использование современных энергоэффективный решений
Всегда считалось, что рождению кондиционирования воздуха соответствует начало нашего столетия, и мало кому известно, что сам термин «кондиционирование воздуха» впервые был использован в 1815 г. французом Жаном Фридериком де Чабанесом, получившим в том же году британский патент на методы регулирования температуры и поддержания условий воздушной среды в помещениях различного назначения. Вплоть до последнего времени этот термин содержал в себе представление только о тех процессах, которые осуществляются при непосредственной обработке воздуха, и параметрах воздушной среды в помещениях (температуре, влажности, подвижности). По нашему мнению, под кондиционированием следует понимать приготовление воздуха требуемого качества (по температуре, влажности, чистоте, газовому и ионному составу), подачу его в обслуживаемые помещения или их часть и автоматическое поддержание комплекса заданных параметров воздушной среды с требуемой степенью точности.
Среди отечественных специалистов нет единого мнения относительно областей применения кондиционирования воздуха: одни из них считают последние разновидностью вентиляционной техники с присущими ей методами и средствами обеспечения требуемых параметров воздуха в помещениях (см. БСЭ, т. IY, И.Ф.Ливчак), другие — наоборот, рассматривают кондиционирование воздуха как самостоятельную отрасль техники со своей собственной логикой развития и специфическими способами поддержания нормируемых параметров воздушной среды.
Нам представляется, что второй подход более целесообразен, хотя решение большинства проблем кондиционирования воздуха возможно только на базе комплексного подхода к микроклимату, формирование которого определяется многими факторами. Системы кондиционирования воздуха выполняют при этом функцию наиболее активного средства обеспечения требуемых значений как отдельных параметров воздушной среды, так и их комплексов и, следует признать, наиболее современного и надежного, если иметь в виду обязательность автоматизации режимов работы установок кондиционирования.
В Западной Европе и, особенно, в США кондиционирование воздуха начинало свое развитие с технологических систем. Первые такие системы появляются на текстильных и бумагоделательных фабриках (1906 г., В.Кэрьер). В том же году была предложена получившая впоследствии широкое распространение оросительная камера для обработки воздуха. Хотя, справедливости ради, необходимо отметить, что поверхностные теплообменники рекуперативного типа стали применяться на два десятилетия раньше. И уже в 20-х годах нашего столетия получили широкое распространение комфортные системы общественных зданий (не всегда при этом престижных). Примером таких непрестижных зданий могут служить кинотеатры.
Системы кондиционирования воздуха (СКВ), подобные современным, разрабатываются в промышленно развитых странах, начиная с 1930-х годов. На сегодняшний день на Западе и в Японии кондиционирование воздуха представляет собой весьма престижную, оснащенную самой передовой техникой и технологией отрасль хозяйства. Достаточно отметить, что на сегодня мировой объем продукции кондиционирования воздуха составляет около 70 млрд. долларов. Только вклад Японии оценивается в 17-20 млрд. долларов. Безусловным лидером в технике кондиционирования воздуха является США. Только бытовых одновременно функционирующих кондиционеров там насчитывается около 130 млн. шт.
В России первые достаточно примитивные установки регулирования параметров воздуха в помещениях стали использоваться с конца прошлого — начала нынешнего столетия. Одной из первых систем регулирования влажности, например, было оснащено здание архива Государственного Совета. В 1912 г. в здании Нового Эрмитажа была смонтирована установка увлажнения воздуха на основе использования оросительной камеры. Можно назвать и другие примеры удачных решений в части регулирования параметров микроклимата. Но не они, к сожалению, определяли направление и уровень развития кондиционирования воздуха в России, а ее, уже к тому времени, техническая отсталость.
Комфортные системы кондиционирования воздуха в условиях климата Центральной России, прямо скажем, не были в то время актуальными: даже в крупных общественных зданиях удавалось поддерживать приемлемое состояние воздушной среды, не прибегая к средствам кондиционирования.
Недостаточно развитыми в России были также техника и технология холодильной промышленности, в которой с момента возникновения и до начала 50-х годов практически не рассматривались вопросы кондиционирования.
Началом современного этапа развития кондиционирования воздуха в России следует считать середину 50-х годов, когда в стране начался серийный выпуск центральных кондиционеров на харьковском заводе (Харьковский завод кондиционеров). Конструкции этих кондиционеров были разработаны в Ленинградском институте охраны труда (ЛИОТ) и НИИ сантехники (Москва). Следует заметить, что основным потребителем оборудования для кондиционирования воздуха в те годы было Министерство обороны СССР. Оно же стало и одним из инициаторов их производства. Через 20 лет производство оборудования для СКВ существенно возросло. Например, выпуск центральных кондиционеров к концу 70-х годов составлял около 5,5 тыс./год. Однако потребность в оборудовании для кондиционирования во все годы удовлетворялась не более чем на 30%. В настоящее время трудно количественно оценить соотношение потребности и степени ее удовлетворения, так как развал министерств, связанных с производством оборудования, возникновение новых производственных структур, проникновение на рынок России многочисленных иностранных фирм сопровождается полным отсутствием каких-либо статистических данных.
Кризис производства оборудования для кондиционирования в России усугубляется еще и тем, что большая его часть была сосредоточена в странах, называемого ближнего зарубежья (Украина, Азербайджан, Латвия, Белоруссия), которые, как правило, не соотносят собственные интересы с интересами России.
К настоящему времени, по подсчетам специалистов, во всех странах СНГ в эксплуатации находятся 200-250 тыс. центральных установок СКВ. Представляется, что на долю России их приходится более половины. В основном СКВ оснащены установками отечественного производства, обладающими, как правило, невысоким уровнем технических, экономических и эксплуатационных характеристик. Около 80% действующих установок физически и морально устарели и нуждаются в замене.
Что касается бытовых кондиционеров, предназначенных для обеспечения комфортных условий воздушной среды в квартирах, офисах, небольших магазинах, кафе, предприятиях коммунального назначения, то здесь, надо сказать прямо, мы не имеем ни опыта, ни традиций. До недавнего времени применение такого типа оборудования считалось не актуальным, и производство его в России вообще отсутствовало. Неслучайно поэтому сегодня рынок кондиционеров относительно небольшой производительности наполнен исключительно установками иностранных фирм: Carrier, York, Trane, Mitsubishi, Toshiba, Fujitsu, Panasonic, Funai, Samsung, Airwell, DeLonghi и др.
Существует несколько классификаций систем кондиционирования воздуха. По нашему мнению, наиболее простой и логичной является классификация, предложенная в свое время Е.В.Стефановым. В соответствии с ней все СКВ можно подразделить по следующим признакам: по назначению (комфортные, технологические); по степени централизации (центральные, зональные, местные); по степени использования наружного воздуха (прямоточные, рециркуляционные, с частичной рециркуляцией); по автономности, то есть по степени зависимости от источников теплоты и холода; по способу комплектации самого кондиционера (агрегатированные, секционные).
Не останавливаясь на деталях приведенной классификации, отметим только, что она во многом определяет те разновидности кондиционеров, на которых мы остановимся ниже. Сразу же заметим, что специфические технологические кондиционеры выпадают из поля нашего зрения, так как являются прерогативой ограниченного круга специалистов и массового распространения не имеют.
Вначале остановимся на местных кондиционерах, то есть таких устройствах, которые предназначены для создания требуемого микроклимата в помещении, где они установлены, или его части.
Эти устройства могут быть как автономными (имеющими встроенный холодильный агрегат), так и неавтономными (получающими теплоту и холод от внешних источников).
К неавтономным устройствам обработки воздуха (их трудно назвать кондиционерами) относят вентиляторные теплообменники — фэнкойлы (fan coils) производительностью по воздуху 150-6000 куб. м/ч и соответственно холодо- теплопроизводительностью 600-25000 Вт и 1000-40000 Вт. Теплоносителем здесь является горячая вода, холодоносителем — либо вода, либо фреон. Иногда фэнкойлы дополняются электрическим подогревом воздуха. Эти устройства, устанавливаемые непосредственно в обслуживаемом помещении, как правило, достаточно эстетичны и приспособлены для размещения в различных его местах. Недостатком фэнкойлов является наличие вентилятора, представляющего собой источник шума. Правда, большинство фирм гарантирует его уровень не более 35 дБ на частоте 1000 Гц, что вполне допустимо.
Автономными местными кондиционерами являются оконные моноблоки и раздельные агрегаты, или сплит-системы (split systems). Чаще всего такие устройства характеризуются холодопроизводительностью до 10 кВт и производительностью по воздуху до 3000 куб. м/ч. Они могут работать как на рециркуляционном воздухе, так и на его смеси с наружным.
Оконные кондиционеры достаточно традиционны, выпускаются различными фирмами десятки лет и представляют собой моноблочный аппарат, в корпусе которого расположены холодильная машина (компрессор, конденсатор, испаритель), вентилятор, фильтр, блок управления. В некоторых моделях предусматривается электрический подогрев. Охлаждение конденсатора осуществляется наружным воздухом. Испаритель предназначен для обработки кондиционируемого воздуха.
Простота исполнения и установки делают оконные кондиционеры самыми дешевыми, но они не лишены существенных недостатков, основными из которых являются не всегда удовлетворительные шумовые характеристики, затенение оконного проема обслуживаемого помещения, ухудшение внешнего вида фасадов зданий.
Названные недостатки привели к поиску конструкций с раздельным размещением компрессорно-конденсаторного агрегата и испарителя. В результате этого поиска в начале 80-х годов появились широко распространенные ныне сплит-системы.
Правда, справедливости ради необходимо отметить, что идея и конструкция такого раздельного агрегатированного кондиционера были предложены в России в середине 70-х годов и они никоим образом не были связаны с перечисленными выше недостатками оконных моноблоков. Родилась эта идея в Министерстве обороны и определялась необходимостью обеспечения параметров микроклимата в передвижных пунктах управления, весьма насыщенных различной тепловыделяющей аппаратурой. Промышленность тогда воспротивилась реализации подобного рода кондиционера, и теперь мы покупаем эти кондиционеры в исполнении любых фирм, кроме российских.
Современная сплит-система, как правило, обладает следующими качествами:
Режим теплового насоса характерен для межсезонья (переходных периодов года), когда температура наружного воздуха составляет +8…-5oС. Верхнее значение этого интервала температуры связано с прекращением работы отопительных систем, нижнее — с энергетической целесообразностью функционирования агрегата в рассматриваемом режиме. В нем, как правило, обеспечивается автоматическая система защиты теплообменника наружного блока от обмерзания. Конкретное исполнение этой системы может быть различным.
В последнее время в некоторых сплит-системах предусматривается инверторное управление компрессором холодильной машины. В этом случае плавная регулировка его мощности осуществляется за счет изменения частоты переменного тока, что позволяет быстро устанавливать режим работы последнего и производить плавное и достаточно точное поддержание параметров воздуха при энергоэкономичных режимах функционирования компрессора.
К недостаткам традиционных сплит-систем с навесными испарительными блоками следует отнести не всегда удовлетворительное распределение обработанного воздуха в объеме помещений. Это обстоятельство привело к появлению так называемых кассетных и канальных установок. Они, правда, рекламируются фирмами как новое слово в технике кондиционирования, хотя на самом деле не вносят в саму сплит-систему никаких принципиальных изменений за исключением расширения возможного диапазона условий раздачи воздуха. Например, кассетный внутренний блок позволяет раздавать воздух свободными и настильными струями во все стороны, а к канальному блоку могут быть присоединены традиционные воздухораспределители самой широкой гаммы.
Производятся также сплит-системы с внутренними блоками настенного, напольного и подпольного исполнения.
Многие фирмы выпускают системы такого типа с несколькими внутренними блоками, присоединенными к одному наружному (мульти сплит-системы).
В местных агрегатированных кондиционерах охлаждение конденсаторов воздушное. Иногда такие агрегаты в виде моноблока, подобно домашнему холодильнику, устанавливают в обслуживаемом помещении. В таком случае они предназначаются для обеспечения расчетных (требуемых) условий воздушной среды только на том или ином рабочем месте, но не в помещении в целом.
Необходимо помнить, что при реализации в кондиционерах процессов осушения и охлаждения воздуха необходимо иметь дренажную систему. Это относится как к фэнкойлам, так и внутренним блокам сплит-систем.
Центральные кондиционеры могут быть как неавтономными и в таком случае, как правило, секционными, так и автономными.
Современные неавтономные секционные кондиционеры характеризуются производительностью от 2000 до 300000 куб. м/ч (в зависимости от фирмы-производителя). Набор секций определяется технологической схемой обработки воздуха. Заметим, что широко распространенная в отечественных установках этого типа камера орошения заменена в кондиционерах большинства фирм на поверхностный теплообменник, хотя для увлажнения воздуха чаще всего предусматриваются форсунки, распыляющие воду.
Центральные автономные установки — это, как правило, кондиционеры крышного типа с воздушным охлаждением конденсатора холодильной машины. При этом различают однозональные и многозональные (мультизонные) установки этого класса. И те, и другие в состоянии функционировать как в режиме охлаждения воздуха, так и в режиме его нагревания (теплового насоса).
Однозональные установки по принципу действия подобны сплит-системам. В мультизонных системах, как правило, предусматривающих переменный расход холодильного агента (VRF), возможны два варианта. В первом все внутренние блоки работают либо в режиме охлаждения, либо в режиме нагревания. Это исполнение для большинства VRF-систем является стандартным. Такие системы часто называют двухтрубными, так как от наружного блока к внутренним прокладываются два трубопровода (газовый и жидкостный).
Во втором внутренние блоки одновременно могут работать на охлаждение и нагревание, то есть часть из них функционирует в режиме охлаждения, другие же наоборот — в режиме нагревания воздуха (в цикле теплового насоса). В этом варианте теплота из охлаждаемых помещений с использованием рекуперации переносится в обогреваемые. Такие системы называют Heat recovery. Конструктивно они реализуются несколько иначе по сравнению с традиционными двухтрубными. Здесь наружный блок соединяется с группой внутренних не напрямую, а через специальные устройства переключения режимов. При этом соединение наружных блоков и устройств переключения режимов осуществляется по трем трубопроводам (жидкостный, газовые высокого и низкого давления).
Необходимо отметить, что VRF-системы, разработанные в качестве альтернативы традиционным центральным, имеют ряд преимуществ:
Следует иметь в виду, что оборудование помещений устройствами кондиционирования воздуха — это не только капитальные (единовременные) затраты, но и дополнительные вложения в их функционирование. Инверторные установки, естественно, наиболее экономичны, но их первоначальная стоимость примерно в 1,2 — 1,5 раза выше устройств, не оснащенных энергосберегающим оборудованием. Окупаемость дополнительных затрат при этом составляет 2-3 года (для современных цен на энергоносители).
Ныне действующие нормативы РФ на проектирование не предусматривают обязательного использования систем кондиционирования воздуха в жилище, офисных и т.п. зданиях. Определение комфортных микроклиматических условий, например, в СНиП 2.04.05-91 соответствует общепринятым международным требованиям и констатирует оптимальными следующие метеорологические условия: температура — 20…22 oС, скорость движения — не более 0,2 м/с, относительная влажность — 40-60%. Существенно меньшее внимание, нежели в международных, уделяется в наших нормативах содержанию во внутреннем воздухе различных газовых и аэрозольных примесей, так или иначе связанных с хозяйственной деятельностью людей и их пребыванием в жилых и иных помещениях: газовыделения от транспорта, мебели, строительных конструкций, содержащих те или иные вредные для здоровья примеси, инженерного оборудования квартир и др.
В настоящее время появляются (и это следует признать прогрессивным) региональные нормы строительного проектирования, учитывающие местные особенности и возможности. Эти нормы касаются, в том числе, и инженерных систем зданий. Но в них системам кондиционирования воздуха уделяется существенно меньше внимания, чем они этого заслуживают. Такие нормы, к примеру, уже действуют в Москве. Санкт-Петербург пока не имеет региональных норм в части инженерного оснащения зданий, хотя необходимость в этом существует большая, и не только для Санкт-Петербурга.
В заключение заметим, что подбор кондиционеров, выбор режимов их работы можно доверить только квалифицированным специалистам. Ни в коем случае не надо следовать рекомендациям, трактующим эту процедуру как очень простую и не требующую специальной подготовки (см., например, справочник «Современные строительные материалы», Росстройкомплект, М.-СПб, 1998).