Концепция разработки системы микроклимата

Основная концепция проектирования систем микроклимата данного дома - энергосбережение и интеллектуальная управляемость инженерных систем.

Энергосбережение осуществлялось по следующим направлениям: высокая тепловая защита здания (применение эффективных строительных материалов и конструкций), установка эффективных отопительных приборов с высоким коэффициентом теплопередачи, разбивка системы кондиционирования воздуха на зоны и полное автоматическое управление зонами, применение схемы с рециркуляцией воздуха, использование естественного холода от воды артезианской скважины для холодоснабжения системы кондиционирования.

Перед авторами была поставлена задача спроектировать системы кондиционирования и вентиляции коттеджа и вспомогательных помещений таким образом, чтобы система всегда потребляла рациональный минимум тепловой, холодильной и электрической мощности. При этом управлении работой системы должно производиться автоматически по требованиям, исходящим из внутренних помещений дома.

Схема вентиляции дома выбрана следующая: приток - механический, во все жилые помещения с центральным кондиционированием воздуха с частичной рециркуляцией; вытяжка - естественная, через помещения санузлов, ванн и кухонь; забор рециркуляционного воздуха - из помещений холода.

Основным принципом проектирования системы приточной вентиляции выбран принцип зонирования. Все помещения дома распределены на восемь зон в зависимости от назначения помещений и времени пребывания в них людей. Подача воздуха в каждую зону может быть затребована или прекращена по команде с пульта, установленного в одном из помещений зоны. Система приточной вентиляции, соответственно, также поделена на автономные зоны, которые можно отсекать от общего воздуховода с помощью управляемых заслонок.

Работа системы

Для управления системой установлен электронный процессор с расширением на 19 зон, который обрабатывает всю информацию, исходящую из зональных датчиков, и вырабатывает команды для открытия или закрытия заслонок и выбора скорости вращения двигателя приточного вентилятора. Зональный пульт управления содержит комнатный термостат и кнопки для установки требуемой температуры или режима чистого проветривания. Зональные пульты управления входят в комплект с процессором, также как и зональные воздушные заслонки с электрическими приводами.

Система работает следующим образом. В приточной камере находится блок оборудования, который состоит из вентилятора с частотно-регулируемым приводом (как минимум, три скорости вращения двигателя) и воздухонагревателем (как минимум, три стадии нагрева). К блоку примыкает смесительная камера, в которой смешиваются потоки наружного и рециркуляционного воздуха в соотношении 1:2. Канальные датчики температуры замеряют температуру наружного, приточного и рециркуляционного воздуха. Управление вентилятором и теплообменниками осуществляется с электронного процессора. По сигналам зональных термостатов процессор определяет необходимый режим обработки воздуха в блоке воздухообработки для каждой зоны - нагрев, охлаждение или вентиляция. Определяется преобладающий режим, заданный большинством зон, и в первую очередь готовится и подается воздух к этим зонам. По сигналу процессора электроприводы открывают воздушные заслонки этих зон, и воздух подается в помещения. Заслонки остаются открытыми до тех пор, пока показания термостата не сравняются с заданной температурой. Далее заслонки закрываются, и начинается приготовление и подача к другим зонам, где требуется другой режим обработки воздуха. Периодичность открытия заслонок различных зон во время переменных режимов работы составляет 10 мин. Во время отсутствия людей в помещении зональный пульт устанавливается в нейтральный режим и заслонка закрывается. Переход зоны в нейтральный режим и его снятие происходят автоматически с помощью датчика присутствия. В зависимости от количества открытых зон процессор выбирает скорость вращения вентилятора и степени мощности нагрева или охлаждения воздуха в теплообменниках. Это позволяет расходовать все виды энергии строго в соответствии с потребностями людей, при этом не жертвуя комфортными условиями.

Особенности проектирования

С точки зрения проектирования системы вентиляции наибольшую сложность вызвал вопрос определения расчетного воздухообмена в системе и подбор сечений воздуховодов при условии периодического пользования различными зонами. Обсуждались три варианта:

• рассчитывать воздуховоды и мощности оборудования по суммарной нагрузке всех зон из условия одновременной их работы;
  
  
• применить теорию вероятности по аналогии с расчетом нагрузок в системах водоснабжения;
  
  
• задаться наиболее вероятной комбинацией одновременного включения нескольких зон и рассчитать суммарную нагрузку для них.

По согласованию с заказчиком был выбран третий вариант (одновременно включать пять зон из восьми). Таким образом, расчетная нагрузка составила 70% от суммарной нагрузки всех зон. С аэродинамической точки зрения система воздуховодов была скомпонована с ответвлениями каждой зоны от магистрального воздуховода, выполненным в виде вертикальной шахты большого сечения так, чтобы потери давления в нем были незначительны. Это позволило увязать все ответвления и создать равные условия для каждой зоны. Для случая, когда все или большинство зон закрыты, предусмотрен байпас между приточным и рециркуляционным воздуховодами с клапаном давления.

Приточная установка собрана из малогабаритных элементов на базе канального вентилятора, позволяющих смонтировать ее в подвесном виде на потолке технического помещения подвала. Теплоносителем для охлаждения и нагрева воздуха в теплообменниках является вода. Горячим теплоносителем является вода из автономной котельной с параметрами 70-90°С. В качестве теплообменника была выбрана секция водяного подогрева.

Холодоснабжение системы

Так как дом находится в отдаленном от городской застройки районе, то забор холодной воды на нужды водоснабжения застройщик решил осуществлять из артезианской скважины и получил на это разрешение. Вода имеет температуру в летний период 5 -7°С. Как раз такая температура необходима для водяных воздухоохладителей, которые применяются в системах кондиционирования воздуха. Для получения воды с такой температурой обычно используются фреоновые холодильные машины. Именно это оборудование является наиболее дорогим и сложным в эксплуатации в системах кондиционирования. Кроме того, компрессор холодильной машины потребляет много электроэнергии, а использование фреона может нанести вред окружающей среде. Поэтому была предложена и разработана система кондиционирования воздуха, использующая воду, добываемую из местной скважины (рис. 1). Регулирование мощности охлаждения воздуха осуществляется с помощью регулирования подачи холодной воды насосом с частотным приводом.

Рис. 1. Принципиальная схема холодоснабжения СКВ дома (1 - водяной теплообменник - воздухоохладитель; 2 - приточный вентилятор центральной системы с частотно-регулируемым приводом; 3 - регулятор скорости вращения двигателя вентилятора; 4 - электронный процессор; 5 - зональные термостаты; 6, 7 - подающий и обратный теплопроводы; 8 - глубинный насос с частотно-регулируемым приводом; 9 - регулятор скорости вращения насоса; 10 - трехходовой клапан с электроприводом; 11 - забор воды из скважины; 12 - датчик температуры воды; 13 - электронный контроллер, управляющий режимом забора воды из скважины; 14 - трубчатый теплообменник; 15 - запорный вентиль)

В качестве воздухоохладителя был подобран горизонтальный канальный аппарат с водяным теплообменником. Его основные характеристики: холодопроизводительность - 23,1 кВт; количество обрабатываемого воздуха - 3800 м³/ч; объем воды в теплообменнике - 6,35 л; массовая скорость воды - 0,8 кг/с; затраты электроэнергии на перекачку воды насосом - 1,5 кВт.

Исходя из этих данных, коэффициент преобразования энергии предложенной установки с естественным охлаждением ε = 23,1/1,5 = 15.

В стандартной системе кондиционирования затраты электроэнергии на работу холодильной машины (чиллера) для получения указанного количества холода - 8,3 кВт. В этом случае холодильный коэффициент равен ε = 2,7.

Таким образом, установка экономит около 80% электроэнергии. Кроме того, вода на выходе из водяного теплообменника имеет температуру 11°С и может использоваться для дальнейшего нагрева в системе горячего водоснабжения или полива приусадебного участка.

По материалам журнала "С.О.К." (Россия)