Вестник УКЦ АПИК: Комплексное использование систем распределения воздуха в подпольных каналах (UFAD) в сочетании с охлаждающими балками


Схема комбинации UFAD-системы с охлаждающей балкой
Рис. 1. Схема комбинации
UFAD-системы с охлаждающей балкой
Оптимальным решением для кондиционирования и вентиляции нового call-центра в Кентукки команда разработчиков сочла систему распределения воздуха в подпольных каналах (UFAD) в сочетании с пассивным охлаждением. После рассмотрения нескольких вариантов, было решено остановиться на комбинации UFAD-системы с пассивной охлаждающей балкой. Это позволило решить задачу создания микроклимата в здании инновационным способом, сократив потребление электричества на 41 %, а расход природного газа — на 24 %.

Возводимый call-центр представлял собой здание площадью 34 932 м 2, рассчитанное на 2200 человек. Параметры постройки должны были соответствовать требованиям LEED (Leadership in Energy and Environment Design — система сертификации строений с точки зрения экологии и энергоэффективности) и обеспечивать максимальную гибкость при организации рабочего пространства. Предусматривалось нали-чие во всех помещениях съемных полов и размещение системы воздухораспределения в подпольных кана-лах.

Все необходимые данные о здании, тепловой нагрузке, рассчитанной проектировщиками, режиме его функционирования были загружены в стандартную компьютерную программу для моделирования. В 2006 году, когда проводились расчеты, еще не существовало компьютерных моделей для расчета нагрузки UFAD-систем, тем более установленных в связке с охлаждающими балками. Команда проектировщиков рассчитала теплопоступления в зоне обитания, опираясь на здравый смысл и инженерное мышление. Учи-тывалось тепловыделение от людей и компьютеров, теплопередача от стен и окон, а также поступающее через окна солнечное тепло на высоте двух метров от пола. Вне зон обитания в расчет принималось тепло от систем освещения, теплопередача от стен и окон, а также поступающее через окна солнечное тепло. Эти данные были использованы для определения параметров чиллеров и бойлеров центральной установки.

Повышение эффективности и сохранение пространства

После определения тепловой нагрузки и мощности центральной установки проектировщики приступили к подбору оборудования для обработки воздуха. Согласно требованиям к интерьеру и общему проекту здания, установки для обработки воздуха (центральные кондиционеры) следовало расположить в надстройках крыши, что предполагало прокладку вертикальных воздуховодов и трубопроводов. А это ограничивало свободу использования внутреннего пространства. Мозговой штурм помог найти оптимальное решение.

Этим решением стало использование пассивного охлаждения, для которого не требуется поток воздуха от центрального кондиционера. Определяя наиболее подходящий вариант пассивного охлаждения, команда проектировщиков остановилась на сочетаниях UFAD-систем с потолочными панелями охлаждения и охлаждающими балками. Рассматривались варианты с использованием как пассивных, так и активных балок. Но последние требуют подведения воздуховодов от центрального кондиционера, чего необходимо было избежать.

Потолочные панели охлаждения и пассивные охлаждающие балки

Потолочные панели охлаждают воздух в зоне обитания за счет циркуляции холодной воды по проло-женным в них трубопроводам. Во избежание появления конденсата температура поверхности панелей не должна опускаться ниже точки росы для данного помещения.

Расчетное значение температуры в обитаемых зонах здания — +22 оС по сухому термометру, относитель-ная влажность — 50 %. Точка росы для этих условий — +11,3 оС.

На практике поддержание относительной влажности на приемлемом уровне требует активных действий, чтобы точка росы существенно не отклонялась от проектного значения.

Потолочные панели обладают очень низкой холодопроизводительностью — около 95 Вт/м 2. Это значит, что для охлаждения помещения потребуется покрыть ими всю площадь потолка, что не слишком эстетич-но. Кроме того, сами панели — довольно дорогое удовольствие.

В пассивных балках воздух охлаждает вода, циркулирующая по трубкам, скрученным в виде спирали. Те-плый воздух, обладающий меньшей плотностью, поднимается к расположенной под потолком балке, а за-тем, став холоднее и соответственно плотнее, опускается. Все, что было сказано выше о конденсации на поверхности потолочных панелей, относится и к охлаждающим балкам. Однако сравнительная простота конструкции и более высокая холодопроизводительность (для данного проекта — 173 Вт на метр длины балки), а также невысокая стоимость делают пассивные балки более приемлемым решением.

Таблица 1 содержит сравнительные характеристики UFAD-системы с дополнительным охлаждением и без него.

Таблица 1. Сравнение UFAD-системы с дополнительным охлаждением и без него

  Только UFAD UFAD + потолочные
панели охлаждения
UFAD + пассивные
охлаждающие балки
Количество приточного воздуха, куб. фут/мин 560000 240000 240000
Мощность приточного вентилятора, л. с. 600 280 280
Мощность вытяжного вентилятора, л. с. 280 120 120
Число напольных воздухораспределителей 5600 2400 2400
Удельный расход воздуха, куб. фут/(мин.*фут2) 1,6 0,7 0,7
Гибкость системы Хорошая Удовлетворительная Хорошая
Капитальные затраты, долл. США Базовые +4250000 +100000
Срок окупаемости >50 лет <2 лет

Охлаждающие балки в помещении располагаются перпендикулярно к внешней стене над рабочими мес-тами персонала.

Дополнительная система охлаждения позволяет использовать приточные и вытяжные вентиляторы меньшей мощности, а также сократить количество воздушных диффузоров. Все это ведет к заметному сни-жению стоимости всей системы.

Для большей комфортности было решено использовать диффузоры с устройствами для увлажнения воз-духа.

Схематически итоговое решение представлено на рисунке 1.

Обеспечение максимального энергосбережения


Обеспечение максимального энергосбережения
Рис.2.
В качестве меры по повышению энергоэффективности рассматривалась возможность использования вращающегося теплообменника для регенерации тепла. Однако, приняв во внимание стоимость его уста-новки и отсутствие лишнего пространства, от этой идеи пришлось отказаться.

Концентрация людей в здании требует постоянного притока свежего воздуха, который необходимо кон-диционировать. Приточный воздух в UFAD-системе имеет температуру сухого термометра выше, чем при использовании традиционных решений, использующих воздуховоды (16,7 оС против 12,8 оС). Кроме того, относительная влажность приточного воздуха в этом проекте ниже, чем требуется.

Чтобы исправить ситуацию, часть возвратного воздушного потока смешивается с прошедшим теплооб-менник приточным воздухом. Теплообменник охлаждает уличный воздух с 30,6 оС по сухому термометру (25 оС — по влажному) до 10 оС (9,4 оС). После того, как приточный (всасываемый) воздух смешивается с возвратным (первичным), имеющим температуру 27,2 оС (17,2 оС) в соотношении 66 % к 34 %, его темпе-ратура достигнет 16,1 оС по сухому термометру (12 оС — по влажному). Этот процесс иллюстрирует график на рисунке 2.

Установки обработки воздуха обеспечивают вентиляцию всего здания и удовлетворяют потребность в охлаждении приблизительно на 52 %. Оставшиеся 48 % тепловой нагрузки берут на себя охлаждающие балки. В систему также встроены датчики углекислого газа, контролирующие поступление воздуха в зоны обитания, что позволяет минимизировать расход энергии в период, когда вентиляция не нужна.


Схема трубопроводов системы охлаждающих балок
Рис.3. Схема трубопроводов
системы охлаждающих балок
Конструкция предусматривает циркуляцию охлажденной воды через теплообменник установки обра-ботки воздуха (рис. 3). Эта вода с температурой 13,9 оС подается по стоякам на каждый этаж и поступает в охлаждаемые балки, где нагревается приблизительно до 17,8 оС и, затем, на выходе, смешивается с водой, циркулирующей во вторичном контуре.

Система автоматического контроля следит, чтобы температура воды, поступающей в балку, была мини-мум на 1,7 оС выше точки росы.

После балок вода поступает в машинное отделение в подвале здания, где смешивается с водой, циркули-рующей через установку обработки воздуха (13,9 оС), в результате на выходе вода имеет температуру около 14,4 оС. Разница с температурой испарителя получается больше (7,2 оС вместо 6,7 оС), что обеспечивает бо-лее эффективную работу чиллеров.

Монтаж системы

В процессе реализации проекта возникла неожиданная проблема. Так как охлаждающие балки в США не слишком распространены, многие монтажники климатического оборудования оказались попросту незна-комы с особенностями их установки. Преодолеть это затруднение помог макет балки, изготовленный про-ектировщиками. На нем специалисты из выбранной проектировщиками компании смогли освоить прин-ципы работы и монтажа этого типа оборудования.

Благодаря этому решению подрядчик справился с работой вовремя и без дополнительных трат.

Финансовые итоги

Учет эксплуатационных расходов системы ведется с момента сдачи здания в эксплуатацию в декабре 2007 года. В 2008 году расход электроэнергии составлял в среднем 1,89 кВт•ч/фут 2. Расход в зданиях со сходными характеристиками, но с установленными традиционными системами вентиляции составлял 3,22 кВт•ч/фут 2.

То есть инновационный подход обеспечил 41 % экономии. Кроме того, потребление газа в рассматри-ваемом здании ниже на 24 %. Подробные данные об энергопотреблении собраны в таблице 2.

Таблица 2. Ежемесячное потребления электроэнергии в сравнении с традиционной системой кондиционирования с переменным расходом воздуха

  Янв. Февр. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сент. Окт. Ноя. Дек. .  
Исследуемое здание (375909 кв. футов) В среднем
кВт•ч 603191 620557 710214 792539 670842 682702 757313 718749 735248 721284 723278 782832 709896
кВт•ч/ фут 2 1,60 1,65 1,89 2,11 1,78 1,82 2,01 1,91 1,96 1,92 1,92 2,08 1,89
Здание для сравнения (188321 кв. фут) В среднем
кВт•ч 752548 629850 573740 589647 576489 599758 635405 566343 596489 580019 561847 606702 605736
кВт•ч/ фут 2 4,00 3,34 3,05 3,13 3,06 3,18 3,37 3,01 3,17 3,08 2,98 3,22 3,22

Основные выводы

В процессе проектирования, анализа и эксплуатации рассмотренной системы было собрано множество ценных данных и накоплен практический опыт. Проектировщики исходили из предположения, что холод-ный воздух, ниспадающий от охлаждающей балки прямо на рабочее место, практически не создает дис-комфорта и не препятствует работе напольных воздухораспределителей. Эти предположения были под-тверждены путем математического моделирования. Но на практике предполагаемый эффект не был дос-тигнут в полной мере. Температура возвратного воздуха оказалась ниже, чем ожидалось, что препятство-вало его осушению и перегреву. Причиной оказалось расположение части охлаждающих балок в непосред-ственной близости от отверстий для забора возвратного воздуха. В итоге эти балки пришлось отключить от системы. Данный случай показывает, что моделирование не всегда позволяет с точностью предсказать по-ведение воздушных потоков, особенно при реализации инновационных решений, которые еще не были как следует опробованы и протестированы. К счастью, корректно функционирующие балки не препятствуют работе воздухораспределителей. Комфорт работников превзошел все ожидания: было получено всего 28 жалоб, притом что в здании трудилось 1700 человек.

Заключение

Основным итогом проделанной работы стало создание инновационной системы вентиляции и конди-ционирования, которая благодаря сочетанию UFAD-технологий, пассивного охлаждения, многократного перепуска воды и возвратного воздуха, позволяет достичь существенного сокращения энергопотребления и обеспечивает комфортные условия работы.

Литература

  1. Diekmann, J., K. Roth, J. Brodrick. 2004. “Radiant ceiling cooling”, ASHRAE journal 46 (6):42–43.
  2. Roth, K., et al. 2007. «Chilled beam cooling», ASHRAE Journal 49 (9):84–86.
  3. Авторы: Стив Вейднер и Джером Доургер, вице-президенты PEDCO EA Services, Майкл Уолш, главный инженер по электроснабжению PEDCO EA Services.


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