Краткое описание, расчет и область применения климатических балок

Климатические балки — ​это устройства для поддержания оптимальной температуры в помещении путем охлаждения и нагрева воздуха. Существует несколько видов климатических балок, каждый из которых имеет свои особенности.

Климатические балки (их также называют охлаждающими балками) начали применяться в Европе и Северной Америке в середине 1990-х годов в качестве альтернативы классическим системам кондиционирования. В последние годы в России их активно продвигают компании FlackWoods, TROX, Swegon и другие.

Применение охлаждающих балок оправданно в помещениях с высокими требованиями к качеству микроклимата. С их помощью достигается тепловой комфорт, обеспечиваются низкий уровень шума, экономия энергии и эффективное использование пространства. Климатические балки рекомендуется применять в офисных, гостиничных, лечебных учреждениях, а также в магазинах и ресторанах.

Причины появления климатических балок

Климатические балки появились в результате неудовлетворенности уровнем комфорта, который обеспечивают традиционные офисные кондиционеры. К недостаткам классических систем кондиционирования следует отнести чересчур сильный поток холодного воздуха, приводящий к простудам, а также шум и необходимость отвода дренажа.

У каждого недостатка есть свои причины. Чтобы обеспечить компактность прибора, инженерам пришлось увеличить расход и скорость выдуваемого воздуха, а также выбрать более низкую температуру холодоносителя. В результате температура испарителя оказывается ниже точки росы, что приводит к выпадению конденсата, вызывая необходимость его удалять. Впрочем, в офисном помещении всегда есть влагопритоки, так что осушение воздуха — ​полезная функция. Наконец, повышенный расход воздуха потребовал использования вентилятора, а он создает шум.

Решение проблем виделось в отказе от вентилятора и дренажа путем повышения температуры холодоносителя в системе. Возникли новые сложности — ​внутренние блоки стали заметно более крупногабаритными и металлоемкими. При этом задачу удаления избытков влаги пришлось переложить на систему вентиляции.

Таким образом, климатические балки представляют собой альтернативу фэнкойлам (поскольку холодоносителем в климатических балках выступает вода, их правильнее сравнивать именно с фэнкойлами, а не с кондиционерами). Решение о том, какой тип оборудования принимать — ​фэнкойлы или балки, — ​зависит от приоритетов заказчика на каждом конкретном объекте.

Нормативные документы

Основным нормативным документом, описывающим устройство систем охлаждения с использованием климатических балок, следует признать Р НОСТРОЙ 2.15.13–2015 «Инженерные сети зданий и сооружений внутренние. Основные схемы систем вентиляции и кондиционирования» (раздел 6.6 «Схемы центральных систем кондиционирования воздуха с климатическими балками»).

Принцип работы пассивных охлаждающих балок

Охлаждающие балки представляют собой теплообменники, по трубкам которых протекает холодоноситель, за счет которого и охлаждается воздух в помещениях. Таким образом, они напоминают сразу два вида климатической техники — ​конвекторы и фэнкойлы.

Подобно конвекторам, в балках отсутствует принудительный обдув, и теплообмен происходит за счет естественных гравитационных сил. Балки устанавливают под потолком, поскольку теплый воздух скапливается именно там. Контактируя с балкой, воздух охлаждается и опускается к полу. Одновременно с этим вверх устремляются потоки нагретого воздуха.

Сходство с фэнкойлами заключается в общем холодоносителе — ​воде. Однако из-за отсутствия вентилятора процесс охлаждения воздуха климатическими балками носит гораздо менее интенсивный характер, а для того, чтобы обеспечить достаточный теплосъем, размеры теплообменника заметно увеличены (рис. 1).

Принцип работы активных охлаждающих балок

Выше был описан принцип работы пассивных балок, но существуют и активные климатические балки (их также называют активизированными). С их помощью обеспечивается не только охлаждение помещения, но и вентиляция, а при необходимости и отопление.

Активные охлаждающие балки представляют собой теплообменник, над которым проложен приточный воздуховод с охлажденным воздухом. В воздуховод встроены форсунки — ​воздухораспределители, создающие узкую направленную струю. Они установлены вдоль самой балки, но направлены несколько в сторону и не обдувают теплообменник.

Подаваемый воздух уже охлажден, и прогонять его через теплообменник нет смысла. Он выполняет другую задачу. За счет эффекта эжекции подаваемый воздух подсасывает теплый воздух из помещения. Именно он проходит через теплообменник с холодной водой и охлаждается. Расход эжектируемого (рециркуляционного) воздуха в 4–5 раз превышает расход воздуха из системы вентиляции. После теплообменника эжектируемый воздух смешивается с приточным и возвращается в помещение (рис. 2, 3).

Краткие технические характеристики

Итак, если пассивная климатическая балка только охлаждает воздух, то активная балка совмещает функции вентиляции и кондиционирования. Холодильная мощность (теплосъем) балок зависит главным образом от перепада температуры воды на входе и выходе из балки и разности температуры воздуха в помещении и средней температуры воды в балке.

Мощность пассивных балок находится в диапазоне от 100 до 600 ватт на один метр длины, мощность активных балок достигает 800 ватт на метр. Для стандартного перепада температуры воды на входе/выходе из балки — ​3°C — ​эти цифры составляют около 200 Вт на метр длины для пассивных балок и до 450 Вт на метр длины для активных. Средний расход приточного воздуха для активных балок достигает 80 кубических метров в час.

Пассивные климатические балки следует применять в помещениях с удельными теплоизбытками не более 80 ватт на один квадратный метр, активные — ​в помещениях с удельными теплоизбытками не более 120 ватт на один квадратный метр при удельном расходе приточного воздуха от 5 до 10 кубических метров в час на 1 квадратный метр.

Инфраструктура для работы климатических балок

В структурной схеме системы холодоснабжения климатические балки играют роль доводчиков, по сути, заменяя фэнкойлы. Как и в случае с фэнкойлами, для функционирования системы должно быть предусмотрено центральное холодильное оборудование — ​холодильные машины или чиллеры.

Холодильная мощность чиллеров выбирается путем расчета теплоизбытков в обслуживаемых помещениях. Система холодоснабжения может быть как одноконтурной, так и двухконтурной, однако есть нюанс.

Во избежание выпадения конденсата температура холодной воды, подаваемой к балкам, не должна опускаться ниже +14°C (вспомним, что климатические балки изначально разрабатывались как инструмент для охлаждения воздуха без выпадения конденсата). В стандартных чиллерных системах температура подаваемой воды составляет +7°C, реже +10°C, а для подачи +14°C подойдет не каждый чиллер.

В связи с этим преимущество получает двухконтурная система холодоснабжения. Во внутреннем контуре циркулирует водный раствор этиленгликоля, который устойчив к заморозкам и, в отличие от водяной системы, не требует слива на зиму. Во внутреннем контуре циркулирует чистая вода как наиболее дешевый и эффективный холодоноситель. Контуры связаны друг с другом промежуточным теплообменником (обычно пластинчатого типа).

Наличие теплообменника обеспечивает гидравлическую развязку контуров и позволяет поддерживать во внутреннем контуре требуемую температуру — ​те самые +14°C для подающей магистрали.

В случае применения активных балок на объекте должна быть предусмотрена система приточно-вытяжной вентиляции. Воздуховоды приточной системы подводятся к климатическим балкам, а вытяжка осуществляется при помощи обычных решеток и диффузоров (рис. 4).

Так как в системах холодоснабжения на базе климатических балок не образуется конденсат, то необходимость в системе дренажа отпадает. В холодильных балках отсутствуют поддоны для сбора конденсата, при выполнении сервисного обслуживания все связанные с ним работы отсутствуют. Кроме того, в холодильных балках отсутствуют вентиляторы и фильтры, что также упрощает сервис и не требует подведения электрических кабелей к местам установки балок.

Итак, применение климатических балок позволяет отказаться от двух инженерных подсистем здания — ​дренажа и электроснабжения внутренних блоков системы кондиционирования.

Расчет климатических балок

Исходными данными для расчета климатических балок являются величина теплоизбытков Q в помещении, температура воздуха в помещении tП, температура воды на входе и выходе из балки tВХ и tВЫХ соответственно.

Величина теплоизбытков Q определяется по стандартной методике расчета без учета теплопритоков от приточного воздуха (для оптимизации системы их следует учитывать при расчете воздухоохладителя приточной установки). Обычно приточный воздух охлаждают ниже температуры, которую поддерживают в помещении. Это нужно, чтобы снять с его помощью часть теплоизбытков, а заодно и осушить подаваемый воздух.

Подбор ведется с использованием таблиц, предоставляемых производителями климатических балок. В этих таблицах приведены значения холодопроизводительности балки при различной длине устройства и разных перепадах температуры между охлаждаемым воздухом в помещении и средней температурой воды в балке. Последнюю принимают равной среднему арифметическому между температурами воды на входе и выходе.

Например, для tП = 24°C, tВХ = 14°C и tВЫХ = 17°C получим среднюю температуру воды 15,5°C, а перепад температур — ​8,5°C. Средняя холодопроизводительность одного метра длины балки при этом может составлять 200 ватт. Для отвода, например, 1,8 киловатта тепла потребуются 3 трехметровые балки холодильной мощностью 600 Вт каждая.

Следующим этапом является гидравлический расчет и определение расхода воды и потерь давления. Для этого используется график холодопроизводительности в зависимости от расхода воды и перепада температур по воде. Для балок Swegon такой график приведен на рисунке 5. При холодопроизводительности балки 600 Вт и перепаде температур по воде 17–14 = 3°C получим расход воды v = 0,047 л/с.

Потери давления составят:

где v — ​это расход воды, а k — ​коэффициент потерь, который рассчитывается производителем и указывается для каждой модели. В частности, для трехметровой балки Swegon FRB430 этот коэффициент равен 0,0204, и искомые потери давления составят:

Δp = (0,047 / 0,0204)2 = 5,3 кПа.

Так как балки подключаются параллельно друг другу, то общие потери давления от трех балок составят также 5,3 кПа.

Существует более сложный расчет климатических балок. Он основывается на том, что холодопроизводительность балки зависит от перепада давления на сопловом аппарате внутри балки. Чем выше этот перепад, тем выше скорость истекания воздуха и тем больше рециркуляционного воздуха эжектируется приточным. Следовательно, в теплообменнике охлаждается больше рециркуляционного воздуха и общая холодопроизводительность балки возрастает.

Предположим: расход приточного воздуха для двухметровой балки равен 20 л/с (10 л/с на один метр длины балки). Тогда удельная мощность балки составит 31,3 Вт (рис. 6). Холодопроизводительность двухметровой балки при среднем перепаде температур между воздухом и водой 8,5°C составит QX = 31,3 × 8,5 × 2 = 532 Вт.

Потери давления по воздуху будут равны сумме перепада давления на сопловом аппарате (в данном случае ​60 Па) и потерям давления в воздуховоде внутри балки (обычно 3–5 Па), итого — ​65 Па. Напор вентилятора приточной установки следует подбирать с учетом именно этой цифры.

Расход воды через балку будет равен:

v = QX / (с (tВЫХ — ​tВХ)),

где с — ​теплоемкость воды, с = 4200 кДж/(кг·°C).

После подстановки значений переменных получим:

v = 532 / (4200 × (17–14)) = 0,042 л/с.

Здесь стоит обратить внимание на тот факт, что холодопроизводительность климатических балок на рисунке 6 обычно приводят для некоторого стандартного расхода воды. Если полученный расход воды отличается от стандартного, то мощность балки следует пересчитать при помощи специальных диаграмм, выпускаемых производителем.

В нашем случае стандартный расход воды равен 0,038 л/с, а фактический 0,042 л/с. Коэффициент увеличения мощности для фактического расхода составит 1,03, и фактическая холодопроизводительность балки будет равна 532 × 1,03 = 548 Вт.

Итоговые расход воды и холодильная мощность балки определяются итеративным методом до тех пор, пока не будет достигнута заданная точность между исходной и фактической холодопроизводительностью. Иными словами, для нового значения мощности следует повторно рассчитать расход воды, коэффициент увеличения мощности и новое значение мощности. Так «нащупывается» реальный режим работы климатической балки.

Величина потерь давления по воде определяется с помощью справочных таблиц производителя, как это и было сделано ранее.

Некоторые производители предлагают готовые таблицы расчета климатических балок стандартной длины при различных перепадах температур по воздуху. Наиболее точные расчеты можно выполнить при помощи расчетных программ на компьютере.

Расчет для реального помещения

Расчет климатических балок для конкретного помещения представляет собой уравнение с несколькими неизвестными. Охлаждение помещения происходит за счет приточного воздуха (если он охлажден) и за счет рециркуляционного потока воздуха. В сумме они должны погасить теплоизбытки в помещении, причем расход приточного воздуха должен быть не ниже нормативного.

Предположим, стоит задача охладить при помощи балок офисное помещение площадью 30 квадратных метров, теплоизбытки в котором составляют Q = 4000 Вт. Температуры воздуха и воды примем такими же, как в примерах выше. В помещении 5 рабочих мест, следовательно, расход приточного воздуха должен составлять GВ = 5 × 60 = 300 кубических метров свежего воздуха в час.

Если температуру приточного воздуха принять равной tПР = 18°C, то указанный расход приточного воздуха позволит снять

QВ = 0,33 × GВ × (tП — tПР) = 0,33 × 300 × (24–18) = 600 Вт

тепла. Тепловая нагрузка на водяной контур климатической балки составит QВК = Q — ​QВ = 3400 Вт.

Для снятия таких теплоизбытков подойдут 3 трехметровые климатические балки, мощность каждой из которых составляет 1100 Вт при расходе приточного воздуха 150 кубических метров в час для каждой из них. Общий расход приточного воздуха будет равен G = 450 м3/ч, что выше исходных 300 м3/ч, поэтому принятую ранее температуру приточного воздуха следует пересчитать:

tПР = tП — ​3 × QВ / G = 24 — 3 × 600 / 450 = 20°C.

При расчетной наружной температуре +28°C мощность воздухоохладителя приточной установки в пересчете на рассматриваемое помещение составит Q = 0,33 × 450 × (28–20) = 1200 Вт.

Итак, воздухоохладитель в приточной системе должен быть подобран на холодопроизводительность 1200 Вт, а водяной контур климатических балок — ​на холодильную мощность 3400 Вт. В сумме они составят 4600 Вт, что больше изначально указанных 4000 Вт, так как при расчете теплоизбытков в помещении не учитывался теплоприток от вентиляции, который в данном случае равен 600 Вт.

Стоит отметить, что если бы расход приточного воздуха был принят согласно нормам — ​в размере 300 м3/ч, то теплоприток от вентиляции составил бы 400 Вт — ​в 1,5 раза меньше. Но чтобы балка справилась с теплоизбытками в помещении, нам пришлось бы увеличить расход приточного воздуха до 450 м3/ч, что повлекло бы за собой дополнительные потери на охлаждение этого воздуха.

Данных потерь можно избежать путем рециркуляции внутреннего воздуха в приточно-вытяжной установке. Для этого клапаны в камере смешения следует настроить таким образом, чтобы расход приточного воздуха составлял 300 м3/ч, а рециркуляция — ​150 м3/ч.

Потери давления по воде

При подборе климатических балок следует обращать особое внимание на перепад давления воды. Теплосъем с одного метра балки относительно мал, и для уменьшения количества балок в помещении прибегают к применению балок большей длины. Однако потери давления по воде при этом существенно возрастают.

Действительно, при увеличении длины балки увеличивается и ее холодопроизводительность, а для этого при той же длине балки должен быть увеличен расход воды. Увеличение расхода ведет к повышению потерь давления. К этому же ведет и увеличение длины теплообменника.

Анализ технических данных показывает, что при увеличении длины балки в 2 раза потери давления возрастают в 6–10 раз.

Сфера применения

Подбор климатических балок для реальных помещений показывает, что их размеры заметно крупнее габаритов фэнкойлов и кондиционеров. В помещении, где можно установить один фэнкойл, длина которого редко превышает один метр, потребуется установить несколько балок общей длиной 10–20 метров. Это ограничивает их применение, например, в офисах. Но на некоторых объектах данные недостатки не играют существенной роли.

Один из примеров — ​гостиничные номера или иные компактные помещения с постоянным пребыванием человека. Теплоизбытки в таких помещениях невелики, а идеального места для установки фэнкойла порой не найти — ​где бы он ни был установлен, поток холодного воздуха будет мешать. К тому же именно в гостиницах гости чаще всего жалуются на шум от работы кондиционера. И здесь приходят на помощь климатические балки.

Еще один пример — ​галереи в торговых центрах. Это большие помещения без окон с относительно малым количеством людей. Удельные теплоизбытки в них невелики, что делает возможным установки климатических балок по всей длине галереи. Аналогичная ситуация наблюдается в просторных залах ожидания современных аэропортов.

В помещениях с плотной рассадкой людей климатические балки также могут пригодиться, если их холодопроизводительности будет достаточно для отвода теплоизбытков. При плотной рассадке сложно подобрать место для кондиционера, чтобы он никого не задувал, и климатические балки являются настоящим спасением.

Применение климатических балок для отопления помещений

Активные климатические балки могут применяться не только для охлаждения, но и для отопления помещений (пассивные балки применяются только для охлаждения). Чтобы реализовать режим отопления, в теплообменник следует подавать горячую воду.

Возможны два варианта — ​использование 4-трубных климатических балок, которые могут быть одновременно подключены и к системе холодоснабжения, и к системе теплоснабжения, и устройства переменной водной системы. Во втором случае балки остаются двухтрубными, а система трубопроводов подключена к системам холодоснабжения и теплоснабжения одновременно. В зависимости от положения отсечных кранов к балке будет подаваться холодная или горячая вода, что и повлечет за собой смену режима работы балки.

Оптимальная температура воды в климатической балке, работающей в режиме отопления, составляет +35...+40°C, максимальная — ​+45°C. Перепад температуры между прямым и обратным потоком — ​от +5 до +10°C. Регулирование теплопроизводительности системы осуществляется за счет изменения скорости движения (расхода) теплоносителя и его байпасирования.

Заключение

Климатические балки представляют собой особый вид доводчиков для систем холодоснабжения. Они отличаются бесшумной работой, отсутствием конденсата, слабым напором холодного воздуха. Активные климатические балки выполняют функции не только системы кондиционирования, но и систем отопления и вентиляции.

Климатические балки хорошо подходят для охлаждения гостиничных номеров, помещений с плотной рассадкой людей, больших пространств наподобие галерей торговых центров и залов ожидания в аэропортах.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «Мир климата»


ВАКАНСИИ

при поддержке
Термокул
Россоюзхолодпром
АПИК
Danfoss
Emerson
Московский политехнический университет
НСК

НАШИ ПАРТНЕРЫ

ЖУРНАЛ МИР КЛИМАТА
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Самое актуальное и интересное на ваш e-mail.