подстанцией (Рис. 3). Появляется возможность повысить комфортность и понизить потребность в энергии — ее потребление от этажа к этажу (а не от здания к зданию) умеренное (при работе на холод) или низкое (при работе на тепло) — когда используется система кондиционирования, основанная на лучистом теплообмене (возможно, в сочетании с системами забора и обработки наружного воздуха). Это особенно справедливо, если решение предусматривает использование массы полов здания в качестве конденсатора энергии.

В вертикально интегрированной системе тепловое и холодильное оборудование рассчитано на работу с конденсаторными системами, с технологиями рекуперации или со стандартными котлами и чиллерами.

В системах с применением водяного охлаждения/обогрева бетонной массы может использоваться вода относительно высокой температуры при охлаждении и относительно низкой — при обогреве. Это облегчает возможность использования источников возобновляемой энергии, таких как подземные теплообменники, солнечные батареи для обогрева и охлаждения, охлаждение ночным воздухом. Такой подход также повышает эффективность котлов, холодильных машин и тепловых насосов. Более того, эти системы могут использовать электроэнергию по более дешевому ночному тарифу.

Рис.2: Вертикально интегрированная районная система энергоснабжения

Рис. 3: Непрямое подключение для отопления и горячего водоснабжения

Центральные станции обычно имеют эффективные установки для нормальной нагрузки и менее дорогостоящее пиковое оборудование для работы при экстремальных нагрузках или в чрезвычайных обстоятельствах.

Рис. 4

Рис. 4. Традиционный принцип проектирования. Упрощенная схема потоков и температурные профили для высокотемпературного базового радиатора или фэнкойла

Независимо от выбора центральной станции потенциальный рабочий перепад температур между зоной производства энергии и зоной ее потребления может значительно сократить поток энергопередачи. В режиме обогрева температура поверхости пола может быть не выше 290С, а в режиме охлаждения — не ниже 190С (стандарт ANSI/ASHRAE 55–2004, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy). Поэтому для удовлетворительной теплопередачи достаточно, если обогреватель дает температуру 820С, а чиллер — 60С.

Пример (Рис. 4): при заданной непосредственно подсоединенной тепловой нагрузке в 1,5 MBtu/h (440 кВт), если использовались традиционные плинтусные установки или фэнкойлы, при температуре жидкости на входе 820С и активной разнице температур  T 110С требуется расход:

Qw= qw /(60 min/h • pwCp T),

где: Qw = расход, gpm (л/с)

qw = перенос тепла, Btu/h (кВт/ч)

pw = плотность жидкости, lb/gal (кг/м3), (например: I–P установки 8,2 при 660C; 8,1 при 820C)

Cp = удельная теплоемкость, Btu/lb·0F (кДж/кг·K)

Qw= 1,5 MBtu/h / (60 min/h • 8,1 lb/gal • 1 Btu/lb·0F • 200F)

Qw = 155 gpm (9,46 л/с)

При потерях на трение от 0,31 м до 1,22 м на 31 м длины трубы и скорости потока от 0,61 м/с до 1,5 м/с основная распределительная труба должна иметь диаметр 100 мм.

Рис. 5

Рис. 5: Принцип районного теплоснабжения. Упрощенная схема потоков и температурный профиль для непрямо подсоединенных подстанций, обслуживающих низкотемпературные системы обогрева с помощью лучистого теплообмена пола

Однако в установках, работающих при максимально высоких температурах с целью компенсаций колебаний погодных условий (820С), подключенных не непосредственно к системе лучистого теплообмена, которая работает от вторичной цепи с температурой 380С, требуется активная температура в вертикальной распределительной сети, обслуживающей подстанции, в 440С (Рисунок 5). При подстановке этого значения в формулу получим величину первичного вертикального распределительного расхода:

Qw = 1,5 MBtu/h / (60 min/h • 8,2 lb/gal • 1 Btu/lb·0F • 800F)

Qw = 38 gpm (2,39 л/с) = 75% сокращение распределительного расхода

Используя значения скорости и потерь на трение, мы получим величину диаметра трубы, которая уменьшится со 100 мм до 50 мм, что дает существенную экономию на капитальных затратах и уменьшении эксплуатационных потерь при передаче энергии. С учетом требуемой мощности насоса, вполне допустимым будет диаметр трубы в 64 мм, при котором потери напора уменьшатся с 0,75 м на 31 м до 0,26 м, а скорость потока остается в приемлемых пределах.

Единственная центральная распределительная линия минимизирует количество вертикальных подающих труб, противопожарных перегородок, кронштейнов, поддержек, изоляционных материалов. Сокращается объем работ, что в целом ведет к дополнительной экономии материалов по сравнению с традиционными решениями.

Любое упрощение монтажных работ означает соответствующее уменьшение количества потенциальных точек неисправностей. В схеме с непрямым подключением подстанций жидкость под повышенным давлением в теплообменниках находится на стороне производителя, что ведет к существенному уменьшению объемов. Уменьшение же объемов — это меньшие расширительные баки и экономия на химикатах, присадках теплоносителя.

Если на стороне энергопроизводства требуется использование гликоля для кондиционирования воздуха или для установок предварительного подогрева/охлаждения, то меньшие объемы означают меньшие капитальные и эксплуатационные расходы, связанные с антифризом.

Поскольку давление в теплообменниках на стороне потребителя всегда понижено, клапаны, циркуляционные насосы, расширительные баки и прочее могут быть самыми обычными компонентами, используемыми в системах для малоэтажной застройки. Низкие требования по рабочему давлению и постоянство распределения нагрузок позволяют стандартизировать оборудование независимо от этажа, что упрощает проблему запасов оборудования на замену и запчастей к нему.

Что касается циркуляционных насосов на стороне потребителя, то оказалось, что использование насосов, рассчитываемых на потерю давления в каждом конкретном месте, может повлечь за собой уменьшение суммарной мощности насосов охлажденной воды на 20–25% в больших системах. Это означает дополнительный положительный экономический эффект в плане капиталовложений и последующих расходов на техническое обслуживание.

В вертикально интегрированных системах все оборудование, которое подлежит техническому обслуживанию, находится вне используемых помещений. Поэтому техобслуживание этого оборудования мало сказывается на обитателях здания. Кроме того, в системах с непрямым подключением, различные механические неполадки на стороне потребителя энергии ограничиваются определенными зонами, не сказываясь на всей системе или на других этажах.

Эти системы позволяют производить тонкую настройку температурного режима у потребителей с управлением на каждой подстанции, реагирующим на погодные колебания. Могут быть установлены счетчики использования энергии на каждом этаже в отдельности.

Непрямые системы исключают многие трудности, связанные с балансировкой и вводом системы в эксплуатацию, поскольку гидравлика на стороне производителя изолирована от мультизон на стороне потребителя. Когда установка оборудована трубопроводами по первичной/вторичной конфигурации, может быть использован постоянный поток с трехходовыми отводными клапанами на подстанциях, что делает балансировку единственной вертикальной магистрали достаточно простым делом.

Со всем энергопотребляющим оборудованием, монтируемым в пределах подстанции, мультизональное балансирование производится из одного места, что опять–таки упрощает всю процедуру балансирования и ввода системы в строй.

Наконец, обслуживание строительства здания в холодное время года с помощью такого типа систем позволяет создавать требуемые условия поэтажно, вместо установки временных нагревателей, которые связаны с постоянной угрозой для здоровья и безопасности.

Как сохранить тепловую энергию жидкости в массе самого здания 

Существует естественное сохранение энергии в пределах здания, которое может быть использовано для изменения распределения нагрузок холодильного оборудования во времени и существенного снижения затрат на охлаждение здания.

Базовая концепция использования массы здания в качестве накопителя тепловой энергии не нова. Использование динамической оптимизации в применении к моделированию для определения оптимальной стратегии управления зданием позволило сократить затраты на электроэнергию до 50%. При этом максимальная экономия достигается в период действия дневного тарифа на электроэнергию. Бало также установлено, что изменения потребностей в энергии могут быть уменьшены на 30%, с максимальной экономией в зданиях, пустующих в течение всего дня.

Была предложена комбинация предварительного охлаждения с использованием технических средств и "свободного" предохлаждения с использованием теплового потенциала массы здания. Считается, что предварительное охлаждение здания на пять градусов ниже комфортной температуры существенно снижает как потребности в энергии, так и затраты на ее оплату".

Было выяснено, что, продувая здание в ночное время и охлаждая, его массу можно уменьшить размеры системы охлаждения без ущерба для комфорта в помещениях (этим можно пользоваться только в том случае, если точка росы в ночное время ниже или равна желаемому уровню влажности в помещении).

Новая тенденция, зародившаяся в начале девяностых годов в Швейцарии — использовать теплоемкость бетонных блоков между этажами многоэтажных зданий. Трубы с водой для обогрева и охлаждения прокладываются в середине этих блоков.

Накопление тепловой энергии не является новым для районного энергоснабжения. Накопление как горячей, так и охлажденной воды может быть реализовано в районном энергоснабжении… В зависимости от конструкции станции и нагрузок, накопление тепловой энергии может уменьшить требования к холодильному оборудованию и снизить эксплуатационные расходы. С помощью снятия части нагрузки с чиллеров их можно рассчитывать на нагрузку ближе к средней, нежели пиковой. При смещении всей нагрузки по хладоснабжению с пиковых периодов потребуется та же самая (или несколько большая) мощность чиллеров, но электрическая нагрузка смещается с пиковых периодов. Поскольку многие энергетические компании предлагают более низкие тарифы за пределами часов пик, можно существенно сократить эксплуатационые расходы при использовании электрических чиллеров.

Все вышеизложенное дает базу для определения преимуществ использования массы здания как среды для накопления энергии и для обогрева, и для охлаждения, и принцип проектирования основывается на следующем выводе: поскольку теплопередача между нагретой или охлажденной поверхностью и пространством и людьми в этом пространстве происходит, прежде всего, в форме лучистого теплообмена, важно использовать рабочую температуру для создания комфортных условий и для расчета нагрузок. При использовании системы с бетонными блоками, где учитываются динамические эффекты и теплоемкость этих блоков, рабочие температуры в дневное время должны колебаться в пределах комфортной зоны. Исследования показали, что, если изменения температуры меньше чем 50С в час, диапазон температур, основанный на условиях устойчивого состояния остается справедливым.

Таким образом, становится очевидным, что в хорошо сконструированном здании с низкими тепловыми и низкими холодовыми нагрузками система с бетонными блоками может контролироваться при постоянной температуре протекающей воды в течение всего года. Если, например, температура воды 220С, система будет обогревать помещение при температуре в нем ниже 220С и охлаждать его при температуре выше 220С.

Предел потока обогревающей и охлаждающей жидкости определяется характеристиками механической и термической инерционности потолочных систем, которые должны оставаться стабильными, чтобы избегать неконтролируемого нагрева или охлаждения при номинальном значении 30 Вт/м2, основанном на идеальных температурах жидкости между 180С и 250С. Необходимо также понимать разницу между регулирующей способностью потока жидкости и потоком лучистого теплообмена пола, который колеблется от 100 Вт/м2 в режиме обогрева и до 38 Вт/м2 в режиме охлаждения.

Специалисты отмечают, что особый случай охлаждения с помощью пола — это когда на него падает прямой солнечный свет. В этом случае охлаждающая способность пола может превысить 100 Вт/м2. По этой же причине охлаждение с помощью пола все чаще используется в помещениях с большой площадью остекления, таких как аэропорты, вестибюли и холлы.

Перечислим преимущества охлаждения (это относится и к обогреву) с помощью активной массы, излагаемых в исследовательском проекте ASHRAE 985–RP:

– "… предварительное охлаждение массы помогает уменьшить пики энергопотребностей и снизить потребление энергии в часы пик, поскольку охлажденная масса с готовностью абсорбирует тепло из зоны обслуживания";

– "Эксплуатация холодильного оборудования в ночное время может означать его более высокую производительность. Эффективность холодильного оборудования напрямую зависит от рабочей температуры конденсатора, и таким образом, работа оборудования ночью, при более низких температурах, означает более высокую производительность холодильного оборудования";

– "Повышение эффективности оборудования может достигаться также его эксплуатацией под частичной нагрузкой. Смещение нагрузки позволяет оборудованию работать с меньшей нагрузкой в дневное время, что повышает суммарную эффективность оборудования при правильном распределении нагрузок";

– "Существенное охлаждение с помощью трубопроводов, проложенных в теле здания, может быть дополнено ночным вентилированием для охлаждения …, когда оборудование используется для подачи внутрь здания холодного ночного воздуха (при достаточно низкой точке росы) для уменьшения нагрузок на охлаждение в течение последующего дня. В случаях, когда температура наружного воздуха падает ниже установленной температуры охлаждения в дневное время, этот способ может служить для существенного охлаждения рабочей зоны и сокращения потребности в охлаждении с помощью оборудования".

Кондиционирование массы здания достигается наилучшим образом с помощью прямой передачи от труб для обогрева и охлаждения, заложенных в массе бетона, и, по своей природе, это создает побочный продукт — комфортный лучистый теплообмен внутри помещения.

Известно, что человеческое тело передает от 40 до 50% энергии в форме лучистого теплообмена. Уровень комфорта в значительной степени зависит от температуры поверхностей пола и потолка, от температурной стратификации, асимметрии лучистого теплообмена и скорости движения воздуха (сквозняка). Было бы нелогично игнорировать указываемые наукой преимущества обогрева и охлаждения с помощью лучистого теплообмена — и не только с точки зрения физиологии, но и в силу контролируемости процесса.

Относительно небольшая разница температур между нагреваемой или охлаждаемой поверхностью и пространством типичны для систем обогрева и охлаждения с помощью таких поверхностей. Это ведет к возрастанию роли контроля, поскольку незначительное изменение в этой разнице температур оказывает существенное влияние на теплообмен между охлаждаемой или нагреваемой поверхностью и окружением.

Эта особенно важно для регионов, где наблюдаются экстремальные колебания температуры и влажности, поскольку практично использовать лучистый теплообмен для аккумулирования явной теплоты (кондиционирования массы здания) и для систем вентиляции при пиковых температурах и скрытого контроля влажности.

Важными факторами эффективности при обогреве и охлаждении с помощью воды, подаваемой по трубам внутри массива бетона, является коэффициент теплообмена между поверхностью бетона и пространством, приемлемые минимальная и максимальная температура поверхности бетона по соображениям комфорта и с учетом точки росы в обслуживаемом объеме, а также теплопередача между трубопроводом и поверхностью.

Важно проводить различие между возможностями, предоставляемыми системой кондиционирования массы здания и системой лучистого теплообмена.

Рассмотрим условия конструирования для удовлетворения пиковых нагрузок при обогреве, скрытых нагрузок при охлаждении и требований вентиляции. Все три проблемы могут быть решены с помощью выделенной системы наружного воздуха (DOAS).

Во–первых, DOAS сокращает потребление энергии на вентиляцию путем сокращения общего потока воздуха, необходимого для обеспечения нормальной жизнедеятельности в здании. Это достигается благодаря присущей системе DOAS точности в подаче требуемых объемов воздуха в здание в целом и в его индивидуальные зоны.

Во–вторых, сокращение общего вентиляционного потока снижает расход энергии на кондиционирование подаваемого воздуха в режиме обогрева и охлаждения. DOAS сокращает общее потребление энергии на обогрев примерно на 10%.

В–третьих, вентиляционный воздух обрабатывается без учета внутренних тепловых нагрузок, но регулирование его влажности учитывает полную влажностную нагрузку в здании. Это делает возможным использовать охлаждающую воду с более высокой температурой (130С) для отвода явной тепловой нагрузки вместо обычной температуры 4–70С, что увеличивает эффективность работы компрессора системы кондиционирования.

В–четвертых, благодаря разделению контроля температуры и влажности, создается идеальная возможность для переменного расхода воздуха, где величина объема кондиционированного воздуха варьируется в зависимости от чистой нагрузки в режиме охлаждения или обогрева. Такое решение позволяет существенно экономить электроэнергию когда не требуется полная мощность обогрева или охлаждения (или когда используется активная масса центра здания). В равной степени это относится как к системам, работающим на охлажденной воде, так и к DX–системам.

Эффективно справляясь с проблемой влажности в помещении, DOAS также допускает использование энергоэффективных потолочных систем охлаждения за счет лучистого теплообмена для отвода явной тепловой нагрузки охлаждения, когда для переноса тепла используется вода, а не воздух. Архитектура DOAS легко позволяет организовать теплообмен между обработанным и удаляемым воздухом с целью рекуперации тепла, тем самым уменьшая пиковые и сезонные нагрузки в режиме обогрева и охлаждения, требуемые для получения кондиционированного воздуха.

Такой подход позволяет каждому компоненту HVAC оборудования выполнять работу, для которой он наилучшим образом приспособлен.

Интегрированный подход, сочетающий панельное охлаждение и DOAS обеспечивает превосходное качество воздуха в помещении и температурный комфорт. Это само по себе должно быть достаточным побудительным мотивом, чтобы индустрия климата использовала эту концепцию. По оценке "Национальной лаборатории Лоренца Беркли", в соответствии с которой американские компании могли бы сэкономить до 58 миллиардов долларов в год, "вылечив" здания от их "болячек", и могли бы получать ежегодный дополнительный доход до 200 миллиардов долларов США за счет повышения производительности труда.

Два доминирующих фактора, влияющих на современный подход к разработке систем кондиционирования зданий — это стоимость энергии и комфортные условия для человека. Первый усугубляется экономическими условиями, второй — физическим состоянием стареющего населения. Обзор исследований и документации ASHRAE говорит о том, что интеграция четырех распространенных и проверенных систем, описанных здесь, это потенциальная концепция, способная легко и просто учесть оба этих фактора, обеспечивая при этом естественное продвижение к экологически чистому жизненному пространству.

Статья подготовлена по материалам журнала ASHRAE



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест